DE60214016T2

DE60214016T2 - Aussenläufermotor zum bohren

Info

Publication number: DE60214016T2
Application number: DE60214016T
Authority: DE
Inventors: Kenneth D. Sapulpa Oglesby
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-09-27
Filing date: 2002-09-16
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2022-09-17
Also published as: WO2003027433A8; EP1430199A1; DE60214016D1; US6920946B2; US20030056990A1; CA2461201A1; WO2003027433A9; CA2461201C; AU2002336555A1; WO2003027433A1; ATE336636T1; EP1430199B1; US7055629B2; US20050189146A1

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf das Gebiet von Motoren, die in Bohrvorgängen in Gestein, Erde, Beton und künstlichen Materialen verwendet werden, und insbesondere auf invertierte Motoren zum Bohren von Gestein, Erde, Beton und künstlichen Materialen, einschließlich des erneuten Eindringens und Säuberns existierender Bohrlöcher, Rohre und Pipelines.
Hintergrund der Erfindung
Bohrloch bezogene Anwendungen nach dem gegenwärtigen Stand der Technik verwenden einen verschiedenartig aufgebauten hohlen rohrförmigen Strang, der sich von einem Ende an der Erdoberfläche an ein gegenüberliegendes Ende am oder nahe des Bodens eines Bohrlochs erstreckt, an dem ein schneidender Bohrer und damit zusammenhängende Ausrüstung (gelegentlich und auch hier synonym als "Bohrgerät" bezeichnet) an dem rohrförmigen Strang befestigt ist. Derartige Bohrgeräte werden dazu verwendet, durch Gestein zu bohren, um das Loch auf eine erwünschte Tiefe und Position zu erweitern. Üblicherweise verwendete Fluide umfassen Wasser, Öl, "Schlamm", Säuren und/oder Gase wie beispielsweise Luft, Stickstoff oder Erdgas. Derartige Fluide werden im Inneren des Strangs nach unten durch den Bohrer gepumpt, kühlen den Bohrer waschen gebohrte Steinsplitter von der Bohrfläche und heben diese Steinsplitter nach oben an die Oberfläche, wo sie von dem Fluid getrennt werden. Falls der rohrförmige Strang zusammengesetzt ist, kann der im Bohrloch angeordnete Bohrer von der Oberfläche aus rotiert werden. Falls der rohrförmige Strang zusammengesetzt oder kontinuierlich ist, kann der im Bohrloch angeordnete Bohrer rotiert werden, indem ein im Bohrloch befindlicher hydraulischer/pneumatischer Motor, ein Verdrängungsmotor/Turbinemotor oder elektrischer Motor verwendet wird, der genau oberhalb des Bohrers angeordnet ist, um den Bohrer zu drehen, ohne den rohrförmigen Bohrstrang zu drehen. Während des Schneidens des Bohrers und des Entfernens der Splitter durch das ungewälzte Fluid von der Spitze des Bohrers/Bohrgeräts weg und in dem Bohrloch nach oben an die Oberfläche, werden der Bohrer und der Rohrstrang abgesenkt, wodurch der Bohrer mit dem Boden des Loches in Kontakt bleibt, so dass der Bohrprozess fortgesetzt wird. Die oben beschriebenen Vorgänge werden auch dazu verwendet, bestehende Bohrlöcher oder verstopfte Bohrlöcher zu reinigen oder erneut in diese einzudringen.
Bei Bohrvorgängen unter Verwendung von in Bohrloch befindlichen Motoren nach dem Stand der Technik wird ein umlaufendes Fluid (Flüssigkeiten und/oder Gas) in das Innere eines hohlen rohrförmigen Strangs, den rohrförmigen Strang entlang nach unten in den Motorbereich (den Leerraum zwischen dem Motorgehäuse und dem Schaft, in dem der Stator des Motors und die Rotorelemente angeordnet sind), durch den Motorbereich, wodurch der Motor angetrieben wird, am Ende des Motorbereich von außerhalb des inneren rotierenden Schafts in den Schaft übergehend, in einen innerhalb des Bohrers angeordneten Bohrer-Strömungskanal und dann durch das Ende des Bohrers/Bohrgeräts austretend gepumpt. Das austretende Fluid reinigt die Bohrer-/Bohrgerät-Fläche und entfernt die durch diesen Vorgang erzeugten Steinsplitter von dieser und hebt sie an dem Motorgehäuse vorbei und in dem Bohrloch nach oben an die Oberfläche. Die minimalen Durchflussmengen pro Zeit und Druckanforderungen für das umlaufende Fluid, die zur effektiven Reinigung und zum Anheben von Steinsplittern an die Oberfläche benötigt werden, sind dem Fachmann bekannt. Sollte die minimale Durchflussmenge pro Zeit nicht erreicht und aufrechterhalten werden, so wird der Bohrvorgang beeinträchtigt oder läuft sich fest, wobei hierbei gelegentlich der rohrförmige Strang und die Bohrausrüstung in dem Bohrloch stecken bleiben. Es ist wichtig, anzumerken, dass die Fluidart, die Durchflussmenge pro Zeit und die Druckanforderungen für einen bestimmten Motor von den zur Reinigung des Bohrlochs benötigten Anforderungen an die hydraulische Strömung erheblich abweichen können. Folglich ist es häufig nötig, dass es zusätzlichen Fluidvolumina ermöglicht wird, den Motorbereich zu umgehen, und, falls notwendig, sollten Hochdruckfluide vom bekannten Volumina und Drücken direkt an bzw. nahe der Spitze des Geräts/Bohrers bereitgestellt werden. Derartige Fähigkeiten zur "Umleitung" von Fluiden durch den Motor an den/das führende/n Bohrer-/Bohrgerät sind jedoch im Rahmen der Technologien nach dem Stand der Technik für die Industrie nicht verfügbar.
Kürzlich wurden auf dem Gebiet des Bohrens nach Öl und Gas, von Versorgungs- und Wartungslöchern sowie von Pipeline- und Nutzbohrlöchern Fortschritte gemacht, insbesondere bezüglich der Fähigkeit, Bohrvorgänge in nicht-vertikalen Richtungen zu lenken, führen und steuern, was es ermöglicht, dass die Position am Boden des Bohrlochs von der Position (des Lochs) an der Oberfläche versetzt ist. In der Tat kann heutzutage die Position des Bodens eines Bohrlochs von seiner zugehörigen Position an der Oberfläche Meilen entfernt sein. Um dies mit gegenwärtigen im Bohrloch angeordneten Motoren durchzuführen, wird oberhalb des Motors ein gebogenes Teilelement (ein kurzes Stück des rohrförmigen Strangs mit einer darin befindlichen festen Biegung) angeordnet, das den schneidenden Bohrer dazu veranlasst oder dazu bewegt, die axiale Richtung zu verändern. Der gegenwärtige Stand der Technik benötigt mehr als 60 Fuß (= 18,288 m) an in wesentlicher vertikaler Strecke, um die Bohrvorgänge von einer vertikalen in eine horizontale Ausrichtung zu überführen, wobei die Industrie große Anstrengungen unternimmt, die Länge dieser Kurve zu verkürzen. Einige der Hürden beim Verkürzen dieser Kurvenlänge sind die Länge des Motors, dessen Durchmesser und Fähigkeiten bezüglich des Drehmoments. Die sich aus derartigen kurvenförmigen oder gebogenen Bohrvorgängen ergebenden Vorteile bestehen darin, die Länge des Lochs innerhalb der interessanten Zone zu maximieren, die Zeit und Kosten bezüglich der Ausrüstung zu verringern und kostenintensive mögliche Bohrprobleme zu minimieren.
Bei für Bohranwendungen verwendete, im Bohrloch angeordnete Motoren handelt es sich üblicherweise um hydraulisch und/oder (in letzter Zeit) pneumatisch angetriebene Verdrängungsmotoren. Weit verbreitete hydraulische und pneumatische Motoren sind Moineau-Motoren oder Rollenzellenmotoren. Zum Betrieb im Bohrloch können auch elektrisch oder mit Turbinen betriebene Motoren verwendet werden, wobei diese im Rahmen des gegenwärtigen Stands der Technik jedoch nicht häufig angewendet werden. Auch werden in der Industrie zum derzeitigen Zeitpunkt üblicherweise keine Motoren verwendet, die saubere Antriebsfluide benötigen. Obwohl ihre Vorteile erkannt wurden, werden Presslufthammer (pneumatische Hammer) und -bohrer unter derartigen im Bohrloch angeordneten Motoren nur selten verwendet. Hydraulische Hammer werden derzeit entwickelt.
In allen bekannten Motorkonstruktion nach dem gegenwärtigen Stand der Technik ist das Motorgehäuse an dem rohrförmigen Strang (der sich von der Oberfläche aus erstreckt und im folgenden auch als "Basis" bezeichnet wird) befestigt und rotiert demzufolge bezüglich der Basis/des rohrförmigen Strangs nicht. Der innere Schaft wird durch den Motor bezüglich des Gehäuses und der Basis rotiert, wobei der Stator und der Rotor zwischen dem ortsfesten Gehäuse und dem rotierenden Schaft angeordnet sind. Das Bohrgerät ist direkt an dem im Bohrloch angeordneten Ende des Schafts befestigt, das sich aus dem Motorgehäuse heraus erstreckt, und wird folglich rotiert. Alle derartigen bekannten gegenwärtigen Motoren weisen Begrenzungen bzgl. der Durchflussmenge pro Zeit, dem Druck und der Geschwindigkeit auf (sowohl bezüglich eines Maximums, als auch eines Minimums), die erfüllt werden müssen, um einen einwandfreien Betrieb des Motors zu gewährleisten.
Wie bereits früher erwähnt wurde, müssen sämtliche Flüssigkeiten, Gase und Feststoffe, die bei diesem Verfahren nach dem gegenwärtigen Stand der Technik verwendet werden, den Motorbereich durchlaufen, um zur Kühlung des Bohrers und der Lager sowie zum Reinigen des Bohrers an das Bohrgerät zu gelangen. Während einige Fluide vor dem Motorbereich in das gebohrte Loch (den Leerraum außerhalb des Bohrstrangs und der Geräte) abgelassen werden können und demzufolge nicht an den Bohrer oder den Motor gelangen, ist die umgekehrte Option (d. h., dass mehr Fluid an den Bohrer gelangt, als durch den Motor strömt) nicht möglich. Diese Tatsache bedingt, dass die maximale Durchflussmenge pro Zeit eines ausgewählten Motors hinreichend groß sein muss, um die Geräte, den Bohrer und das in dem Bohrloch gebohrte Loch zu kühlen und zu reinigen.
Die üblichsten, für Bohrzwecke verwendeten und im Bohrloch angeordneten Moineau-Motoren liegen typischerweise bezüglich ihrer Länge in einem Bereich von minimal 6 Fuß (= 1,829 m) bis über 30 Fuß (= 9,144 m). Sie sind relativ unflexibel, aufgrund der verwendeten Gummielemente bezüglich Temperatur und Druck beschränkt, aufgrund der Gummielemente sensibel bezüglich der verwendeten hydraulischen Antriebsfluide (d. h. keine Säuren und nur wenige Lösungsmittel) und sind durch minimale und maximale Durchflussmenge pro Zeit der Antriebsfluide beschränkt. Derartige Beschränkungen stehen einer Verwendung von Moineau-Motoren für äußerst verschwenkt/ausgerichtet/gekrümmt gebohrte Bohrlöcher, für ein Pumpen von Säuren, Basen, Lösungsmitteln und anderen korrosiven Fluiden, für Anwendungen mit hohem Druck und Temperaturen sowie für Anwendungen mit einer hohen Durchflussmenge pro Zeit entgegen. Diese Anforderungen und Beschränkungen bezüglich des Motors sind dem Fachmann bekannt. Eine weitere Beschränkung ist die Konstruktion und die Wartung von Druckdichtungen zwischen einer rotierenden und einer ortsfesten Oberfläche unter diesen rauen Bedingungen, insbesondere bei höheren Drücken.
Weiterhin wurde von den Industrien auf den Gebieten Öl und Gas, Umwelt, Pipeline, Versorgung und Wasserstrahlen der Nachweis erbracht, das Gesteine, Beton und sonstige natürliche oder künstliche Materialien mit einer verbesserten Geschwindigkeit unter Verwendung von Hochdruck- und Hochgeschwindigkeits-Fluiden effizient gebohrt, geschnitten und/oder fragmentiert werden können. Die unter Verwendung dieses Verfahrens erreichten Verbesserungen der Bohrrate stehen in einem direkten Zusammenhang mit der Zerstörbarkeit des Materials, dessen Druckfestigkeit, der Dichte des Fluids und dessen Kompressibilität, sowie der Durchflussmenge pro Zeit des Fluids und den angelegten Drücken. Üblicherweise muss ein "Grenz"-Druck des Materials überschritten werden, bevor ein Vorteil dieses Verfahrens verwirklicht werden kann. Jedoch ist unter Verwendung der Technologien nach dem gegenwärtigen Stand der Technik kein Verfahren verfügbar, um Hochdruck-Fluide effizient durch einen gegenwärtigen Motorbereich zu führen, um an die Spitze des Bohrgeräts/Bohrers geführt zu werden, während dieses/dieser rotiert.
Ein weiteres von den Industrien auf den Gebieten Öl und Gas, Umwelt, Pipeline, Versorgung und Wasserstrahlen gut dokumentiertes Verfahren zur Verbesserung des Bohr- und Schneidvorgangs vieler Materialien besteht im "abrasiven Strahlen". Dieses Verfahren verwendet den Zusatz von Festkörpern (Sand, feingemahlener Stein, Metallkugeln) zu einem Hochdruck-/Hochgeschwindigkeits-Trägerfluid, um den Schneidvorgang zu verstärken. Auch hier wurde nach dem gegenwärtigem Stand der Technik kann Mechanismus entwickelt, um eine Verwendung dieses hoch entwickelten Bohrverfahrens zu ermöglichen, bei dem nicht der vollständige Hochdruck-Fluid/Festkörper-Strom nicht durch den inneren Motorbereich bzw. die inneren Motorbereiche strömt.
Gegenwärtige, im Bohrloch angeordnete hydraulische Motoren können nur seriell angeordnet werden, wodurch die Motorleistung (Drehmoment und Leistung) bei einem ausschließlich seriell verlaufenden Strömungsweg des Antriebsfluids erhöht wird, d. h. mit einem einen Motor verlassenden Antriebsfluid, das dann als Hochdruckfluid in den nächsten Motor/die nächste Motorstufe eintritt. Bei diesem Aufbau drehen sämtliche in Serie angeordneten Motoren/Motorstufen denselben Schaft in derselben Richtung und mit derselben Rotationsgeschwindigkeit. Folglich kann kein Motor unabhängig von den anderen arbeiten. Weiterhin ermöglicht keine derzeitige Konstruktion von im Bohrloch angeordneten Motoren ein vollständiges Umgehen des Motorbereichs durch das Antriebsfluid, um an der Spitze des Geräts/Werkzeugs/Bohrers zu anderen Zwecken, wie beispielsweise dem Betrieb weiterer in Serie angeordneter Motoren oder dem hydraulischen und abrasiven Strahlen vor dem Bohrer, höhere Durchflussmengen pro Zeit oder unter hohem Druck (größer als 5.000 psig = 344,74 Bar) stehendes Hydraulikfluid zur Verfügung zu haben. Folglich handelt es sich beim Hochdruck-Hydraulikstrahlen, abrasiven Strahlen und dem Umleiten von Fluiden an die Spitze des Bohrers oder anderer Bohrgeräte sowie der Flexibilität beim Betrieb von in Serie angeordneten Motoren um Bedürfnisse bei im Bohrloch angeordneten Bohrmotoren, die nach dem gegenwärtigen Stand der Technik nicht befriedigt werden können.
Weiterhin kann nach dem gegenwärtigen Stand der Technik unterhalb des Motorbereichs, d.h. zwischen dem Motor und dem Bohrer, keine Instrumentierung angeordnet werden, die über eine hydraulische oder elektrische Verbindung durch den Motorbereich verfügt. Die beruht auf der Unterbrechung des hydraulischen Strömungswegs durch den Motor und den rotierenden Schaft/Bohrer. Diese Beschränkung erfordert es, dass sämtliche Instrumentierung oberhalb des Motors und folglich 30 bis 90 Fuß (= 9,144 bis 27,432 m) oberhalb hinter dem Führungsbohrer oder dem Bohrgerät angeordnet ist. Eine derartige nahe dem Bohrer angeordnete Instrumentierung ist wichtig, um die Orientierung und Richtung sowie Neigung aufrechtzuerhalten und um den Druck, die Gesteinsarten und die Fluidarten in dem augenblicklich gebohrten Gestein zu erfassen. Eine Erfassung dieser Information so nahe wie möglich an dem Bohrer ist für effiziente Bohrvorgänge wichtig.
Dieselben zuvorstehend aufgeführten Beschränkungen können auch bezüglich elektrischer Motoren unterhalb des anfänglichen Motorbereichs angeführt werden, wobei es Beschränkungen dahingehend gibt, Leistung-/Kommunikation an dem obersten Motor vorbei an die darauf folgenden, weiter unten angeordneten, elektrischen Motoren zu liefern. Aufgrund der Beschränkungen bezüglich der Kühlung der Motorbauteile und des Bereitstellens eines Fluidstroms an den Bohrer/das Bohrgerät zum Kühlen, Schmieren und zum Reinigendes Bohrers/Loches werden im derzeitigen Stand der Technik keine elektrischen Motoren zum Bohren im Bohrloch verwendet. Indem man diese Probleme bezüglich elektrischer Motoren löst, können derartige Motoren häufiger verwendet werden.
Weiterhin können aufgrund der Drehmomentbeschränkungen des rohrförmigen Strangs und der Verbindungen die Bohrgeschwindigkeiten mit herkömmlichen Verfahren begrenzt sein. Diese Beschränkung gibt die Größe, die Härte der Materialien und die für den Bohrstrang verwendete Verbindungsart vor. Indem das von dem Bohrvorgang auf den oberhalb des/der Motors/Motoren angeordneten Bohrstrang vermittelte Drehmoment beschränkt wird, können Materialien mit niedrigerem Härtegrad, niederwertigere Verbindungsarten und kleinere Strangdurchmesser verwendet werden. Unter Verwendung der herkömmlichen Verfahren besteht keine Möglichkeit, das vermittelte Drehmoment auszugleichen oder zu reduzieren, ohne dass die Bohreffizienz des Bohrvorgangs verringert wird.
Die Vergrößerung von bestehenden Löchern ist in der Pipeline-, Versorgung- sowie Öl- und Gas-Industrie üblich. Da die Industrie auf kleinere Bohrlochgrößen und weniger Bohrrohrstränge drängt, gewinnt das Bedürfnis, ein vergrößertes Loch zu bohren, das größer als eine im oberen Bohrlochbereich liegende Beschränkung ist, die der Bohrer/Motor durchqueren muss, an Bedeutung. Falls das Loch oberhalb des erwünschten Bohrpunkts größer als die erwünschte Bohrlochgröße ist, können herkömmliche Verfahren verwendet werden. Dies beinhaltet das Durchführen von zusätzlichen "Durchläufen" um den kleineren Bohrer abzunehmen und um den größeren, erwünschten Bohrer zu installieren. Falls das Rohr zusammengesetzt ist und von der Oberfläche aus rotiert wird, kann ein hinter dem kleineren Führungsbohrer angeordneter größerer "Räumbohrer" verwendet werden, um gleichzeitig zu bohren und zu räumen. Sowohl mit zusammengesetzten als auch mit kontinuierlichen Bohrrohren können heutige bi-zentrierte Bohrer verwendet werden, um ein Loch zu bohren, das größer ist, als dasjenige, das der Bohrer im oberen Bohrlochbereich durchquert hat. Dieses Vergrößern des Loches in einem Durchlauf unter Verwendung eines bi-zentrierten Bohrers kann mit gegenwärtigen, im Bohrloch angeordneten Motoren oder mit einer Rotation von der Oberfläche aus durchgeführt werden. Gegenwärtige im Bohrloch angeordnete Motoren können nicht voneinander getrennte und unabhängige Bohrer verwenden, um ein vorgegebenes Loch in einem einzigen Durchlauf gleichzeitig zu bohren und zu räumen, wenn man von der Verwendung eines bi-zentrierten Bohrers absieht.
Schließlich werden neue hoch entwickelte Verfahren entwickelt, um den Bohrvorgang unter Verwendung von Laser- und/oder Plasmaenergien zu verbessern, die auf die unmittelbar vor dem Bohrer/Bohrgerät zu "bohrenden" oder zu entfernenden Materialien angewendet werden. Das Problem bei derartigen Verfahren umfasst die Problematik, wie man Leistung von dem Laser-/Plasmawerkzeug in den Bereich vor dem Bohrer und/oder durch den Motorbereich bzw. die Motorbereiche bringt und wie man das Bohrloch von den "gebohrten" Materialen frei hält. Gegenwärtig existiert kein Verfahren, um einen im Bohrloch angeordneten Motor und/oder Vibrator unmittelbar oberhalb/hinter dem "Bohrer" bei diesem neuen Verfahren zu verwenden, um die gerade abgekühlten und verfestigten, verdrängten gebohrten Materialien aufzubrechen. Gegenwärtig existiert kein Verfahren, um nach dem thermischen Absplittern/Schmelzen/Verdampfen ein Kühlfluid unmittelbar vor die Spitze des Bohrers/Bohrgeräts zu führen, um die "gebohrten" Materialen zum Aufbrechen und Entfernen aus dem Bohrloch abzukühlen und wieder zu verfestigen. Weiterhin wird jegliches Verfahren, das ein Abkühlen und Aufbrechen dieser verdrängten "gebohrten" Materialien ermöglicht, diese und ähnliche Methoden weiter entwickeln.
In dem US-Patent mit der Nr. 5,518,379 von Harris & Sussman, auf das Bezug genommen wird, wurde ein hydraulischer Motor bzw. wurden hydraulische Motoren vorgeschlagen, der/die einen zentralen Durchgang von mit Druck beaufschlagten Fluiden durch einen rotierenden "rohrförmigen Rotor mit einem inneren antreibenden Fluid-Strömungskanal ..., der sich entlang der Länge des Rotors erstreckt" beansprucht/beanspruchten. Im Unterschied zu der vorliegenden Erfindung benötigt das "379"-Patent zwei in Serie angeordnete Motoren und verwendet den inneren Strömungskanal nur zum Betrieb dieser Motoren. Die einzige an den inneren Schaftkanal gestellte Anforderung bestand darin, den Betrieb der in Serie angeordneten hydraulischen Motoren zu ermöglichen. Es ist wichtig, anzumerken, dass bei der Konstruktion des "379"-Motors und bei der Konstruktion sämtlicher im gegenwärtigen Stand der Technik befindlichen Motoren der zentrale Schaft relativ zur Basis rotiert. Da es schwierig ist, entlang der Verbindung zwischen dem rotieren Schaft und der nicht rotierenden Basis robuste Hochdruck-Dichtungsverbindungen (5.000 PSI = 344,74 Bar und höher) zu verwenden, müssen die Betriebsdrücke beschränkt werden. Im Rahmen der Materialbeschränkungen gilt, dass je höher die verfügbare Effektivdruck-Druckdifferenz über einen Motorbereich ist, desto höher wird das verfügbare Abtriebsdrehmoment. Folglich kann, falls über den Motorbereich höhere Drücke verwendet werden können, der Motor bei gleicher Drehmomentauslegung bezüglich seiner Länge kürzer gemacht werden. Höhere Drücke innerhalb des Motors und durch den Motor zu den Bohrgeräten werden weiterhin durch die Dichtungskonstruktionen und -fähigkeiten dieses Motors begrenzt.
Aufgrund von verringerten Materialienstärken führen auch erhöhte Temperaturen zu einer Verringerung des verfügbaren verwendbaren Drucks. Aufgrund der benötigten Materialauswahl sind die meisten derzeitigen, im Bohrloch angeordneten Motoren auf ca. 350 °F (= 157,2 °C) beschränkt. Die Industrie drängt ständig darauf, tiefer zu bohren, wo die Temperaturen 400 °F (= 204,4 °C) überschreiten können, was weit oberhalb der Fähigkeiten der meisten Motoren, mit Ausnahme weniger Motoren, liegt. Folglich können mit geringeren Anforderungen an die Dichtungen und eine geeignete Auswahl der Materialien höhere Betriebstemperaturen ermöglicht werden. Ein Motor, der vollständig aus Edelstahl oder einem vergleichbaren Metall besteht, hätte das ultimative Leistungsvermögen bezüglich der Temperatur.
Die Industrie/Industrien drängen weiterhin auf neue Antriebsfluide, die leichter oder schwerer sind oder die gebohrte/n Formation/Formationen nicht beschädigen. Derartige spezielle Fluide können auch dazu verwendet werden, die Reinigung von alten oder wieder eröffneten Bohrlöchern, Rohren oder Pipelines von Kesselstein, Paraffin, Zement oder anderen Festkörpern zu unterstützen. Diese neuen Fluide umfassen Stickstoff, Kohlendioxid (flüssig und/oder gasförmig), Lösungsmittel, Säuren (Essigsäure, Salzsäure, Ameisensäure) sowie Basen. Die meisten gegenwärtigen Motoren, mit Ausnahme spezieller Konstruktionen des "379"-Motors, können nicht den vollen Bereich der von der Industrie zur Benutzung bereitgestellten Fluide verwenden. Ein im Bohrloch angeordneter Motor, der den gesamten Bereich dieser Fluide als Antriebsfluid verwenden kann, sei es durch die innere Konstruktion oder die Materialauswahl (insbesondere eine vollständig aus Metall bestehende Konstruktion), kann eine weitere Akzeptanz und Verwendung in der Industrie erlangen.
US 5,118,263 beschreibt einen kleinen Kühlkompressor mit einem einzigen horizontalen Zylinder und einer Schmierungsanordnung, die oberhalb der Zylinderbohrung eine Aussparung in dem Zylinderblock umfasst, die vom unteren Ende des Motors auslaufendes Öl auffängt. Von der Aussparung aus erstreckt sich ein Zufuhrkanal nach unten und mündet nahe des Mittelpunkts der Zylinderbohrung in diese. Der Kolben verfügt auf der Innenseite zwischen den Anschlussflächen des Kopfes und der Randleiste über eine längliche, flache Nut, die während einem Hauptbereich des Kolbenhubs mit dem Kanal in Verbindung steht um von der Aussparung Öl aufzunehmen. An dem Kolben sind Mittel zum Durchgang eines Abflusses vorgesehen, um ein Abfließen von Öl aus der Nut mit einer geringeren Rate, als es durch den Zufuhrkanal von der Aussparung zugeführt wird, zu ermöglichen. Jedoch wird der beschriebene Motor in Kompressoren verwendet. Obwohl er prinzipiell auch zum Bohren verwendet werden könnte, wird nicht erwähnt, auf welche Weise Bohrgeräte angeschlossen werden.
In der US 3,938,596 ist ein Turbobohrer mit einem Mechanismus zur Verringerung der Rotationsgeschwindigkeit des Bohrers beschrieben. In diesem Zusammenhang offenbart dieses Dokument einen invertierten Motor zum Bohren gemäß des Oberbegriffs des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines invertierten Motors und zur Rotation eines Bohrgeräts in einem Bohrloch gemäß des Oberbegriffs von Anspruch 18.
Folglich bestehen zur Beseitigung der mit im Bohrloch angeordneten Motoren nach dem gegenwärtigen Stand der Technik verbundenen Nachteile, die folgenden Bedürfnisse, die als Aufgabe der vorliegenden Erfindung dienen und auf welche die vorliegende Erfindung selbst gerichtet ist:
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in den Bedürfnis nach einem im Bohrloch angeordneten Motor, der auf einer kurzen Länge ein hohes Drehmoment bereitstellen kann, um ein Bohren von stark verschwenkten/ausgerichteten/gekrümmten Bohrlöchern zu ermöglichen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht aus einem im Bohrloch angeordneten Motor, der aufgrund einer vollständig aus Metall oder ausgewählten Materialien gebildeten Konstruktion unempfindlich gegenüber Fluidarten ist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht aus einem im Bohrloch angeordneten Motor, der bei höheren Drucken (differenziellen und/oder internen Betriebsdrücken) und Temperaturen betrieben kann.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht aus einem im Bohrloch angeordneten Motor, der zum Kühlen des Bohrers/des Motors/der Lager/des Gesteins, zum Reinigen des Bohrers, zum Reinigen des Bohrlochs, zur instrumentellen Überwachung nahe des Bohrers und zum Antreiben von nahe des Bohrers in Serie angeordneten Motoren, Vibratoren, Ultraschallgeräten oder sonstigen Geräten, die bezüglich eines oberen/obersten/ersten Motors unterhalb in Serie angeordnet sind, ein Umgehen des Motorbereichs von dem Fluidstrom oder einem Teil desselben ermöglicht.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht aus einem im Bohrloch angeordneten Motor, der es elektrischen Kabeln/Drähten zur instrumentellen Erfassung/Überwachung nahe des Bohrers sowie zum Antrieb von in nähe des Bohrers in Serie angeordneten elektrischen Motoren, elektrischen Vibratoren, Ultraschallgeräten und sonstigen elektrischen Geräten, die bezüglich eines oberen/obersten/ersten Motors unterhalb in Serie angeordnet sind, ermöglicht, durch einen/mehrere Motorbereich/Motorbereiche zu verlaufen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht aus einem im Bohrloch angeordneten Motor, der es Hochdruckfluiden ermöglicht, durch den Motor geführt und an der Spitze des Bohrgerätes/Bohrers zum hydraulischen Strahlen, abrasiven Strahlen und/oder zum Antrieb von in Serie angeordneten Motoren verwendet zu werden.
Eine zusätzliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Integration von Motorgehäuse und Gerätefunktionalitäten, die die Gesamtlänge der Bohrbaugruppe verkürzen kann.
Eine nächste Aufgabe besteht in der Möglichkeit ein Loch zu bohren, das größer ist als die Größe des ausgewählten Bohrers, oder ein Loch zu bohren, das größer ist, als dasjenige, dass vom Bohrer/Motor früher durchquert wurde (d. h. durch eine Beschränkung im oberen Bereich des Bohrlochs).
Eine weitere Aufgabe besteht in der Fähigkeit, geringere Anforderungen an den Bohrstrang zu erlauben, einschließlich niedriger Leistungsfähigkeit bezüglich Drehmoment und Widerstandsfähigkeit, sowie kleinere Rohrdurchmesser.
Schließlich ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, es einem unter Druck stehenden Fluidstrom zu ermöglichen, einen für Bohranwendungen geeigneten elektrischen Motor zu kühlen, jedoch diesen nicht zu kontaminieren und unter Verwendung eines derartigen elektrischen Motors ein Säubern der Bohrerspitze und des Bohrlochs von Splittern bereitzustellen.
Es sollte klar sein, dass sowohl die zuvorstehende allgemeine Beschreibung, als auch die folgende detaillierte Beschreibung beispielhaft sind, lediglich der Erläuterung dienen und keine Einschränkung bezüglich der beanspruchten Erfindung darstellen. Die begleitenden Abbildungen, die durch Bezugnahme hier aufgenommen werden und die einen Teil dieser Beschreibung bilden, stellen bestimmte Ausführungsformen der Erfindung dar und dienen zusammen mit der detaillierten Beschreibung dazu, die Prinzipien der vorliegenden Erfindung zu erklären.
In diesem Zusammenhang wird vor der Erläuterung wenigstens einer Ausführungsform der Erfindung im Detail klargestellt, dass die Erfindung in dieser Anwendung nicht auf die Konstruktionsdetails und die Anordnung der Bauteile, wie sie in der folgenden Beschreibung beschrieben oder in den Abbildungen dargestellt sind, beschränkt ist. Die Erfindung ermöglicht andere Ausführungsformen und kann auf verschiedene Weisen ausgeführt und durchgeführt werden. Auch wird klargestellt, dass die hier verwendete Ausdrucksweise und Terminologie der Beschreibung dienen und nicht als beschränkend betrachtet werden sollten. Auch ist es für den Fachmann offensichtlich, dass das Konzept, auf dem diese Offenbarung basisiert, auf einfache Weise als eine Basis für die Entwicklung weiterer Strukturen, Verfahren oder Systeme zur Durchführung der verschiedenen Zwecke der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Es ist deshalb wichtig, dass die Ansprüche so aufgefasst werden, dass sie derartige äquivalente Konstruktionen umfassen, sofern diese nicht vom Umfang und Geist der vorliegenden Erfindung abweichen.
Weiterhin besteht der Sinn der zuvorstehenden Zusammenfassung darin, es dem US Patent- und Markenamt und der allgemeinen Öffentlichkeit sowie insbesondere den Entwicklungsingenieuren und Fachleuten, die nicht an die patentrechtliche bzw. juristische Terminologie oder Ausdrückweise gewöhnt sind, zu ermöglichen, durch eine oberflächliche Betrachtung schnell die Art und das Wesen der technischen Offenbarung der Anmeldung zu ermitteln. Die Zusammenfassung soll weder die Erfindung der Anmeldung definieren, was durch die Ansprüche geschieht, noch soll sie den Umfang der Erfindung auf eine beliebige Weise beschränken.
Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden teilweise in der folgenden Beschreibung dargestellt und werden dem Fachmann teilweise aus der Beschreibung und/oder der Anwendung der Erfindung ersichtlich.
Dies zusammen mit weiteren Aufgaben der Erfindung sowie mit verschiedenen, neuen Merkmalen, die die Erfindung kennzeichnen, werden insbesondere in den Ansprüchen, die beiliegen und einen Teil dieser Offenbarung bilden, hervorgehoben. Zu einem besseren Verständnis der Erfindung, ihrer Vorteile beim Betrieb und der durch ihre Verwendungen erreichten speziellen Zwecke sollte auf die begleitenden Abbildungen, Darstellungen und Beschreibung Bezug genommen werden, in denen bevorzugte Ausführungsformen und Ergebnisse der Erfindung dargestellt sind.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
Als Reaktion auf die zuvorstehenden Herausforderungen hat der Anmelder einen invertieren Motor zur Verwendung bei Bohrvorgängen entwickelt, der die üblichen Rollen der nicht-rotierenden, ortsfesten Gehäuse- und rotierenden inneren Schaft-Bauteile von gegenwärtigen Motoren vertauscht, wobei nun der Schaft des invertierten Motors an dessen Basis befestigt ist und bezüglich der Basis nicht rotiert. Bei der neuen Erfindung rotiert nun das Motorgehäuse um den Schaft und wird von einem internen Motor (d.h. eine Kombination aus Rotor und Stator), die im Leerraum zwischen dem Gehäuse und den Schaft angeordnet ist, angetrieben, wobei ein Bohrgerät, üblicherweise, jedoch nicht ausschließlich ein Drehmeißelbohrer optimalerweise an dem Ende oder der Seite des Motorgehäuses befestigt oder integral mit diesem verbunden ist. Demzufolge besteht die vorliegende Erfindung aus einer Basis, die an einem rotierbaren, hohlen, rohrförmigen Bohrstrang befestigt ist, einem (bezüglich der Basis) nicht-rotierbaren Schaft oder Rohr, das mit der Basis verbunden, ein Teil derselben oder in diese integriert ist, einem (bezüglich der Basis) rotierbaren Gehäuse, wenigstens einem zwischen dem rotierbaren Gehäuse und dem nicht-rotierbaren Schaft ausgebildeter Motorhohlraum, einem in dem Motorhohlraum angeordneten radialen Motor oder Drehmotor (Kombination aus Rotor und Stator) beliebiger Art und Bauweise, sowie ein Bohrgerät beliebiger Art und Bauweise, das an dem Motorgehäuse befestigt, Teil desselben oder in dieses integriert ist.
Wie in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geschützt, ist das hohle Rohr/der hohle Schaft des Motors an der Basis fest gesichert oder bildet einen integralen Teil derselben und rotiert relativ der Basis nicht. Das Motorgehäuse rotiert relativ zur Basis um den Schaft/das Rohr und wird von einen Drehmotor (Kombination aus Rotor und Stator), der in dem zwischen dem Gehäuse und dem Schaft ausgebildeten Hohlraum angeordnet ist, angetrieben. Der Drehmotor der vorliegenden Erfindung kann auf eine beliebige Weise angetrieben werden (hydraulisch, pneumatisch, elektrisch), er kann eine beliebige Bauweise haben (elektrisch, Turbine, Verdrängungs-, Moineau-Motor, Gerotor-Motor, Rollenzellenmotor, Flügelzellenmotor, Flügelmotor, Kolbenmotor etc.) und zum Antrieb des Motors und zum Reinigen sowie Kühlen der im Bohrloch angeordneten Geräte jegliches herkömmlichen (Wasser, Öl, Luft, Stickstoff, aufgeschäumte Mischungen oder ähnliches) oder unkonventionellen (Säuren, Basen, flüssiges oder gasförmiges Kohlendioxid oder ähnliches) Fluide verwenden. An dem Ende und/oder der Seite des Motorgehäuses ist ein Bohrgerät/Bohrer mittels Schraubverbindungen befestigt oder kann als integraler Teil des Motorgehäuses hergestellt/erzeugt/herausgearbeitet sein. Die Konstruktion und die Auswahl der Materialarten für das Bohrgerät/den Drehmeißel/den Bohrer hängen von der speziellen Anwendung (Gestein, Festkörper, Tiefe, Druck, Temperatur, Bohrlochgröße) ab und sind in der Öl- und Gas-, Versorgungs-, Umwelt- und Pipelineindustrie bekannt.
In Abhängigkeit von der erwünschten Anwendung erstreckt sich der/das nicht-rotierende Schaft/Rohr von der Basis aus und kann vollständig in dem Motorgehäuse untergebracht sein, das Ende des Motorgehäuse/Drehmeißels/Bohrers erreichen oder sich über das Ende des Bohrgeräts/Bohrers hinaus erstrecken. Der/das Motorschaft/Motorrohr kann sich auch an einen neuen, unteren Bereich des rohrförmigen Bohrstrangs anschließen, was es dem Motor (mit rotierendem Gehäuse und Drehmeißel) ermöglicht, an jeder beliebigen Stelle entlang des rohrförmigen Bohrstrangs angeordnet zu werden, d. h. dieser neue Motor muss nicht nahe des Endes der Bohrbaugruppe angeordnet sein muss. Weiterhin sollte der Schaft als allgemeine Konstruktion zur Widerstandsfähigkeit und Belastbarkeit für die erwünschten Motoranforderungen und Anwendung so groß wie möglich bezüglich seines Durchmessers und so kurz wie möglich bezüglich seiner Länge sein. Sowohl die oberhalb des Motors angeordnete Basis, als auch der/das sich über das Bohrgerät hinaus erstreckende Schaft/Rohr können gebogen oder gewinkelt sein. Weiterhin bestehen verschiedene Optionen für an dem vorderen Endabschnitt des Schafts angeordnete Vorrichtungen: an oder nahe des Endes des Schafts kann eine ausgerichtete Düse installiert sein, für in Serie angeordnete Motoren kann ein weiterer invertierter Motor befestigt sein oder es kann an dem verlängerten Schaft ein herkömmlicher Motor befestigt werden. Alle derartigen Erweiterungen ermöglichen ein verbessertes Bohren, Vergrößern des Loches sowie ein ausgerichtetes/orientiertes Bohren.
Sowohl in der Basis, als auch in dem nicht-rotierenden Schaft/Rohr gibt es einen oder mehrere im wesentlichen ovale Kanäle, wobei die Kanäle sich über die gesamte Länge des Schafts/Rohrs erstrecken können. Zum Einlassen von Hochdruck-Fluid in den/die Motorbereich/e oder ein seitliches Strahlen können an beiden Enden des Schafts Öffnungen vorhanden sein bzw. an jeder beliebigen Position entlang des Schafts können seitliche Öffnungen ausgebildet sein. Zum Aufrechterhalten eines Gegendrucks in dem inneren Schaftkanal und zur Steuerung der Durchflussmenge pro Zeit können die bohrerseitige Öffnung und sämtliche Motor-Einlassöffnungen (in der Basis oder dem Schaft/Rohr) mit Düsen versehen oder gedrosselt sein. Die Konstruktion (Größe und Materialanforderungen) dieser mit Düsen versehenen Öffnungen für vorgegebene Raten und Drücke ist in der Industrie bekannt. Derartige Düsen können in jeder für die Anwendung erwünschten Richtung ausgerichtet sein. Beispielsweise kann die bohrerseitige Düse auf dem Schaft/Rohr vor oder hinter dem Bohrer mit einem Versatz von 30° gegenüber der Achse (nicht fluchtend, nicht zentriert) ausgerichtet sein, um das Bohren und Absprengen von Gestein und anderen festen Ablagerungen (wie beispielsweise Kesselstein, Paraffin oder andere Festkörper), die in rohrförmigen Strängen (Bohrlöchern, Pipelines, Rohre) vorhanden sein können, zu unterstützen. Um einen größeren Bereich zu beaufschlagen, kann auch eine rotierende Düse verwendet werden. Alternativ kann eine derart ausgerichtete Düse dazu verwendet werden, das ausgerichtete Bohren von Materialien vor dem/den Bohrer/n zu unterstützen, wobei ausgewählte Bereiche des Gesteinsmaterials entfernt werden, um in dieser vorgegebenen Richtung leichter Bohren zu können. Zusätzlich zum Fluidstrom kann/können der/die innere/n Kanal/Kanäle durch die/den/das Basis/Schaft/Rohr elektrische oder optische Kabel oder Drähte enthalten, um einen vorgegebenen Motorbereich oder eine Motorstufe zur Ermöglichung der Übertragung elektrischer oder optischer Leistung oder Signalen zu umgehen. Ein derartiges Verdrahten/Verkabeln ermöglicht eine Erfassung während des Bohrens (Logging-While-Drilling, LWD) oder ein Messen während des Bohrens (Measurement-While-Drilling, MWD).
Das Hochdruck-Antriebsfluid wird von der Oberfläche den rohrförmigen Strang entlang nach unten an den oberen Bereich der Basis gepumpt. Der Strom kann sich dann aufteilen, wobei ein Teil in und durch den Motorschaft strömt und am bohrer-/bohrgerätseitigen Ende austritt. Falls es von der Motorkonstruktion benötigt wird, kann der andere Teil zum Antrieb/Betrieb des Motors durch weitere Kanäle in der Basis in den zwischen dem Schaft und dem Gehäuse angeordnetem Motorbereich (Rotor-Stator) eindringen. Alternativ kann in Abhängigkeit von der gewähltem Motorkonstruktion sämtliches Antriebsfluid zum Antrieb des Motors zunächst in den zentralen Kanal des Schafts einströmen und dann durch vorgegebene Motoröffnungen entlang der Länge des Schafts selektiv austreten, um an vorgegebenen Punkten in die Motorbereiche einzuströmen. Bei in Serie angeordneten Motoren oder Motorstufen kann nach dem Durchströmen eines Motorbereichs durch das Antriebsfluid das abgelassene Antriebsfluid entweder einem sequentiellen oder einem parallelen Strömungsweg folgen. Der sequentielle Strömungsweg des Fluids ermöglicht es dem abgelassenen Antriebsfluid aus einem/einer an der vorderer Stelle in Serie angeordneten Motorbereich/Motorstufe als neues eintretendes Hochdruck-Antriebsfluid in einen/eine darauf folgenden/e Motor/Motorstufe einzuströmen, was dann für mehrere in Serie angeordnete Motoren/Motorstufen wiederholt werden kann. Der parallele Fluidströmungsweg ermöglicht es, das von dem der an der vorderer Stelle in Serie angeordneten Motor/Motorstufe abgelassene Antriebsfluid aus dem Motorbereich zur Reinigung des Bohrers in den Bohrgerät-/Bohrer-Bereich oder direkt nach außerhalb des Motorgehäuses in das neu geschnittene Loch zu leiten. Von Motoren oder Motorstufen die eine gemeinsame Quelle für eine Hochdruckeinströmung (beispielsweise von dem inneren Schaftkanal oder der Einlassöffnung der Basis) aufweisen, wird angenommen, dass sie zueinander parallele Strömungswege aufweisen. Es sollte hier angemerkt werden, dass für die auf das/den rotierende/n Gehäuse/Bohrgerät/Bohrer wirkenden Schubkräfte (axial) und Gleitkräfte (seitlich) an der Basis und nahe des Endes des Schafts Lagerbaugruppen benötigt werden. Nur innerhalb des Motors und an dessen beiden Enden werden Dichtungen benötigt, wobei die Anforderungen an diese Dichtungen durch die Konstruktion des Motors minimiert werden können. Auch die Lagerkonstruktion ist von der Motorkonstruktion und den Anforderungen abhängig.
Bei einer geeigneten Konstruktion von hydraulischen und pneumatischen invertieren Motoren können derartige Motoren weiterhin mit einer gemeinsamen Einlassöffnung für Hochdruck-Fluide, (d.h. parallelen Strömungswegen) in Serie angeordnet werden, wobei jedoch die Auslassstellen an gegenüberliegenden Ende des gesamten Motorbereichs liegen. Die Auslassöffnungen sich derartig gegenüberstehender Motoren können sich zum Reinigen und Kühlen zur Außenseite des Gehäuses oder zum Bohrer hin öffnen. Die Anzahl und die Konstruktion der Stufen an dem jeweiligen Ende sowie die Anordnung von Drosseln/Düsen an den Einlass- und/oder Auslassöffnungen des Motorbereichs können zur Unterstützung des Ausgleichens der erzeugten axialen Kräfte den Aufbau selektiver Durchflussmengen pro Zeit und Gegendrücken ermöglichen. Dieses sich gegenüberstehende Anordnen der Motoren ermöglicht ein Ausgleichen der auf das gemeinsame Motorgehäuse und/oder den Schaft wirkenden internen axialen Kräfte für verringerte Anforderungen bezüglich der Drucklager und, falls jede Motorseite mehrere Stufen aufweist, kann die Dichtung an jedem Ende auf minimale Drücke ausgelegt werden, da sie nur mit niedrigerem Druck beaufschlagten/verwendeten/abgelassenen Fluiden ausgesetzt ist. Weiterhin können derartige sich gegenüberstehende Motoren auch dazu ausgelegt werden, die eingeleiteten Axial-/Druckkräfte, die von dem externen Bohrvorgang benötigt werden und im Wesentlichen als "Gewicht auf dem Bohrer" bekannt sind, teilweise aufzuheben. Dies kann erreicht werden, indem die internen Auslassdrücke der sich gegenüberstehenden Motoren ausgeglichen werden, um dieser externen Kraft (Druckunterschied * effektive Wirkungsfläche = Kraft) insgesamt oder teilweise entgegenzuwirken.
Um ein gerichtetes Strahlen (hydraulisch oder abrasiv) zu ermöglichen, kann die an dem bohrerseitigen Ende des Schafts befindliche Düse mit der Mittelachse einen Winkel bilden. Diese Wirkung würde eine bevorzugte Bohrrichtung ermöglichen, da das Strahlen einen Teil des Gesteins vorschneiden würde, was ein einfacheres Bohren durch das/den darauf folgende/n Bohrgerät/Bohrer erlauben würde. Alternativ kann die Düse am bohrerseitigen Ende mit dem Bohrgerät unter Verwendung der gegenwärtigen Strahl-Technologie rotiert werden, um einen weiteren/breiteren Strahlschnitt vor dem Bohrer zu ermöglichen. Dem Strahl könnten auch Festkörper zugesetzt werden, so genanntes "abrasives Strahlen", da die Festkörper einen Strömungsweg ausweisen, der nicht notwendigerweise durch den Motorbereich verläuft, wie beispielsweise durch einen elektrischen Motor. Ein im Bohrloch stattfindendes Trennen, Sieben oder Filtern des vermischten Antriebsfluids würde die Verwendung von hydraulischen oder pneumatischen Motoren zusammen mit abrasivem Strahlen ermöglichen.
Es sollte angemerkt werden, dass sowohl für invertierte Motoren, wie auch für herkömmliche Motoren eine Rotation in beiden Richtungen (im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn) möglich ist. Nur bei invertierten Motoren kann dieser Vorteil voll ausgenutzt werden. Werden invertierte Motoren seriell zueinander angeordnet, so kann eine Kombination dieser Rotationsrichtungen bevorzugt werden, um das während dem Bohrvorgang erzeugte gesamte wirkende Drehmoment auszugleichen. Dieses Ausgleichen des Drehmoments kann erreicht werden, indem an dem nicht-rotierenden Schaft des im Bohrloch an oberster Stelle befindlichen invertierten Motors immer kleinere Bohrer und Motoren befestigt werden, wobei die Größe jedes Bohrers (Schneidfläche) je nach Bedarf geeignet dimensioniert und ausgerichtet rotiert wird. Eine derartige einzigartige Konstruktion einer Motorserie gemäß der vorliegenden Erfindung mit in Serie angeordneten Motoren ermöglicht es, allen Bohrer/Motor-Kombinationen zueinander entgegengesetzt zu rotieren, was es theoretisch erlaubt, das insgesamt wirkende Drehmoment des Bohrvorgangs auszulöschen oder auszugleichen. Das beschriebene Abstufen der Bohrer-/Motorgrößen wird nicht vollständig benötigt, da Bohrgeräte derselben Größe wie der vordere Bohrer dazu verwendet werden können, das Loch zu säubern und das Rohr nach vorne zu bewegen, während sie gleichzeitig das wirksame Drehmoment ausgleichen. Mehrere Serien dieser Bohrer/Motor-Kombinationen würden ein besseres statistisches Ausgleichen dieser Kräfte und einen kleineren und weniger starken Aufbau von Drillsträngen ermöglichen. Folglich können kleinere und preiswertere Drillstränge verwendet werden.
Sämtliche Konstruktionen von invertierten Motoren gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglichen eine gleichzeitige Erweiterung des Bohrlochs mittels drei Verfahren. Ein gleichzeitiges motorbetriebenes Räumen mit einem größeren Bohrer und einem Motor, der oberhalb eines kleineren Führungsbohrers und -motor angeordnet ist, oder diesem folgt, ein exzentrischer (nicht zentrierter) Bohreraufbau, bei dem das Bohrgerät auf einer Seite des Motorgehäuses größer ausgebildet ist, als auf der gegenüberliegenden Seite und/oder die Verwendung einer exzentrischen internen Motorkonstruktion, wobei Orbital-Motoren oder exzentrische Motoren gewählt werden, um das Merkmal des nicht zentrierten Bohrens zu verstärken. Mit der vorliegenden Erfindung ist zur Erweiterung des Bohrlochs keine Rotation von der Oberfläche notwendig. Dies ist möglich, da nun ein wahrhaftig konzentrisches Bohren möglich ist. Ein kleinerer Motor und ein daran befestigter Bohrer werden an dem verlängerten ortsfesten Schaft eines (möglicherweise größeren) Motors und größerem Bohrer angeordnet. Jeder Motor betreibt unabhängig seinen eigenen am Gehäuse befestigten Bohrer, wodurch keine Probleme bezüglich erhöhter Geschwindigkeit/Umdrehungen pro Minute erzeugt werden. Der gegenwärtige Stand der Technik ermöglicht es nicht, mehrere Motoren unabhängig in Serie zu betreiben, von denen jeder ein getrenntes Bohrwerkzeug aufweist.
Das zweite Verfahren zur Vergrößerung des Bohrlochs mit der vorliegenden Erfindung kann durchgeführt werden, indem die Schneidfläche des Bohrwerkzeugs/Bohrers auf einer Seite des Motorsgehäuse dicker und auf der anderen Seite dünner ausgebildet wird, so dass der Nettoweg der bezüglich des tatsächlichen Mittelpunkts am weitesten außen gelegene Schneidfläche größer als der tatsächlich Durchmesser des Bohrers und Motors ist. Unter Verwendung einer Reihe von konzentrischen invertierten Motoren mit diesem versetzten/unzentrierten Bohreraufbau kann die Größe des Bohrlochs schrittweise erhöht werden und das gesamte wirksame Nettodrehmoment auf den Bohrstrang oberhalb des Motors/der Motoren kann weiterhin ausgeglichen werden.
Das dritte Verfahren zur Vergrößerung des Bohrlochs unter Verwendung einer Konstruktion mit einem invertierten Motor besteht darin, eine exzentrische, d. h. nicht konzentrische Motorkonstruktion auszuwählen, bei der das Gehäuse mit dem daran befestigten Bohrgerät/Bohrer rotiert und außerhalb des Zentrums des axialen Mittelpunkts des Bohrstrangs und des gebohrten Lochs kreist. Insbesondere invertierte Motorkonstruktionen vom Moineau- und Gerotor-Typ können eine derartige exzentrische Bewegung des Gehäuses/Bohrers erzeugen und auch hier kann man mit derartigen in Serie angeordneten Motoren/Bohrer-Kombinationen ein schrittweises Vergrößern und ausgeglichene Drehmomente erhalten. Das Ausmaß der Exzentrizität des Motors/Bohrers kann in dem jeweiligen Fall durch die Auslegung der Amplitude und die Anzahl der Nocken gesteuert werden.
Hydraulische und pneumatische Motoren aller Art können während eines vollständigen Umdrehungszyklus ein nicht lineares und nicht konstantes Drehmoment, Geschwindigkeit und Leistung bereitstellen. Diese Einschränkung kann gelegentlich ein "Blockieren" verursachen oder zu diesem beitragen, wobei das Gerät und der Motor aufhören, sich zu drehen. Um eine gleichmäßigere Abgabe von Drehmoment, Geschwindigkeit und Leistung an das/die Bohrgerät/Bohrgeräte zu ermöglichen, können mehr als ein/eine invertierter/e Motor/Motorstufe mit einem bestimmtem winkelmäßigen Versatz zueinander in Serie angeordnet werden (unter Verwendung von entweder parallelen oder seriellen Antriebsfluid-Strömungswegen). Dieser winkelmäßige Versatz hängt von dem ausgewählten und verwendeten Motortypen ab. In Veröffentlichungen der Industrie wird ein derartiges winkelmäßiges Versetzen solcher Motorbereiche/-stufen für eine gleichmäßiger Leistungsabgabe hinreichend diskutiert.
Falls es sich bei dem ausgewählten invertierten Motor um einen elektrischen Motor handelt, so tritt der gesamte Fluidstrom von der inneren Basis in den/die inneren Kanal/Kanäle des Schafts/Rohrs ein, um den Motor und die Lager zu kühlen, jegliche Instrumentierung (hydraulisch oder elektrisch) zu betreiben und um den Bohrer an der Spitze zu reinigen/kühlen, sowie um das Bohrloch von Splittern zu säubern. Es dringt kein Fluid über die Basis oder den Schaft in den Motorbereich ein. Insbesondere für elektrische Versionen von invertierten Motoren, wobei dies jedoch für sämtlich Konstruktionen von invertierten Motoren zutrifft, können sich durch den/die Kanal/Kanäle des inneren Schafts/Rohrs elektrische Drähte oder optische Kabel erstrecken, wobei dies gemeinsam mit dem Fluidstrom oder in einem getrenntem inneren Kanal erfolgen kann, wobei beide Wege es ermöglichen, einen/e beliebigen/e Motorbereich/-stufe mit den Drähten, Kabel und Fluiden zu umgehen. Dies ermöglicht es, zusätzliche Motoren, Instrumente und Geräte in einer seriellen Anordnung näher an der Spitze des Bohrers anzuordnen, als der ursprüngliche/erste/weiter oben befindliche Motor.
Ein hydraulischer/pneumatischer Gerotor-Motor konzentrischer Bauart wird dazu verwendet, als Offenbarung für eine nicht beschränkte vorliegende Erfindung bei einer existieren Motorkonstruktion zu dienen, um einen komplexen Aufbau zu erleichtern und um ihn zur Verwendung beim Bohren sowie dem Reinigen von Bohrlöchern und Rohren von Gestein, Erde, Beton und anderen Materialien einschließlich künstlicher Materialien zu nutzen. Es wird angemerkt, dass eine ähnliche Umwandlung von Moineau-Motoren, die gegenwärtig in der Industrie verwendet werden, in einen invertierten konzentrischen Aufbau gemäß der vorliegenden Erfindung ebenfalls denkbar, möglich und geplant ist. In den heutzutage verwendeten Gerotoren werden Kardanwellen und andere Bauteile benötigt, um die Strömung zu regulieren. Während derartige Motortypen effizient sind und eine lange Lebensdauer aufweisen, bilden diese Kardanwellen und weiteren Bauteile das schwächste Glied in dem Antriebssystem des Motors. Auch folgen sie dem typischen Aufbau einer ortsfesten Motorbasis und Gehäuse mit einem rotierenden inneren Schaft, der sich zur Befestigung von Geräten an diesem aus dem Ende des Motorgehäuses hinaus erstreckt. In vielen/den meisten gegenwärtigen Konstruktionen muss die Strömungsrichtung zu einem korrekten Ventilbetrieb mit Einlass und Auslass am selben Ende des Motors invertiert werden.
In dem dargestellten Beispiel verbessert die vorliegende Erfindung jedoch die existierende Konstruktion eines Gerotor-Motors derart, dass nun der Schaft an der Basis fixiert ist und das Gehäuse rotiert. Das Betätigen der Ventile wird nun mittels des inneren rotierenden Rings erreicht. Bei der Basis des rohrförmigen Strangs handelt es sich um ein "Sub", einen kurzen Abschnitt mit demselben Durchmesser wie der runde Strang, jedoch nicht notwendigerweise aus demselben Material. Dieser kann gerade oder, wie heutzutage möglich und in der Industrie für gerichtetes Bohren verwendet, gebogen sein. Er ist massiv, wobei am Einlassende die zur Verbindung mit dem rohrförmigen Strang benötigten Gewinde vorhanden sind, und weist einen zentralen Kanal auf, der auf seiner Auslassseite durch den Mittelpunkt verläuft. Von der Auslassseite der Basis aus sind unter einem Winkel vier gleichmäßig beabstandete (voneinander und mit gleichem Abstand vom Mittelpunkt) Öffnungskanäle gebohrt, um den zentralen Kanal in einem bestimmten Abstand von der Auslassseite zu schneiden. Der für diese Kanäle benötigte Bohrerwinkel hängt vom Schaftdurchmesser relativ zum Durchmesser der Basis ab. An dem Mündungspunkt jedes gewinkelten Kanals ist sorgfältig und gezielt eine größere "Einlass"-Öffnung herausgearbeitet, um eine Strömung über einen größeren Austrittsbereich mit einer spezifischen Form zu ermöglichen. Weiterhin weist die Basis, falls benötigt, an ihrem Auslassende einen Bereich mit verringertem Durchmesser und Einrückungen auf, die ein Überlappen des Motorgehäuses ermöglichen und den Einschluss von Drucklagern/-flächen und Querlagern/-flächen zur Halterung des Motors und für den Drillbetrieb zu ermöglichen. Derselbe Bereich könnte auch einen Verschluss und eine Druckdichtung umfassen. Die Stirnfläche des Auslassendes der Basis muss hochgradig eben poliert sein, um die Rotation des dem Schaft und den Einlassöffnungen benachbarten Rings zu ermöglichen. Ein in die Basis eintretendes Fluid wird in zwei Teile aufgeteilt. Ein Teil strömt in den Kanal des zentralen Schafts, durch den Schaft und aus dem Ende des Schafts heraus. Dieser Bereich des gesamten Fluidstroms umgeht den Motorbereich vollständig und er kann zur Steuerung oder Begrenzung des Anteils der Strömung, die diesen Weg nimmt, verschlossen oder mit einer Düse versehen sein. Der andere Teil des Fluidstroms tritt durch die Einlassöffnungen auf der Stirnfläche der Basis in den Motorhohlraum ein. Auch dieser Teil des Fluidstroms kann unter Verwendung von Düsen oder Drosseln am Einlass gesteuert werden. Die Theorie und den Aufbau von Düsen und Drosseln zur Regulierung von Fluidströmen im Bereich der Öl- und Gas-, Pipeline-, Versorgungs-, Umwelt- und Wasserstrahlindustrien sind hinreichend bekannt.
An dem mittleren Bereich der Auslassseite der Basis befestigt oder mit diesem als integrales Bauteil der Basis hergestellt, befindet sich ein mit Auskehlungen/Nocken versehener und hohler Rotor/Schaft. Falls es sich um ein getrenntes Bauteil handelt, muss es mit zueinander passenden mit Gewinden versehenen Stiftenenden (Rotor) und Buchsenenden (Basis) ausgestattet sein, um den Druckanforderungen zu genügen. Bei Drücken von oberhalb ungefähr 8000 psi (= 551,58 bar) sollten spezielle Gewindekonstruktionen und Metall-Metall-Dichtungen verwendet werden. Es ist vorgesehen, jedoch nicht notwendig, dass diese Art Motor bei Drücken betrieben werden kann, die an der Einlassseite der Basis 15000 psi (= 1.34,21 bar) oder höher erreichen. In Abhängigkeit von den Anforderungen der jeweiligen Anwendung kann sich der Schaft an, über oder bis vor das meißel-/bohrerseitige Ende erstrecken. Da es ein Hauptbestandteil des Motors ist, muss der Schaft aus Gründen der Haltbarkeit und Stärke vom allgemeinen Aufbau her den größtmöglichsten Durchmesser und die kürzest mögliche Länge aufweisen. Das in dem Schaft oder Rohr gebohrte zentrale Loch ist in Abhängigkeit von der Fluidströmung und den Anforderungen an die Stärke des Schafts dimensioniert.
Auch der Aufbau der Nocken des Schafts muss mit den herkömmlichen Prinzipien der Konstruktion eines Gerotors übereinstimmen. Insbesondere dahingehend, dass die Anzahl der Nocken des zentralen Elements um eins kleiner als die Anzahl der Hohlräume des äußeren Elements ist und dass die sich gegenüberliegenden Seiten bei der Bewegung der Elemente eine Dichtung bilden müssen. Jede sinnvolle Anzahl an Nocken und Form dieser Nocken an dem Schaft ist möglich, was unterschiedliche Eigenschaften des Motors bezüglich Drehmoment, Verdrängung, Umlaufamplitude, Maximaldruck, Fähigkeit zur Bearbeitung von Festkörpern usw. ermöglicht. In dem dargestellten Beispiel wird ein Schaft mit vier Nocken und ein Ring mit fünf Hohlräumen/Tälern verwendet. Für den Betrieb des Motors ist es wichtig, dass die Einlass- und Auslass-Öffnungen bezüglich der feststehenden Nocken an dem Schaft exakt positioniert sind. Die Anzahl an Öffnungen (Zufuhr/Einlass und Auslass/Ablass) entspricht jeweils der Anzahl der Nocken an den Schaft.
Zur Befestigung der Auslass-/Ausströmscheibe und einer Lagerbaugruppe, hier als Lagerring bezeichnet, zu ermöglichen, muss das Ablassende des Schafts einen mit Gewinde versehenen Bereich mit verringertem Durchmesser aufweisen. Eine Mutter (die auch eine Düse oder einen Verschlussstopfen umfassen kann, um den Strom von dem inneren zentralen Kanal auszurichten oder zu regulieren) dient dazu, die Lagerscheibe ortsfest zu halten, um der Motorbaugruppe eine Lagerung gegenüber Druck zu bieten. In die flachen Enden der Nocken müssen mit Gewinde versehene Löcher gebohrt sein, um es Schrauben zu ermöglichen, ein Zusammenhalten der Motorbaugruppe während dem Betrieb zu unterstützen und um eine korrekte Ausrichtung der Ausströmöffnungen auf der Ausström-/Auslassscheibe zu gewährleisten.
Um mit dem Ende des mit Nocken versehenen Bereichs den Schaft bündig abzuschließen, wird eine Ablass-/Ausströmscheibe auf das verringerte Halsstück des Schafts gepresst oder aufgeschraubt. Diese Scheibe weist vier Öffnungen auf, die in gleichem Abstand vom Mittelpunkt durch diese herausgearbeitet sind, um mit den Einlassöffnungen übereinzustimmen. Diese Auslassöffnungen müssen exakt positioniert, dimensioniert und geformt sein und können sich von den Einlassöffnungen unterscheiden. Die Auslassanschlüsse sind bezüglich der Positionen der Einlassöffnungen winkelmäßig um 45° Grad verdreht. Dies ermöglicht es, dass bei einer Rotation des Rings eine abwechselnde Abfolge von Öffnungen für jeden Motorhohlraum geöffnet und geschlossen wird. Die Ausströmscheibe, vier Schrauben, die Gewinde des Schafts, die Lagerscheibe und die Mutter halten zusammen den Druck des hydraulischen Antriebsfluid in dem Motorhohlraum aufrecht, um eine maximale Betriebseffizienz zu erreichen. Beide Seiten der Scheibe müssen hochgradig poliert sein, um während der Rotation des Motorrings gegen die Basis und die Ausströmscheibe eine minimale Reibung zu ermöglichen.
Gemäß einem standardgemäßen hydraulischen Motor und den Pumpprinzipien der Gerotor-Konstruktion handelt es sich bei dem zylindrischen Ring um einen „Stator" mit fünf Nocken, um mit dem mit vier Nocken versehenen „Rotor"-Schaft zusammenzupassen. In diesem Fall rotiert der Motorring und kreist um den Schaft, wenn das unter Druck stehende Fluid den freiliegenden Motorhohlraum ausdehnt und eine Bewegung erzwingt. Der Außendurchmesser des Motorrings ist auf den Innendurchmesser des Gehäuses beschränkt. Beide flachen Enden des Motorrings müssen hochgradig poliert sein, um eine Dichtung zu gewährleisten, obwohl ein gewisses Lecken vorgesehen und zur Schmierung, Kühlung und zur Vermeidung eines "hydraulischen Blockierens" (der zeitweise Zustand, in dem keine Einlass- oder Auslassöffnungen freiliegt und das Fluid nicht komprimiert werden kann) erwünscht. Der im Motorhohlraum benötigte Druck, der Durchmesser des Schafts, die Anzahl und die Exzentrizität der Nocken/Hohlräume sowie der Innendurchmesser des Gehäuses legen den Außendurchmesser des Motorrings fest.
Wenn der Motorring rotiert und um den Schaft kreist, so kreist er exzentrisch und seine Innenkanten öffnen (legen frei) und schließen (bedecken) abwechselnd sowohl Einlassöffnungen (an der Basis) und Auslassöffnungen (an der Ausstrom-Auslassscheibe). Eine Expansion tritt in zwei benachbarten Motorhohlräumen auf, während diese zu den Einlassöffnungen hin offen sind, und gleichzeitig ziehen sich zwei gegenüberliegende Motorhohlräume zusammen, während sie zu Auslassöffnungen hin offen sind. Der rotierende und kreisende Motorring bedeckt und öffnet abwechselnd die erwünschten Öffnungen während dieser Rotations-/Kreisbewegung. Solange die Einlassantriebsöffnung zu einem bestimmten Motorhohlraum zwischen dem Schaft und dem Motorring hin offen liegt, tritt mit Druck beaufschlagtes Fluid in diesen Motorhohlraum ein und dehnt diesen aus, wodurch der Motorring veranlasst wird, um den Schaft zu rotieren. Während die Auslassöffnung zu einem vorgegebenen Motorhohlraum hin offen liegt, tritt Antriebsfluid durch die Öffnung und durch die Ausströmscheibe, die Lagerscheibe und aus dem Motorgehäuse aus. Während ein Satz von Hohlräumen sich ausdehnt und benachbarte Hohlräume sich zusammenziehen, wird der Ring rotiert, was zu einer Kraft und Rotation führt, die an das Gehäuse vermittelt wird, das wiederum das Gerät dreht.
In die Seite des Rings sind in einer axialen Linie zwei Löcher gebohrt, die jedoch nicht in den inneren Motorhohlraum führen. Diese Löcher werden dazu verwendet, eine nach unten gehaltene Stellung des Gehäuses auf der Motorbaugruppe zu gewährleisten und um das Drehmoment und die Rotation von dem Ring an das Gehäuse zu vermitteln. Alternativ kann eine Übertragung des Drehmoments und der Rotation zwischen diesen beiden Motorelementen durch Grobgetriebe, Keilwellen, Anschläge (mit Federn oder Nadellagern) oder mehrere über den gesamten Umfang verteilte lose/flexible Stifte erreicht werden.
Bei der Lagerscheibe handelt es sich um ein Lagerelement, dass sowohl für den Motor als auch für den Bohrvorgang Drucklager- und Gleitlagerflächen bietet. Die beim Bohren und dem Betrieb des Motors auftretenden Druckkräfte können über die Lagerscheibe und die Gehäuse-Basis-Lagerbaugruppen abgeschert werden. Diese Lagerelemente können durch Kugellager, Nadel-/Wälzlager oder eine Teflon-, Metall-Metall- oder aus einem festen Material bestehende Beschichtung bestehen. Lagerkonstruktionen und Beschichtungsmaterialien sind in der Industrie bereits hinreichend bekannt. An der Außenkante der Ausströmscheibe eingeschnittene Schlitze ermöglichen es Fluiden, die aus dem Motor in den Ring-Gehäuse-Hohlraum geleckt sind oder aus dem Motor dahin geleitet wurden, aus dem bohrerseitigen Ende des Motorgehäuses auszutreten.
Das rotierende Gehäuse des Motors enthält das Gerät/den Bohrer nach Wahl und steht mit der nicht-rotierenden Basis an dem Gehäuse-Basis-Lager und mit dem Schaft an der Lagerscheibe in Kontakt. Das Gehäuse weist an seinem Ablassende Öffnungen auf, die ein Ausströmen aus dem Schaftkanal, dem Motorauslass und aus Parallelwegen durch Motorlecks ermöglicht. Seine Innenoberfläche ist glatt und weist gebohrte und mit Gewinde versehene Löcher zur Verbindung von Stiften mit dem rotierenden Ring auf. Alternativ können für Anwendungen mit einem höheren Drehmoment innere Keilgewinde, Anschläge/Langlöcher und/oder Rippen angeordnet sein, jedoch müssen diese mit der Außenoberfläche des Motors übereinstimmen.
Um zu ermöglichen, dass dieser Motor mit oder ohne winkelmäßigem Versatz zum Ausgleichen der an das Bohrwerkzeug abgegebenen Leistung und mit entweder seriellen oder parallelen Fluidströmungswegen, seriell angeordnet werden kann, sind Abänderungen dieser grundsätzlichen Konstruktion möglich. Ein allgemeines Muster zur Verwendung bei in Serie angeordneten Motoren besteht darin, sowohl Einlass- als auch Ablassöffnungen in derselben gemeinsamen Basis oder gemeinsamen Scheibe (d. h. sowohl Einlass- als auch Auslassscheibe) mit für die jeweilige Funktionalität getrennten inneren Kanälen, die den Fluidstrom leiten, anzuordnen. Diese gemeinsame Scheibe muss zur Abdichtung und zur Ausrichtung auf den zentralen Schaft aufgeschraubt oder gepresst werden. Eine Variation dieses allgemeinen Musters für serielle Fluidströmungswege besteht darin, dass die Auslass-/Ablassöffnungen eines/einer Motors/Motorstufe die Einlassöffnungen für den/die nächsten/e Motor/Motorstufe in Serie zum/zur ersten Motor/Motorstufe wird, wobei alle dieselbe (Ausström-/Einlass-)Scheibe aufweisen. Dieser Aufbau mit gemeinsamer Scheibe ermöglicht auch eine winkelmäßige Rotation des/der sich anschließenden Motor/Motorstufe relativ zu dem/der unmittelbar weiter oben angeordneten Motor/Motorstufe, um eine insgesamt gleichmäßigere Leistung zu erzeugen. Dieser winkelmäßige Versatz wird erreicht, indem die inneren Kanäle der gemeinsamen Scheibe von ihrer Ausrichtung derart herausgearbeitet werden, dass die Auslassöffnungen auf einer Seite/Stirnfläche der Scheibe bezüglich der Einlassöffnung auf der anderen Seite/Stirnfläche der Scheibe um einen bestimmten winkelmäßigen Betrag verdreht sind.
Eine weitere Abweichung von dem allgemeinen Muster ist für parallele Fluidwege unter Verwendung des Aufbaus mit gemeinsamer Scheibe möglich. Bei dieser Variation sollte angemerkt werden, dass der Einlassströmungsweg nicht durch die Stirnfläche der Basis verlaufen muss, da das gesamte Antriebsfluid in den Kanal des zentralen Schafts/Rohrs umgelenkt und bezüglich der Länge des Schafts weiter unten verteilt werden kann. Für Fluideinlässe, die ihren Ausgang nicht in der Basis haben, können an einem beliebigen Punkt entlang der Länge des Schafts Einlassöffnungen gebohrt werden, um es Fluid zu ermöglichen, den inneren Kanal des Schafts zu verlassen und über ein gemeinsames Bauteil oder eine gemeinsame Einlassscheibe in einen Motorhohlraum geleitet zu werden. Über gebohrte und mit Düsen versehene Öffnungen in dem Schaft gelangen Hochdruckfluide von dem Kanal des Schafts in die inneren Hochdruckkanäle eines/einer gemeinsamen Bauteils/Einlassscheibe und werden an Einlassöffnungen auf der Stirnfläche der Scheibe in den erwünschten Motorhohlraum gelenkt. Auslassfluide von dem oberhalb angeordneten Motor können durch die Auslassöffnungen und inneren Kanäle in dem/der gemeinsamen Bauteil/Auslassscheibe strömen und in den Hohlraum zwischen dem Ring und das Gehäuse des sich anschließenden Motors oder aus dem Motor in das neu gebohrte Loch geleitet werden. Dies kann sooft wie erwünscht wiederholt werden und mit jeder beliebigen winkelmäßigen Rotation der aufeinander folgenden Motoren/Motorstufen. Es sollte auch angemerkt werden, dass eine Kombination paralleler und serieller Strömungswege für Motoren oder Motorstufen in serieller Anordnung unter Verwendung der Konstruktion des invertierten Motors benutzt werden kann.
Motorarten mit der größten Exzentrizität, wie Gerotor- und Moineau-Motoren mit einem invertierten Aufbau können in einen konzentrischen invertierten Motor ungewandelt werden, indem zur Übertragung von Drehmoment und Rotation an das konzentrische äußere Gehäuse und den Bohrer dieses Verfahren mit gekoppeltem Ring-Gehäuse verwendet wird. Jedoch verringert ein konzentrischer Umbau den möglichen Durchmesser des Schafts und der Antriebsbereiche. Eine direkte (d. h. nicht umgewandelte) Verwendung von invertierten Motoren exzentrischer Bauart zum Bohren, bei denen der Ring auch das Gehäuse bildet und das Werkzeug an dem Außendurchmesser des Rings befestigt oder ein Teil desselben ist, ist möglich und manchmal erwünscht. Insbesondere können exzentrische Konstruktionen zur Vergrößerung von Bohrlöchern, einem verbesserten Reinigen des Bohrlochs und einer Bewegung der Rohre nutzvoll sein.
Kurzbeschreibung der Figuren
Es zeigen:
1 einen vereinfachten Querschnitt in Längsrichtung eines typischen Motors, der im gegenwärtigen Stand der Technik verwendet wird;
2 einen vereinfachten Querschnitt in Längsrichtung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 einen vereinfachten Querschnitt eines Motors mit allgemein konzentrischer Bauart gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 einen vereinfachten Querschnitt eines Motors mit allgemein exzentrischer Bauart gemäß der vorliegenden Erfindung;
5 eine vereinfachte Längsansicht von sich gegenüberstehenden konzentrischen Motoren (parallel zueinander, jedoch innerhalb des Motors in seriellen Stufen) gemäß der vorliegenden Erfindung zum Ausgleichen interner Axialkräfte;
6 einen Querschnitt in Längsrichtung eines konzentrischen hydraulischen/pneumatischen Verdrängungs-Gerotor-Motor gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 eine Querschnittsdarstellung des erfindungsgemäßen hydraulischen/pneumatischen Gerotor-Motors aus 6 in Richtung der Basis gesehen;
8 eine Explosionsdarstellung der Gerotor-Motor-Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aus 6 und 7, die weitere Details der Erfindung bezüglich der Anordnung und der Zwischenbeziehung von Bauteilen zeigt;
9 eine Querschnittsdarstellung eines exzentrischen hydraulischen/pneumatischen Verdrängungs-Gerotor-Motor mit einer Konstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung;
10 eine Querschnittsdarstellung eines exzentrischen hydraulischen/pneumatischen Verdrängungs-Moineau-Motor mit einer Konstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung;
11 eine Querschnittsdarstellung eines hydraulischen/pneumatischen Verdrängungsmotors mit einer Konstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung, die Dichtverfahren sowohl mit Flügeln, als auch mit Walzen zeigt;
12 eine Querschnittsansicht eines hydraulischen/pneumatischen Turbinenmotors mit einer Konstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung; und
13 eine Querschnittsansicht eines elektrischen Motors mit einer Konstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
1 zeigt einen vereinfachten Querschnitt in Längsrichtung eines typischen Motors, wie er derzeit in dem gegenwärtigen Stand der Technik verwendet wird. In dieser Darstellung ist ein Motorgehäuse 3 an einer Motorbasis 1 befestigt und bewegt sich bezüglich dieser nicht. Die Motorbasis 1 ist an einem hohlen rohrförmigen Bohrstrang befestigt. Zwischen dem ortsfesten Motorgehäuse 3 und einem freilaufenden Motorschaft 2 ist ein Drehmotor 52 angeordnet, durch den der Schaft bei einer Betätigung des Motors 52 zu einer Rotation veranlasst wird. An dem sich aus dem Motorgehäuse 3 herauserstreckenden Ende 51 des Schafts ist ein Meißel/Bohrer 4 befestigt und rotiert mit dem Schaft 2. Entlang des Wegs 5 durch den inneren Bereich 54 der Motorbasis 1 fließt ein Fluid (flüssig und/oder gasförmig) nach unten in einen Hohlraum 55 des Drehmotors, der zwischen dem Gehäuse 3 und dem Schaft 2 angeordnet ist, treibt den Motor 52 an und durchströmt diesen, strömt in einen inneren Bereich 56 des Motorschaftes 2, durch ein zentrales Loch 57 des Schafts und einen Strömungskanal 58 des Meißels/Bohrers in ein zentrales Loch 59 des Meißels/Bohrers und tritt über eine am meißel-/bohrerseitigen Ende befindliche Öffnung 53.
2 stellt einen vereinfachten Querschnitt in Längsrichtung eines Motors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Diese Figur zeigt die wesentlichen Elemente der vorliegenden Erfindung, insbesondere ein (bezüglich der Basis 6) rotierbares Motorgehäuse 8, eine mit einem Ende an einem hohlen rohrförmigen Strang verbundene Motorbasis 6 und ein (bezüglich der Motorbasis 6) nicht-rotierender/s Schaft/Rohr 7. Die Motorbasis 6 ist als gerade dargestellt, kann jedoch für eine beliebige Anzahl von Anwendungen auch gekrümmt verlaufen. Zwischen dem Motorgehäuse 8 und dem Schaft 7 sind eine oder mehrere Hohlräume ausgebildet, um einen Drehmotor 60 beliebiger Art und Bauweise zu positionieren. Der Drehmotor 60 ist zwischen dem ortsfesten Schaft 7 und dem rotierbaren Gehäuse 8 angeordnet und veranlasst das Gehäuse 8 zu einer Rotation, wenn der Motor 60 betätigt wird. Ein Bohrwerkzeug (Bohrgerät oder Bohrer) 9 ist an dem Motorgehäuse 8 befestigt, ein Teil desselben oder als Teil desselben integriert und rotiert folglich gemeinsam mit dem rotierenden Gehäuse 8.
Für den Fachmann sollte offensichtlich sein, dass viele Arten von Drehmotoren zur Bereitstellung dieser Leistung und Bewegung in den Hohlraum passen, insbesondere eine beliebige Anzahl von hydraulischen oder pneumatisch betriebenen Motoren, Verdrängungsmotoren, Turbinenmotoren oder elektrischen Motoren, Flügelzellenmotoren, Rollenzellemotoren, Flügelmotoren sowie Kolbenmotoren, Moineau-Motoren oder Gerotor-Motoren. Es sollte auch klar sein, dass eine beliebige Anzahl dieser Motorkonstruktionen und Arten das Motorgehäuse 8 dazu veranlassen kann, in jeder Richtung, im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn, zu rotieren. Sollte es sich bei dem Motor 60 um einen hydraulischen oder pneumatischen, im Bohrloch angeordneten Motor handeln, so wird Fluid 10 nach unten durch den inneren Bereich 61 der rohrförmigen Strangbasis 6 geleitet, wobei der Strom aufgeteilt wird und sowohl in den zwischen dem Gehäuse 8 und den Schaft 7 angeordneten Hohlraum 12 des Motor 60, als auch den zumindest einen im wesentlichen ovalen inneren Kanal 11 des Schafts 7 eintritt und diesen durchströmt, wodurch der Motorbereich 60 umgangen wird. Der innere Kanal 11 des Schafts 7 kann sich über die gesamte Länge des Schafts 7 erstrecken, was Ausgänge an beiden Enden ermöglicht. Der Anteil des nach unten gerichteten Fluidstroms, der den Hohlraum 12 in dem Motor 60 durchläuft, treibt den Motor an und verlässt den Motor dann über eine oder mehrere Motorauslassöffnungen 62, die an einem Ende des Motors 60 angeordnet sind, tritt in das Gehäuse 8 ein und weiterhin über eine oder mehrere Öffnungen in den Meißel/Bohrer 63 aus. Beim nach unten gerichteten Strömen des Fluids durch den inneren Kanal 11 des Schafts 7 umgeht es dem Motor/Meißel-Bereich vollständig und kann an der Endspitze 20 des Schaftkanals 11 mit einem Ventil versehen, verschlossen oder auf sonstige Weise gedrosselt werden, um die spezifizierten Druck- und Ratenbedingungen zu erfüllen. Es wird angemerkt, dass sich die Endspitze 20 des Schafts 7 bis an, über oder bis vor das Ende 9 des Meißels/Bohrers erstrecken kann. Eine in der Endspitze 20 des Schafts 7 befindliche Düse kann exzentrisch ausgerichtet sein, um bei gerichteten Bohrbemühungen zu helfen. Falls der Motor 60 nicht hydraulisch oder pneumatisch betrieben wird, so wird der gesamte Fluidstrom 5 in und durch den inneren Kanal 11 des Schafts 7 geleitet, wodurch er den Motorbereich vollkommen umgeht und mit einer Düse versehen gerichtet und/oder zur Unterstützung der Bohrbemühungen verwendet werden kann.
3 zeigt eine Querdarstellung einer im Allgemeinen konzentrischen invertierten Motorkonstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung, so dass die Außenkante 39 des Gehäuses zentral und konzentrisch um den ortfesten Schaft 38 rotiert, ohne hierbei eine kreisende oder exzentrische Bewegung auszuführen. Der Kreis 40, der sich von dem Mittelpunkt des Schafts an die Außenkante des Motorgehäuses 39 erstreckt, ändert sich beim Betrieb des Motors nicht. Gemäß dieser Konstruktion wird der/das befestigte Bohrer oder Bohrgerät, falls er/es gleichmäßig um den Durchmesser des Gehäuses 39 angeordnet ist, ein gleichmäßiges und gerades Loch um den Mittelpunkt schneiden. Der innere Motor 34 zwischen dem Schaft 38 und dem Gehäuse 39 kann zum Erreichen dieser konzentrischen Rotationsfunktion verschiedenster Art und Bauweise sein.
4 zeigt eine Queransicht einer im Allgemeinen exzentrischen invertierten Motorkonstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung, die es der Außenkante 43 des Gehäuses ermöglicht, um den ortsfesten zentralen Schaft 42 beim Betrieb des Motors 127 zu kreisen und zu rotieren. Das Ausmaß der kreisenden und exzentrischen Rotation des Gehäuses 43 wird durch die Art und die Bauweise des inneren Motors bestimmt. Eine derartig exzentrische Konstruktion würde es ermöglichen, ein Loch 44 zu bohren, das einen größeren Durchmesser aufweist, als der Motor/das Bohrgerät normalerweise bohren könnte, wobei diese weiterhin durch weiter oben im Bohrloch befindliche Bereiche 41 mit einem geringeren Durchmesser passen. Ein derartiger Aufbau würde auch eine verbesserte Fluidströmung, Bohrlochreinigung und Bewegung des Rohrs ermöglichen. Der Nachteil dieser Bauweise besteht in den größeren Vibrationen des Bohrstrangs und der im Bohrloch angeordneten Vorrichtung.
Der Leser sollte sich bewusst sein, dass in den meisten hydraulischen oder pneumatischen Motoren, und auch möglicherweise bei der vorliegenden Erfindung, der Fluidstrom sequentiell von einem Motor bzw. einer Motorstufe in den nächsten Motor bzw. die nächste Motorstufe fortschreitet. 5 ist eine vereinfachte Längsdarstellung von allgemeinen hydraulischen/pneumatischen invertierten Motoren gemäß der vorliegenden Erfindung, die in serieller Anordnung bezüglich des Motorgehäuses 69 angeordnet sind, wobei jedoch die Fluidströmungswege parallel und in entgegengesetzter Richtung verlaufen, um eine Konstruktion zum Ausgleich interner axial wirkender Kräfte zu ermöglichen. Die sich gegenüberstehenden Motoren 49 und 50 rotieren zueinander entgegengesetzt, treiben jedoch das Gehäuse 69 bezüglich der Basis 64 in derselben Rotationsrichtung an. Bei diesem Aufbau tritt der volle Fluidstrom 67 der Basis 64 in den inneren Strömungskanal 65 des Schafts 18 ein und strömt bis an eine Abzweigung 66, an der durch den Schaft 18 verlaufende Hochdrucköffnungen 67 ein Eindringen von Hochdruckfluiden in einen gemeinsamen Einlass 68 für die sich gegenüberstehenden Motoren 49, 50 ermöglichen. Hierbei sollte angemerkt werden, dass der Punkt, an dem die Fluidströmung aus dem inneren Kanal 65 in dem Schaft 18 austritt, entlang der Länge des Schafts 18 und seines inneren Kanals 65 variable positioniert werden kann. Die Fluidströmung innerhalb jedes Motors 49, 50 und jeder Motorstufe (Unterbereiche von 49, 50) bewegt sich axial von dem Hochdruckeinlass 68 weg auf die Niederdruckauslässe 78, 79, die zur Steuerung der Durchflussmenge pro Zeit und/oder Erzeugung eines spezifischen Gegendrucks in dem Schaftkanal 65 und in den Motoren 49, 50 selektiv mit Düsen versehen oder gedrosselt sein können zu. Folglich treiben die sich gegenüberstehenden Motoren 49, 50 das Gehäuse 69 und den Meißel 128 parallel an und weisen zueinander parallele Strömungswege auf. Die internen Motorstufen in jedem Motor 49, 50 weisen serielle Fluidströmungswege auf.
Mit dieser grundlegenden Konstruktion gegenüberstehenden Motoren gemäß der vorliegenden Erfindung muss die Anzahl der Stufen, die ein Motor enthält, der innere Motoraufbau und der Gegendruck der sich gegenüberstehenden Motoren 49, 50 nicht identisch sein, was die Erzeugung von variablen inneren Axialkräften, einen variablen Aufbau der Drucklager und der Dichtungen ermöglicht. Bei einer Verwendung mehrerer Stufen innerhalb des jeweiligen Motors kann der verfügbare Fluiddruck zum Motorbetrieb nahezu oder vollständig aufgewendet werden, was einen möglichst geringeren Nettodruck an den Enden des Motorsbereich, d.h. an den Niederdruckauslassöffnungen 78, 79 ermöglicht, wodurch folglich geringere Anforderungen an die Dichtungen gestellt werden können. Bei dieser allgemeinen intern ausgeglichenen Konstruktion gegenüberstehender Motoren gemäß der vorliegenden Erfindung können die Drucklager 45, 46 lediglich für minimale Anforderungen des Bohrbetriebs ausgelegt sein. Weiterhin kann die allgemeine Konstruktion miteinander gegenüberstehenden Motoren weiter erweitert werden, um die zum Bohrbetrieb benötigten Druckkräfte (von diesen eingeleiteten Kräften wird die Größte der am häufigsten auftretenden als "Gewicht auf dem Bohrer" bezeichnet) auszugleichen, was eine weitere Verringerung der maximalen Auslegung der Drucklager 45, 46 ermöglicht. Dies wird erreicht, indem die austretenden Ströme an den Öffnungen 78 oder 79 weiter gedrosselt werden, wodurch die Innendrücke an den ausgewählten Enden des Motors erhöht werden. Dieses erhöhte Druckungleichgewicht kann auf das Gehäuse wirken, und führt zur Erzeugung einer Nettoaxialkraft, die einige der eingeleiteten und beim Bohrvorgang erzeugten und benötigten Kräfte ausgleicht. Gleitlager 48 werden dazu verwendet, während des Bohrens und des Betriebs des Motors erzeugte seitliche Kräfte abzufangen.
Weiterhin sollte bei einer Erweiterung des Konzepts mehrerer Motoren aus 5 erkannt werden, dass zur Erzeugung von Leistung für das Bohrgerät viele Motoren oder Motorstufen in Serie zueinander angeordnet werden können (unabhängig davon, ob ein paralleler oder sequentieller/serieller Fluidstrom verwendet wird). Jeder/jede Motor/Motorstufe kann radial oder winkelmäßig bezüglich der anderen Motoren oder Motorstufen versetzt sein, um eine gleichmäßigere und stetige Leistungserzeugung über den gesamten Umlaufzyklus zu ermöglichen.
Mit mehreren Motoren, die unabhängig voneinander und in unterschiedlichen Richtungen rotiert werden können, kann die auf den an der Motorbasis befestigten hohlen rohrförmigen Strang aufgebrachte Nettodreh-/Radialkraft (Drehmoment), d.h. die durch den Rotationsbohrbetrieb erzeugte Gegenkraft, minimiert werden, indem die Anzahl der in die jeweilige Richtung rotierenden Motoren, die Größe des Bohrgeräts an jedem Motor und die Rotationsgeschwindigkeit jedes Motors durch eine entsprechend geeignete Konstruktion ausgeglichen wird.
6 bis 8 sind Abbildungen eines konzentrischen hydraulischen/pneumatischen "Gerotor"-Motors gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Sie bieten bezüglich der strukturellen Beziehung der Elemente der vorliegenden Erfindung mehr Details und Offenbarung. 6 ist eine Längsansicht der Erfindung und zeigt die Motorbasis 25 auch als "rohrförmiger Strang" bezeichnet, den Motorbereich und das meißel-/bohrseitige Ende 36. 7 ist ein Querschnitt in der Mitte des Motorbereichs aus 6 in Richtung der Basis 25 gesehen. Die Auslassöffnungen 19, 28 sind auf diesen Querschnitt projiziert, um ihre Beziehung zu den Einlass/Eintritts-Antriebsöffnungen 16 und den Nocken des Schafts-Rotors darzustellen. 8 ist eine Explosionsansicht der beschriebenen Erfindung, die Details von der Basis 25 bis an das meißel-/bohrerseitige Ende 36 zeigt.
Wie in den 6 bis 8 offenbart, ist die erfindungsgemäße Basis 25 an einem rohrförmigen hohlen Strang befestigt, der beim Bohren des Lochs in die Erde abgesenkt wird. In dem rohrförmigen Strang wird hydraulisches oder pneumatisches Fluid nach unten in den Basiskanal 20, durch die Kanäle 17 und die Öffnungen 16 in den Motorbereich und zur Rotation des Rings 14 um den Schaft 13 in einen Motorhohlraum 70 gepumpt. Ein Stift 23 verbindet den Ring 14 und das Motorgehäuse 15 und bewirkt somit eine gemeinsame Rotation dieser beiden Bauteile. Eine Schnittfläche, allgemein als "Meißel" oder "Bohrer" 36 bezeichnet, ist an dem Ende und/oder den Seiten des Motorgehäuses 15 befestigt oder als Teil dieser integriert und dreht sich folglich gemeinsam mit dem Motorgehäuse 15. Der rotierende Meißel/Bohrer 36 schneidet das Gestein/Material und das nach unten geführte oder gepumpte Antriebsfluid säubert die Stirnfläche der Schneidfläche 36 von Splittern und hebt diese Splitter außerhalb des Motorgehäuses 15 und des rohrförmigen Strangs 25 nach oben an die Oberfläche. Zur weiteren Unterstützung können auch der gesamte rohrförmige Strang und der Motor rotiert werden, jedoch wird dies üblicherweise nicht benötigt. In 6 sind die Basis 25 und der mit Nocken versehene Schaft 13 als aus einem Stück aufgebaut oder hergestellt dargestellt. Für den Fachmann ist offensichtlich, dass der mit Nocken versehene Schaft 13 auf einfache Weise getrennt von der Basis 25 hergestellt werden kann, indem ein mit Gewinde versehenes Anschlussende und eine Hochdruckdichtung in ein entsprechend mit Gewinde versehenes Aufnahmestück in der Basis 25 eingeschraubt wird, was eine alternative Ausführungsform der Erfindung darstellt. Es muss sichergestellt werden, dass der mit Nocken versehene Schaft 13 bezüglich der Einlassöffnungen 16 in eine bestimmte Position gesetzt wird. Sowohl der Schaft 13, als auch die Basis 25 weisen einen zentralen Strömungskanal 20 auf, der durch diese gebohrt ist, um ein Durchtreten von hydraulischem oder pneumatischem Hochdruck-Antriebsfluid zu ermöglichen. Die Basis weist mehrere Unterkanäle 17 auf, die derart gebohrt und positioniert sind, dass sie sich mit vier angepassten Motoreintritts- oder -einlassöffnungen 16 sowie dem zentralen Kanal 20 schneiden. Die Dimensionierung dieser Kanäle 17, 20 ist wichtig, um die vorhergesehenen minimalen und maximalen Durchflussmengen pro Zeit durch jeden derselben zu ermöglichen. Die Einlassöffnungen 16 und die Auslassöffnungen 28 sind relativ zu den Nocken an dem Schaft 13 zweckmäßig positioniert.
Beim Eintreten des hydraulischen oder pneumatischen Antriebsfluid von der Einlass-/Eintrittsöffnung 16 in den Motorhohlraum 70 rotiert und kreist ein Motorring 14 um den mit Nocken versehenen Schaft 13. Wenn die Einlass-/Eintrittsöffnung 16 durch den rotierenden Motorring 14 freigelegt/geöffnet wird, so wird die Ausströmöffnung 28 von demselben rotierenden Motorring 14 bedeckt/verschlossen, was eine Expansion des Fluids aus den Kanälen 20, 17 in den Hohlraum 70 ermöglicht, wodurch dieser zur Expansion und der Motorring 14 zur Rotation und Kreisbewegung um den zentral positionierten, nicht-rotierenden, ortsfesten Schafts 13 veranlasst werden. Bei der Expansion des Hohlraums 70 zieht sich der Hohlraum 71 zusammen, was dadurch veranlasst wird, dass durch die Bewegung der Vorder- und Hinterkanten des Motorrings 14 die Einlassöffnungen 16 bedeckt/verschlossen und die Ausström-/Austrittsöffnungen 28 freigelegt/geöffnet werden. Dieses abwechselnde Öffnen und Schließen der Öffnungen des jeweiligen Motorhohlraums führt zum kontinuierlichen Antrieb des Motors.
Der rotierende und kreisende Motorring 14 ist durch wenigstens einen Stift, wobei in der Figur zwei Stifte 23 gezeigt sind, an dem externen Motorgehäuse/Meißel 15 befestigt. Diese Befestigung kann alternativ durch Keilverzahnungen, Getriebe, Anschläge mit Federn, Rollenbolzen oder gewinkelten Stangen bereitgestellt werden. Diese Befestigung, durch beliebige Mittel, veranlasst sowohl den Ring 14 als auch das externe Gehäuse 15 dazu, gemeinsam mit derselben Rotationsgeschwindigkeit zu rotieren. Die Stifte 23 dienen weiterhin dazu, über die Ringlöcher 22 der Befestigung des Gehäuses 15 an der Motorbaugruppe zu unterstützen. Das Element 26 in 6 ist als zwischen dem äußeren Gehäuse 15 und der Basis 25 angeordnet dargestellt und enthält ein Druck-/Gleitlager sowie einen Riegel zum Andrücken des Gehäuse (nicht detailliert dargestellt, jedoch in der Industrie hinreichend bekannt).
Weiterhin bezugnehmend auf 6 ist eine Ausströmscheibe 27 durch Schrauben 37, die in Gewinde versehene Löcher 21 des Schaftes 13 geschraubt sind, direkt an dem Schaft 13 befestigt und rotiert demzufolge relativ zu dem Schaft 13 nicht. Die Ausströmscheibe 27 enthält Auslass-/Ausgangsöffnungen 28, die exakt derart gebohrt, dimensioniert und positioniert sind, dass sie einen Austreten des hydraulischen/pneumatischen Antriebsfluids aus dem Motorhohlraum 70 ermöglichen, wenn der rotierende Ring 14 die Öffnung 28 zum Hohlraum 70 hin öffnet. Die auf der ortsfesten Ausströmscheibe 27 angeordneten Ausström-/Auslassöffnungen 28 sind strategisch derart angeordnet, dass sie sich bei einer Rotation des Motorrings 14 mit dem Freilegen/Öffnen der Einlassöffnungen 16 in dem Basisteil 25 zum Hohlraum 70 hin abwechseln. Alternativ und/oder zusätzlich kann die Ausströmscheibe 27 zur Unterstützung, Verstärkung und zur Aufnahme der in dem Motorhohlraum 70 auftretenden Betriebsdrücke an dem Halsbereich des Schafts 13 mit verringertem Durchmesser aufgeschraubt sein. Die Stirnflächen 73 und 74 des Rings 14 sind extrem glatt herausgearbeitet, um den extrem glatten Oberflächen auf den Stirnflächen der Ausströmscheibe 75 bzw. der Basis 76 zu entsprechen.
Eine Lagerscheibe 29 nimmt sowohl Gleit- als auch Druckbelastungen auf, wie es im Rahmen der vorliegenden Erfindung benötigt wird und beinhaltet Öffnungen 30, um es einem hydraulischen Fluid vom Motor zu ermöglichen, diese zum Bohrer hin zu durchströmen. Die Lagerscheibe 29 bietet auch eine Verstärkung der Stärke der Ausströmscheibe 27, falls sie durch eine Mutter 35 ortsfest gehalten wird. Weiterhin weist die Lagerscheibe 29 entlang ihrer Peripherie Strömungskanäle 33 auf, um es einem in den Hohlraum 72 (zwischen dem Motorring 14 und dem Gehäuse 15) eingeleckten oder eingeleiteten Fluidstrom zu ermöglichen, über den Kanal 31 an den Bohrer 36 zu entweichen. Die Mutter 35 hält die Lagerscheibe 29 ortsfest und bietet der Ausström-/Auslassscheibe 27 zusätzliche Stärke. Die Mutter kann als Verschluss/Abdeckung für den Strömungskanal 20 dienen, falls kein Fluid umgeleitet werden soll, oder kann eine oder mehrere Düsen aufweisen, falls ein gedrosselter Fluss durch den Kanal 32 oder ein Gegendruck im Kanal 20 erwünscht wird. Es sollte auch erwähnt werden, dass die ortsfeste Düse, die an dem nichtrotierenden Schaft oder Rohr befestigt ist, nicht-zentrisch ausgerichtet sein kann, um aufgrund der Strahlwirkung ein Entfernen von Gestein oder Material vor dem Bohrer, aber in einer bevorzugten Richtung zu ermöglichen. Dieses selektive oder gerichtete Strahlen kann dazu beitragen, die Vorwärtsbewegung des Bohrvorgangs zu steuern.
Weiterhin Bezugnehmend auf 6 enthält das rotierende externe Gehäuse 15 ein eingebautes Bohrgerät 36. Ohne Beschränkung könnten derartige Bohrgeräte Meißel, Bohrer und beliebige andere Schneidflächen umfassen, die dem Fachmann hinreichend bekannt sind und von diesem eingesetzt werden. Das Motorgehäuse 15 weist Öffnungen 32 auf, um es dem Fluid zu ermöglichen, über den zentralen Strömungskanal 20 auszutreten, sowie Strömungskanäle 31 für eine Strömung durch den Motor und die Lager und sieht weiterhin mit Gewinde versehene Löcher 24 vor, um nach dem Zusammenbau des Motors ein Einsetzen von Stiften 23 in die Ringlöcher 22 zu ermöglichen. Diese Stifte 23 halten das Gehäuse in Synchronisation mit dem inneren rotierenden Ring 14 und sichern gemeinsam mit einem Verriegelungssystem beim Element 26 das Gehäuse 15 fest an der Motorbaugruppe. Sowohl die Lagerscheibe 29, als auch das Element 26 nehmen bei dem Bohrvorgang auf das Gehäuse 15 aufgebrachte Druck- und Gleitbelastungen.
7 bietet zusätzliche Details bezüglich der Beziehung der Elemente des erfindungsgemäßen invertierten Gerotor-Motors. In dieser Figur weist der mit Nocken versehene Schaft 13 einen zentralen Kanal 20 auf, um Fluid um den Motorbereich herum zuleiten. Mit Gewinde versehene Schraubenlöcher 21 und Schrauben 37 positionieren und halten eine Ausström-/Auslassscheibe 27 (nicht dargestellt) auf dem Schaft 13. Die Schrauben 37 helfen dabei, die mit Druck beaufschlagten Fluide in dem Motor (d. h. innerhalb des Motorrings 14, des Schafts 13, der Basis 25 und der Ausström-/Auslassscheibe 27, nicht dargestellt) zu halten. Wenn die Einlassöffnung 16 zum Hohlraum 70 hin freigelegt ist und die Ausströmöffnung 28 durch den rotierenden Motorring 14 gegenüber dem Hohlraum abgedichtet ist, expandiert das Fluid den Hohlraum 70, was den Ring 14 zu einer Rotation und Kreisbewegung im Uhrzeigersinn um den Mittelpunkt des nicht-rotierenden ortsfesten Schafts 13 veranlasst. Während der Hohlraum 70 expandiert, zieht sich der benachbarte Hohlraum 80 aufgrund der Tatsache, dass die Einlassöffnung 128 von dem Ring 14 bedeckt und die Ausström-/Auslassöffnungen 19 ebenfalls durch den rotierenden Motorring 14 freigelegt sind, zusammen.
Die Öffnungen (sowohl Einlass 16 als auch Auslass 28) des Motorhohlraums 70 werden durch die Bewegung der Vorder- und Hinterkante des Motorrings 14 abwechselnd geöffnet und verschlossen. Die Position, Länge, Breite und Form dieser Öffnungen 16, 28 relativ zu den Nocken des Rotors besitzen eine sehr große Bedeutung, um eine maximale Leistung zu erhalten. Zum Schmieren, Kühlen und zur Verhinderung eines temporären hydraulischen Blockierens ist ein gewisses Lecken zwischen dem Motorring 14 und der Basis 25 bzw. der Auslass-/Ausströmscheibe 27 erwünscht.
In der Darstellung 7 ist der Motorring 14 durch einfache Stifte 23 mit dem Gehäuse 15 verbunden. Alternativ können Anschläge (mit Federn, Nadelwälzlager oder Riegeln) und/oder mit angepassten Grobgetrieben verwendet werden. Diese Befestigung führt dazu, dass das Motorgehäuse 15 gemeinsam mit dem Motorring 14 rotiert. Da der (in dieser Figur nicht dargestellte) Meißel/Bohrer 36 ein Teil des Motorgehäuses 15 ist, rotiert er mit dem Motorring 14 und schneidet/bohrt das Loch voran oder führt andere Aktivitäten durch.
8 stellt eine Explosionsdarstellung der zuvor im Zusammenhang mit den 6 bis 7 beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, die die Anordnung und Zwischenbeziehung von Elementen gemäß der vorliegenden Erfindung weiter detailliert. In 8 stellt Element 22 eine Stiftaufnahme auf einem rotierenden Ring dar. Das Element 14 stellt den rotierbaren Motorring dar. Das Element 21 bezeichnet die mit Gewinde versehenen Schraubenbohrer. Das Element 16 bezeichnet die Einlassöffnung für den Fluidstrom in den Motorbereich. Das Element 26 soll ein allgemeines Druck-/Gleitlager und eine Verriegelung zum Niederdrücken darstellen, wie sie in der Industrie bekannt sind. Das Element 25 bezeichnet die Motorbasis. Das Element 20 stellt eine Ansicht des zentralen Strömungskanals in und durch den nicht-rotierenden Schaft 23 und die Basis 25 dar. Das Element 20 und die gestrichelten Linien stellen weiterhin den inneren Aufbau des zentralen Strömungskanals 20 und der Strömungsnebenkanäle 17 (gestrichelt) dar. Weiter ist detailliert eine Ausströmscheibe 27 mit Ausströmöffnungen 19, 28 sowie zwei weiteren (nicht nummerierten) Öffnungen, Schrauben 37 zum Positionieren und Halten der Scheibe 27, periphere Strömungskanäle 33 auf der Lagerscheibe 29, die Sicherungsmutter 35, Stifte 23 zur Befestigung eines Motorgehäuses 15 über mit Gewinde versehene Löcher 24 an dem rotierbaren Ring 14, Lagerströmungskanäle 31 sowie ein Austrittsströmungskanal 32 dargestellt.
9 ist eine Querschnittsdarstellung eines hydraulischen/pneumatischen Gerotor-Motors, der eine exzentrische Version der vorliegenden Erfindung darstellt. Der Betrieb des exzentrischen Gerotor-Motors ist ähnlich zu dem der zentrischen Gerotor-Motor-Version, die in den 6 bis 8 dargestellt ist, jedoch mit dem inneren Ring 86, dem Motorgehäuse und dem Meißel/Bohrer 86. Hochdruckfluide können den Motorbereich über den inneren Schaftkanal 93 umgehen. Der Betrieb des Motorrings/Gehäuses 86 ist derselbe, wie in der konzentrischen Version, wobei Auslassöffnungen 89, 90 bei der Rotation des Motorrings 86 um den ortsfesten, mit Nocken versehenen Schaft 81 bedeckt/verschlossen und Einlassöffnungen 84, 85 freigelegt/geöffnet werden. Der Motorring 86 legt Einlassöffnungen 84, 85 frei bzw. öffnet sie zu den Motorhohlräumen 87, 88, um ein Eintreten von mit Druck beaufschlagtem Fluid zu ermöglichen, was zu einer Expansion der Hohlräume 87, 88 führt. Gleichzeitig öffnet/legt die Bewegung des Motorrings/Gehäuses 86, Auslassöffnungen 82, 83 der Hohlräume 91, 92 frei, was es eingeschlossenen Fluiden ermöglicht, indem unter niedrigem Druck stehenden Bohrerbereich auszutreten. Diese abzuwechselnde Expansion und Kontraktion der Motorhohlräume 83, 87, 91, 92 innerhalb des Motors veranlasst den Motorring/das Gehäuse 86 zu einer Rotation und Kreisbewegung um den ortsfesten, mit Nocken versehenen Schaft 81. Diese exzentrische Gerotor-Version erlaubt es, den Schaft größer zu machen, was dem Motor und der Bohrteilgruppe bei gleichem Außendurchmesser des Gehäuses wie bei der konzentrischen Version eine größere Festigkeit verleiht.
10 ist eine Querschnittsdarstellung eines exzentrischen hydraulischen/pneumatischen Moineau-Motors mit der Konstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung. Dies bedeutet ein unmittelbares Vertauschen der Rollen der Motorelemente, wie sie heutzutage in der Industrie verwendet werden, wobei jedoch die grundlegende Theorie des Betriebs dieselbe bleibt. Hochdruck-Fluide können den Motorbereich über den inneren Schaftkanal 95 umgehen. Mit Druck beaufschlagte Fluide, entweder auf dem Hochdruckniveau der umgeleiteten Fluide, oder gedrosselt, um die Durchflussmengen pro Zeit und die verfügbaren Drücke zu verringern, tritt in alle offenen Hohlräume 97, 98, 99, 100 zwischen dem Gehäuse 96 und dem Schaft 94 ein. Ein Fortschreiten der Bewegung des mit Druck beaufschlagten Fluids entlang des schraubenförmigen Wegs der Motorlänge (nicht dargestellt, jedoch dem Fachmann bekannt) führt zu einer Rotation des Gehäuses 96 um den Schaft 94. Das Gehäuse 96 kann aus einer Edelstahllegierung, rostfreiem Edelstahl, Titan oder anderen Metallen oder sogar aus Verbundwerkstoffen bestehen. Auf der Innenseite kann das Gehäuse 96 zur Abdichtung mit verschiedenen Elastomeren beschichtet sein oder alternativ mit Chrom oder sonstigen Materialen mit einer hohen Widerstandsfähigkeit gegenüber Abrasion beschichtet sein, um eine entsprechende Härte aufzuweisen. Der Schaft 94 kann aus rostfreiem Edelstahl oder einer Edelstahllegierung bestehen und kann mit einem Elastomer beschichtet oder mit Chrom überzogen sein, um die innere Beschichtung des Gehäuses 96 auszugleichen. Es muss auch angemerkt werden, dass die exzentrische Moineau-Version in eine konzentrische Motorversion umgewandelt werden kann, wobei beide der vorliegenden Erfindung folgen, wie den 6 bis 8 für Gerotor-Motoren dargestellt ist. Diese (konzentrischen und exzentrischen) invertierten Versionen der Moineau-Bauweise stellen ideale Motoren für weniger saubere Antriebsfluide dar und können für einen Ausgleich ein Druckkräften in einer Version mit gegenüberstehenden Motoren aufgebaut werden.
11 stellt eine Querschnittsansicht eines konzentrischen hydraulischen/pneumatischen Flügelzellenmotor mit einer Konstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung dar und zeigt Dichtungsverfahren sowohl bezüglich der Flügel, als auch der/des Stange/Zylinders. In der Industrie sind zur Ventilsteuerung und Abdichtung zahlreiche Verfahren bekannt, jedoch werden zu Illustrationszwecken hier lediglich zwei dargestellt. Diese Version eines hydraulischen/pneumatischen Verdrängungsmotors verwendet Stangen/Zylinder 125 und/oder Flügel/Klappen 126 an dem Gehäuse, um zu Dichten und um die Auslassventile 108, 109 zur Außenseite des Motorgehäuses hin zu steuern. In diesen Motorversionen kann jedes der Abdichtverfahren verwendet werden. Jedoch weist jedes Verfahren seine Vorteile und Einschränkungen auf und sollte für eine vorgegebene Anwendung ausgewählt werden. Ein Ventilbetrieb des Ablasses kann auf viele, von den für diese Darstellungen ausgewählten Verfahren unterschiedlichen Verfahren erreicht werden, von denen die meisten die Verwendung von zusätzlichen Stangen/Zylindern und/oder Flügeln/Klappen benötigen, um ein Mischen von Hochdruckfluiden zur Expansion und entspannten Fluiden während der Kontraktion zu vermeiden. Ein derartiges Mischen würde zu einem Verlust in der abgegebenen Leistung und der Effizienz des Motors führen. Hochdruckfluide strömen durch den inneren Kanal 101 des Schaftes 103 sowie die Kanäle 102, 111 in die Motorhohlräume 104, 110. Die Verbindungsöffnungen 102, 111 können zur Begrenzung der einströmenden Fluidmenge pro Zeit und der Drücke in dem Motorbereich entsprechend dimensioniert/gebohrt oder mit Düsen versehen sein. Mit Druck beaufschlagte Fluide treten von den Verbindungskanälen 102, 111 in die Motorhohlräume 104, 110 ein und veranlassen die/den Stange/Zylinder 125 des Gehäuse oder die/der Klappe/Flügel 126 des Gehäuse und die Stangen/Zylinder 105 des Rotors dazu, bezüglich des eintretenden Drucks gegen die gegenüberliegende Wand abzudichten. Der/die Stangen/Zylinder 105 des Rotors umgebende und auf diese wirkende Druck wird zum größten Teil über die Kanäle 116 mit dem einströmenden, unter Druck stehenden Fluid ausgeglichen. Bei einer Rotation des Gehäuses im Uhrzeigersinn drückt das elliptische große Ende des Schaftes/Rotors 103 die/den Stange/Zylinder 125 des Gehäuses und die/der Klappe/Flügel 126 des Gehäuse in ihre entsprechenden Gehäuseaussparungen 106, 107, welche darin untergebrachte Federn enthalten, was zu einem Verschließen der Ventile 108, 109 und einem temporären Trennen der Auslassöffnungen 112, 113 von dem in den Motorhohlraum 104, 110 einströmenden, mit Druck beaufschlagten Fluid führt. Wenn bei einer Rotation des Gehäuses die abdichtenden Gehäuseelemente 125, 126 an den Dichtzylindern 106 des Rotors vorbei rotieren, werden die Auslassventile geöffnet. Für den größten Teil des gesamten Zyklus sind die Auslassöffnungen 112, 113 offen, um Fluide aus den Motorhohlräumen 114, 115 bei deren Kontraktion abzuführen. Beim Einströmen von mit Druck beaufschlagten Fluiden aus den Kanälen 101, 102, 111 in die Motorhohlräume 104, 110 expandieren die Fluide die Hohlräume, indem das Gehäuse 130 im Uhrzeigersinn gedreht wird. Die Klappe 126 und die/der Stange/Zylinder 125 des Gehäuse werden gegen den Schaft gepresst, um eine bewegliche Dichtung zu erzeugen, mit der die mit Druck beaufschlagten Fluide indem sich ausdehnenden Hohlraum eingeschlossen werden. Gleichzeitig werden die Motorhohlräume 114, 115 zu den geöffneten Auslassöffnungen 112, 113 hin geöffnet und diese Hohlräume ziehen sich zusammen. Spezifisch für die exakte Konstruktion des Motors tritt während des Leistungszyklus des Motors ein kurzer "Totpunkt" oder Punkt mit keiner oder geringer Leistung auf, wenn die abdichtenden Elemente aufeinander treffen, was es notwendig macht, dass ein derartiger Motor in einer seriellen Anordnung mit winkelmäßigen Versätzen verwendet werden muss. In dieser Figur sind die Auslassöffnungen zur Außenseite des rotierenden Motorgehäuses 30 hin gerichtet. Alternativ können die Auslassöffnungen innerhalb der Gehäusewand eingeschlossen sein und zum bohrerseitigen Ende hin abgelassen werden, falls die Stärke des Gehäuses vergrößert und innere Kanäle gebohrt werden. Andere Versionen ermöglichen Auslassöffnungen und Kanäle auf/in dem Schaft 103 mit einem Versatz von 90° gegenüber den Einlassöffnungen. Die dichtenden Stangen/Zylinder und Klappen/Flügel können aus einem beliebigen Material, einschließlich rostfreiem Edelstahl, Edelstahllegierungen, Berylliumlegierungen oder sonstigen widerstandsfähigen Materialien bestehen. Bei den Materialen für den Schaft und das Gehäuse kann es sich um die zuvor beschriebenen handeln.
12 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines vereinfachten hydraulischen/pneumatischen Turbinenmotors mit einer Konstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei der dargestellten invertierten Motorkonstruktion eines elektrischen Motors können Hochdruck-Fluid-Volumina den Motorbereich über den inneren Schaftkanal 124 umgehen. Mit Druck beaufschlagte Antriebsfluidvolumina von der (nicht dargestellten) Basis oder von dem inneren Kanal 124 des Schafts 120 in eine (nicht dargestellte) Einlassscheibe eingebrachte Volumina treten über eine Düse oder auf sonstige Weise gedrosselt zum Betreiben/Antreiben des Motors in den gesamten Motorbereich ein. Wie es bei der allgemeinen Konstruktion von Turbinenmotoren üblich ist, sind abwechselnd an dem (nun ortsfesten) Schaft 120 und dem (nun rotierenden) Gehäuse 121 Reihen von Turbinenschaufeln befestigt, wobei jede Reihe bezüglich des axialen Fluidstroms einen entgegengesetzten Anstellwinkel aufweist. Das Umlenken der Strömung durch die jeweilige Reihe von Turbinenschaufeln, abwechselnd zwischen den Rotorturbinenschaufeln 122 und den Gehäuseturbinenschaufeln 123 verursacht einen Impuls und einen Massenaufprall auf die jeweilige Turbinenschaufel, wodurch auf das Motorgehäuse 121 eine/ein Winkelkraft/Drehmoment und eine Bewegung aufgebracht werden. Die Anzahl an Turbinenschaufeln 122, 123 in jeder Reihe und der Anstellwinkel jeder Reihe kann für die jeweilige Anwendung (Drehmoment und Umdrehungsgeschwindigkeit) und die verwendeten Fluide vielfältig abgeändert werden. In dieser Darstellung wurde die Hälfte (4 von 8) der Turbinenschaufeln 122 in der vordersten Reihe, die an dem Schaft 120 befestigt sind, entfernt, um einen Blick auf die nächste Reihe (8 von 8) von Turbinenschaufeln 123, die an dem Gehäuse 121 befestigt sind, zu ermöglichen. Invertierte Motoren, die sich aus in Serie gegenüberstehenden Turbinen bestehen, können für Hochtemperaturanwendungen sowie Anwendungen mit korrosiven Fluiden und einem möglicht geringen Dichtungsaufbau vollständig aus Metall aufgebaut sein.
13 ist eine Querschnittsansicht eines elektrischen Motors mit einer Konstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Fluidstrom durch die (nicht darstellte) Basis und den/die inneren Schaftkanal/-kanäle 132 ermöglicht ein Kühlen der Lager an der Verbindung zwischen Gehäuse und Basis sowie ein Kühlen der Lager und der Spule entlang der Länge des gesamten Motors und des Schafts 131. Das Hochdruckfluid ist im vorliegenden Fall vollständig in der Basis und dem inneren Schaft/Rohr-Kanal 132 enthalten und tritt nicht in den Motorbereich ein, so dass Antriebsfluide beliebiger Art und Qualität verwendet werden können. Der Fluidstrom wird hinter dem Motorbereich weitergeführt, nach unten entlang der Länge des Schaft/Rohr-Kanals 132, bis er zum Strahlungsbohren vor dem Bohrer und/oder Entfernen der Spliter an der Spitze des Bohrgeräts/Bohrmeißel oder zur Reinigung des Bohrlochs verwendet wird. Das mit Druck beaufschlagte Antriebsfluid kann für ein abrasives Strahlbohren auch Festkörper enthalten. Die Spulen (oder äquivalenten Bauteile) 135 des Motors sind an dem Schaft 131 angeordnet und können durch eine elektrische Stromversorgung mit Wechselstrom (AC) oder Gleichstrom (DC) oder gesteuerte/geregelte Versionen beider Stromquellen mit Energie versorgt werden. Die elektrische Leistung kann den Spulen über eine Verbindung an der Basis oder über in inneren Schaftkanälen, die ähnlich oder parallel zu dem Kanal 132 in dem Schaft 131 sind, verlaufende Drähte bereitgestellt werden. Es sollte angemerkt werden, dass die elektrische Verdrahtung und die Fluidströmung nicht in demselben/denselben Schaftkanal/Schaftkanälen stattfinden muss. An dem Motorgehäuse 134 sind (permanente oder sonstige) Magneten 133 befestigt und reagieren auf die mit Energie versorgten Spulen 135 auf dem Schaft 131, wodurch sich ein winkelmäßiges Drehmoment auf das Gehäuse 134 ergibt, was zu einem Antrieb und einer Rotation des Gehäuses 134 und des befestigten/integrierten Bohrgeräts führt.
Obwohl die Herstellung und Verwendung verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung oben detailliert diskutiert werden, sollte anerkannt werden, dass die vorliegende Erfindung erfinderische Konzepte bereitstellt, die in einer Vielzahl von spezifischen Zusammenhängen angewandt werden können. Die hier diskutierten spezifischen Ausführungsformen dienen lediglich zur Illustration einiger spezifischer Arten, auf die die Erfindung hergestellt und verwendet werden kann, und sollen nicht so aufgefasst werden, dass sie den Umfang der vorliegenden Erfindung, wie er in den Ansprüchen definiert ist, beschränken.
Obwohl die Erfindung mit einem gewissen Grad an Genauigkeit beschrieben wurde, ist klar, dass die Details bezüglich des Aufbaus und der Anordnung der Bauteile vielfältig abgewandelt werden können, ohne dass vom Umfang der Ansprüche abgerückt wird. Es ist klar, dass die Erfindung nicht durch die zuvor beispielhaft darstellten Ausführungsformen, sondern nur durch den Umfang der beiliegenden Ansprüche beschränkt ist.
Für den Fachmann ist offensichtlich, dass vielfältige Modifikationen und Variationen bezüglich der Konstruktion, der Anordnung und/oder des Betriebs der vorliegenden Erfindung möglich sind, ohne vom Umfang oder Geist der Erfindung abzurücken. Beispielsweise können in den oben genannten Ausführungsformen die zur Herstellung des jeweiligen Bauteils der Erfindung verwendeten Materialien verändert werden, ohne dass vom Umfang der Ansprüche abgerückt wird. Folglich ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung die Modifikationen und Variationen der Erfindung mit umfasst, vorausgesetzt, dass diese im Rahmen der beiliegenden Ansprüche liegen.

Claims

Invertierter Motor zum Bohren umfassend: • eine Motorbasis (6), die mit einem nicht-rotierenden Schaft (7) in Verbindung steht; • ein rotierbares Motorgehäuse (8); • ein an dem Motorgehäuse (8) befestigtes und/oder als Teil des Motorgehäuses (8) integriertes Bohrgerät (9); • zumindest einen zwischen dem rotierbaren Gehäuse (8) und dem nicht-rotierenden Schaft (7) ausgebildeten und angeordneten Motorhohlraum (12), wobei der nicht-rotierende Schaft (7) den Hohlraum (12) axial durchläuft; • einen in dem Motorhohlraum (12) angeordneten Motor (60); gekennzeichnet durch • wenigstens einen Kanal (11) in dem nicht-rotierenden Schaft (7) mit wenigstens einer Eintrittsöffnung und wenigstens einer Austrittsöffnung.
Motor nach Anspruch 1, wobei der Kanal (11) in dem nicht-rotierenden Schaft (7) im wesentlichen oval ist und den nicht-rotierenden Schaft (7) durchläuft.
Motor nach Anspruch 1, wobei der nicht-rotierende Schaft (7) den inneren Bereich des Gehäuses (8) durchläuft und sich über diesen hinaus erstreckt.
Motor nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Motor (60) um einen hydraulisch betriebenen, einen pneumatisch betriebenen oder einen elektrisch betriebenen Motor handelt.
Motor nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Motor (60) um einen Verdrängungsmotor und/oder einen Turbinenmotor und/oder einen Flügelzellenmotor und/oder einen Rollenzellenmotor handelt.
Motor nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Motor (60) um einen Flügelmotor und/oder einen Moineau-Motor und/oder einen Gerotor-Motor und/oder einen Kolbenmotor handelt.
Motor nach Anspruch 1, weiterhin umfassend die Befestigung der Motorbasis an einem hohlen rohrförmigen Strang (25).
Motor nach Anspruch 1, wobei die Motorbasis (6) eine gewinkelte oder gekrümmte Orientierung aufweist.
Motor nach Anspruch 1, wobei der sich über das Ende des Bohrgeräts (9) erstreckende Bereich des Schaftes (7) eine gewinkelte oder gekrümmte Orientierung aufweist.
Motor nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine Vorrichtung zur Bereitstellung mehrerer Motoren (49, 50) in serieller Anordnung und zur Erleichterung des sequenziellen oder parallelen Verlaufs der Strömung des Antriebsfluids durch jeden Motor (49, 50).
Motor nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine Vorrichtung zum Vorsehen der Installation von Drähten oder Kabeln durch einen zentralen Schaftkanal, wodurch jede/r beliebige/r Motorbereich oder Motorstufe überbrückt wird.
Motor nach Anspruch 10, wobei der Motor zu jedem Motor oder jeder Motorstufe seriell angeordnet ist und diese zueinander winkelmäßig versetzt sind.
Motor nach Anspruch 10, weiterhin umfassend eine Vorrichtung, um die erzeugten axiale Kräfte des Motors über den internen Aufbau gegenüberstehender Motoren im wesentlichen auszugleichen.
Motor nach Anspruch 1, wobei die Rotation entweder im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn erfolgen kann.
Invertierter Motor nach Anspruch 10, wobei das auf den hohlen rohrförmigen Strang (25) übertragene Nettodrehmoment im Wesentlichen ausgeglichen wird.
Invertierter Motor nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine an dem nicht-rotierenden Schaft (7) befestigte, von der Achse weg gerichtete Düse oder Düseneinrichtung.
Invertierter Motor nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem mit Druck beaufschlagten Fluid (10) um ein vorwiegend wasserbasiertes oder ölbasiertes Fluid oder um ein vorwiegend aus einer gasförmigen Mischung bestehendes Fluid handelt.
Verfahren zum Betreiben eines invertierten Motors und zum Rotieren eines Bohrgeräts (9) in einem Bohrloch, umfassend • das Pumpen eines Fluids (10) an eine Basis (6) eines invertierten Motors, wobei der Motor einen zwischen einem rotierbaren Motorgehäuse (8) und einem nicht-rotierenden Schaft (7) angeordneten Motorhohlraum (12) aufweist und wobei ein Bohrgerät (9) an dem Motorgehäuse (8) befestigt oder als Teil des Motorgehäuses (8) integriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass • die Strömung des an die Basis (6) gepumpten Fluids (10) in eine erste Richtung umgeleitet wird, um es dem Fluid (10) zu ermöglichen, in einen innerhalb des nicht-rotierenden Schaftes (7) angeordneten Kanal (11) einzutreten und • das in den Kanal (11) des nicht-rotierenden Schaftes eintretende Fluid (19) über eine Schaftauslassöffnung oder über eine Düse austritt.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass • die Strömung des an die Basis (6) gepumpten Fluids (10) in eine zweite Richtung umgeleitet wird, um es dem Fluid (10) zu ermöglichen, in den zwischen dem rotierbaren Motorgehäuse (8) und dem nicht-rotierenden Schaft (7) angeordneten Motorhohlraum (12) einzutreten, und • das in den Motorhohlraum (12) eintretende Fluid (10) über zumindest eine Strömungskanalauslassöffnung (62) austritt.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, wobei das Fluid (10) über das Leiten des Fluids (10) in den inneren Kanal (11) des nicht-rotierenden Schaftes (7) entweder vollkommen oder teilweise um den Motorhohlraum (12) herumgelenkt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, wobei das Austreten des Fluids (10) an einer Stelle stattfindet, die entlang der Länge des inneren Kanals (11) des Schaftes (7) variabel positioniert werden kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, weiterhin umfassend: • das Rotieren und Kreisen eines rotierbaren Motorgehäuses (8) mit einem an diesem befestigten Bohrgerät (9) umfangseitig um den nicht-rotierenden Schaft (7) während das Fluid (10) den Motorhohlraum (12) durchströmt, und • das Steuern des Eintritts und Austritts des den Motorhohlraum (12) durchströmenden Fluids (10) über ein abwechselndes Öffnen und Schließen von Einlass- und Auslassöffnungen (16, 28) für die Fluidströmung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 22, wobei es sich bei dem Kanal (11) um einen axialen Kanal durch den nicht-rotierenden Schaft (7) handelt und wobei das Fluid (10) axial durch den Schaft (7) den gesamten Motor (60) durchläuft.