DE69026718T2

DE69026718T2 - Vorrichtung zum richten des vorderteils eines bohrrohres

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Publication number: DE69026718T2
Application number: DE69026718T
Authority: DE
Inventors: Van Den Johannes Wilhelm Bergh
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-11-23
Filing date: 1990-11-20
Publication date: 1997-01-09
Anticipated expiration: 2010-11-21
Also published as: AU6897091A; EP0502084A1; CA2067802A1; ATE137304T1; WO1991008370A2; NO304240B1; EP0502084B1; JPH05501593A; HU214731B; HU9201690D0; JP2975681B2; US5452772A; NO921970L; DE69026718D1; DK0502084T3; WO1991008370A3; AU649988B2; NO921970D0

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausrichten und Steuern des vordersten Teils eines Bohrstranges durch Erdbohrungen.
Eine derartige Vorrichtung ist bekannt.
Wenn man bei einer Ausführung der bekannten Vorrichtung weiterbohren muß, um eine von einer vertikalen Bohrung ausgehende seitliche Abzweigung herzustellen, wird der Bohrstrang zunächst aus dem Bohrloch ausgebaut, worauf ein keilförmiges Führungsstück in das Bohrloch hinabgelassen und danach der Bohrstrang wieder in das Bohrloch abgesenkt wird, in welchem das keilförmige Führungsstück den vordersten Teil des Bohrstranges zur Seite ablenkt, so daß das Bohrloch in einer horizontaleren Richtung gebohrt wird, um die seitliche Bahn herzustellen.
Bei einer anderen Ausführungsform der bekannten Vorrichtung wird zur Herstellung einer von der vertikalen Bohrung ausgehenden seitlichen Abzweigung am unteren Ende des Bohrstranges ein Bogenstück eingebaut, welches die Bohrkrone und einen Bohrmotor trägt. Zur Herstellung der seitlichen Abzweigung bohrt die Bohrkrone, wenn sie durch den Bohrmotor und nichtrotierenden Bohrstrang angetrieben wird, seitlich weiter, um die gewünschte seitliche Bahn herzustellen.
Bei einer noch anderen Ausführungsform der bekannten Vorrichtung zur Herbeiführung einer vom vertikalen Bohrloch ausgehenden seitlichen Abweichung werden einer oder mehrere Stabilisatoren angewendet, wodurch das vorderste Teil des Bohrstranges wiederum abgelenkt werden kann.
Bei all diesen Ausführungen der bekannten Vorrichtung ist es immer zur Einfügung des keilförmigen Führungsstückes oder des Bogenstückes am unteren Ende des Bohrstranges oder der Stabilisatoren erforderlich, den gesamten Bohrstrang aus dem Bohrloch auszubauen, dann das keilförmige Führungsstück in das Bohrloch hinabzulassen oder das Bogenstück oder die Stabilisatoren an oder in der Nähe des unteren Endes des Bohrstranges einzubauen.
Dieses wiederholte Ausbauen des Bohrstranges aus dem Bohrloch, um die notwendigen Anordnungen für weiteres vom vertikalen Bohrloch ausgehendes seitliches Bohren zu treffen, ist sehr zeitaufwendig und teuer.
Aus WO-A 8803222 ist eine Vorrichtung zum Ausrichten des vordersten Teils eines Bohrstranges bekannt, die einen von einem Gehäuse umschlossenen Kolben aufweist, in welchem der Kolben zwischen zwei oder mehr Positionen verschiebbar ist und bei welchem der Kolben mit einem Einstellorgan verbunden ist, welches mit einem Gerät zum Steuern des Bohrstranges zusammenwirkt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum Steuern des Bohrstranges vorzuschlagen.
Die Vorrichtung zum Ausrichten und Steuern des vordersten Teils eines Bohrstranges gemäß der Erfindung ist zu diesem Zweck dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben von einer Buchse gebildet ist, die zwischen zwei Endpositionen in einem Gehäuseteil bewegbar ist, welches mit einer Feder versehen ist, die sich an der einen Seite an der Buchse und an der anderen Seite am Gehäuseteil abstützt, und koaxial mit dieser Buchse ein Kolbenteil nach oben und nach unten gleitbar ist und mit einer schwächeren Feder zusammenwirkt, die sich an der einen Seite an der Buchse und an der anderen Seite am Kolbenteil abstützt, und das Kolbenteil mit einer nach innen gerichteten Schulter oder Wölbung versehen ist, die mit wenigstens einer örtlichen Verdickung, die an der Welle angeordnet ist, derart zusammenwirkt, daß durch Vergrößerung des Masseflusses der Bohrflüssigkeit über den Betriebswert der Kolbenteil mit der Schulter in Richtung auf die Verdickung bewegt wird, wo er die Fließöffnung für die Bohrflüssigkeit verringert, wodurch der Schubdruck auf den Kolben vergrößert wird und, nachdem der Kolbenteil an der Buchse zur Anlage gekommen ist, die Gesamtheit von Kolbenteil und Buchse im Gehäuseteil vorwärts gegen eine Federkraft in die Einstellposition zum Verschieben des Einstell- Organs, welches mit der Buchse verbunden ist, bewegt wird.
Durch Steuern des Kolbens init dem Massefluß der Bohrflüssigkeit durch den Bohrstrang können die Führungseinrichtungen am Ende des Bohrstranges von der Erdoberfläche gesteuert werden, wobei es mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung beim Bohren einer von der vertikalen ersten Bohrung ausgehenden seitlichen Abzweigung nicht länger notwendig ist, den gesamten Bohrstrang wieder und wieder aus dem Bohrloch auszubauen.
Gemäß einem anderen Kennzeichen der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist der Kolbenteil init einer Sperrklinke versehen, die in eine erste, an der Buchse befindliche Nut eingreifen kann, die mit Anschlägen versehen ist, die die Bewegungsbahn des Kolbenteiles in bezug auf die Buchse begrenzen.
Gemäß einem weiteren Merkmal ist der Kolbenteil mit einer Sperrklinke versehen, die in eine an der Buchse befindliche Nut eingreifen kann, wobei, in Fließrichtung der Bohrflüssigkeit gesehen, an einer Seite ein Anschlag und an der anderen Seite ein geneigtes Endteil vorhanden sind, über welches die Sperrklinke angehoben werden kann.
Gemäß einem weiteren Kennzeichen der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist, in Fließrichtung der Bohrflüssigkeit gesehen, die erste Nut mit Hilfe eines Zwischenteils oder eingezogenen Teils mit einer weiteren, zweiten Nut verbunden, wobei die Sperrklinke rückwärts aus der ersten Nut gegen die Kraft einer Feder unter Einwirkung einer im Gehäuseteil befindlichen Sperre bewegt werden kann, wodurch die Sperrklinke aus der ersten Nut angehoben werden kann, um über das Zwischen- oder eingezogene Teil zu passieren und anschließend in die zweite Nut fallen zu können.
Bei einer Ausführung der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist, in Fließrichtung der Bohrflüssigkeit gesehen, vor der ersten Sperre eine zweite Sperre vorgesehen, die unter Federkraft von einem Gehäuseteil bis in die Bewegungsbahn der Buchse bewegt werden kann und mit der Sperrklinke zusammenwirkt, um diese gegen ihre Federkraft aus einer Nut in der Buchse herauszubewegen.
Weiterhin können, in Fließrichtung der Bohrflüssigkeit gesehen hinter dem Sperrenpaar ein oder mehrere gleiche und/oder funktionell äquivalente Sperrenpaare vorhanden sein.
Gemäß einem weiteren Kennzeichen ist eine Halteeinrichtung vorhanden, die durch eine Auf- und Abbewegung des Kolbens betätigbar ist, mit wenigstens zwei Endpositionen, die den Endpositionen des Kolbens entsprechen.
Diese Halteeinrichtung kann aus wenigstens einem Paar schalenförmiger Kanäle bestehen, von denen ein Kanal in der äußeren Abdeckung der Buchse angeordnet ist und der andere Kanal in der Oberfläche des die Buchse umgebenden Gehäuseteils oder einer weiteren darin fest angeordneten Buchse angeordnet ist, und beide Kanäle ein Verbindungselement wie eine Kugel umgeben, die in einem tangentialen Kanal durch Federn in eine mittlere Gleichgewichtsposition gedrückt wird, während der andere Kanal die Form einer geschlossenen Schleife aufweist mit wenigstens einer Position für die Kugel, die der Ruheposition des Kolbens entspricht, und mit wenigstens einer Ruheposition für die Kugel, die einer eingestellten Position des Kolbens entspricht, und in welcher die Kugel durch eine Ein- und Aushakbewegung durch eine Auf- und Abbewegung des Kolbens einbzw. ausgebracht werden kann.
Weitere Kennzeichen und besondere Merkmale der Erfindung ergeben sich im folgenden aus der Beschreibung auf der Basis der zeichnungen von Ausführungsbeispielen
Figur 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführung eines Bohrmotors, der mit dem Ende des Bohrstranges verbunden ist,
Figuren 2' bis 2'''' zeigen eine teilweise explodierte Längsperspektivansicht des Verbindungsgehäuses,
Figur 3 zeigt eine Querschnitts- und eine Längsansicht des Einstellorgans,
Figuren 4', 4'', 4A und 4B zeigen eine schematische Darstellung unterschiedlicher bedeutsamer Positionen von Teilen des Einstellsystems,
Figur 5 ist eine schematische Abbildung einer alternativen Ausführung des Einstellsystems, wobei drei verschiedene Positionen dargestellt sind,
Figur 6 zeigt eine vereinfachte Ausführung der Erfindung,
Figur 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung,
Figur 8 und 9 zeigen eine teilweise explodierte Längsperspektivansicht bzw. eine Querschnittsansicht eines Stabilisators,
Figur 10 zeigt eine alternative Ausführung einer Stabilisatorflügel, eines Abdrückglieds und Gehäuses,
Figuren 11 und 12 sind schematische Längsschnittansichten eines Teleskopgehäuses,
Figur 13 ist eine Längsschnittansicht einer Klammer und eines Gehäuses gemäß der Erfindung.
Figur 1 vermittelt ein schematisches Bild einer Ausführung eines Bohrmotors, wie er mit dem Ende des Bohrstranges (1) verbunden ist. An der Seite des Bohrstranges ist ein Stabilisator (2) vor dem unten im Bohrloch befindlichen Motor untergebracht. Der unten im Bohrloch befindliche Motor kann unterteilt werden in das Gehäuse, in welchem der Antriebsmotor (3) untergebracht ist, das Verbindungsgehäuse (4) mit einer festen Biegung (4a), zwischen denen die Verbindungwelle angeordnet ist, die die Welle des Antriebsmotors mit der Welle des Lagergehäuses (5) verbindet. Am Ende des Lagergehäuses ist die Bohrkrone (6) angeordnet. In dem schematischen Beispiel ist ein Stabilisator (7) auch am Lagergehäuse angebracht.
Figur 2 zeigt eine teilweise explodierte Längsperspektivansicht des Verbindungsgehäuses (4), in welchem die Komponenten des Einstellsystems und die anderen Komponenten des Verbindungsgehäuses (4) dargestellt sind, teilweise in Ansicht und teilweise im Längsschnitt.
Das Verbindungsgehäuse (4) ist in zwei Teile unterteilt, nämlich den oberen Gehäuseteil (8) und den unteren Gehäuseteil (9), die eine gelenkige Verbindung haben. Bei dieser Ausführung der Erfindung besteht die Verbindung aus einem Verbindungs- und Kupplungsgelenk, wodurch der obere Gehäuseteil (8) mit einem Einsatzteil (10) versehen ist, welches durch die Gelenkverbindung in den unteren Gehäuseteil (9) eindringt.
Die axialen Druckkräfte werden vom oberen Gehäuseteil (8) durch eine ring- und kugelförmige Oberfläche (11), die an dem oberen Gehäuseteil (8) angeordnet ist, und einer ring- und schalenförmigen Oberfläche (12) am unteren Gehäuseteil (9) auf das untere Gehäuseteil (9) übertragen.
Die axialen Zugkräfte werden vom unteren Gehäuseteil (9) durch einen Ring mit einer kugelförmigen Oberfläche (13) übertragen, der sich an einer ringförmigen Schulter (14) abstützt, die am unteren Gehäuseteil (9) vorgesehen ist, und einem Ring mit schalenförmiger Oberfläche (15), der mit enger Passung am Einsatzteil (10) angebracht ist. Der Ring (15) stützt sich an einem Verriegelungsring (16) ab, der sich an einer Schulter (17) abstützt, die am Einsatzteil (10) vorhanden ist. Falls notwendig, können die Ringe (13, 15 u. 16) gegen Rotation festgelegt und aus Gründen des Zusammenbaus in zwei Teile unterteilt sein, während die Ringe (15 u. 16) mit Verriegelungskanten (18) ineinandergreifen und miteinander verschraubt sind, wodurch die Trennflächen der Ringe (15 u. 16) um 90º zueinander um die axiale Mittellinie des Einsatzteiles (10), die in der Zeichnung nicht dargestellt ist, gedreht sind.
Der untere Gehäuseteil (9) ist an seinem oberen Ende mit einer ring- und kugelförmigen Oberfläche (19) versehen, die sich an einem Ring mit einer schalenförmigen Oberfläche (20) abstützt, die an einem zylindrischen Dichtring (21) angeordnet ist, der um ein eingezogenes Teil (22) des oberen Gehäusetels (8) angeordnet ist.
Die kugel- und schalenförmigen Oberflächen (11, 12, 13, 15, 19 u. 20) haben alle einen gemeinsamen sphärischen Rotationsmittelpunkt und sind mit Nuten (24, 25 u. 26) versehen, in denen Dichtungen angeordnet sind derart, daß Bohrklein der Bohrflüssigkeit nicht in die Gelenkverbindung eindringen kann.
In den Nuten (24, 25, 26) können an der Flüssigkeitsseite auch Abstreifdichtungen eingesetzt sein, um die Dichtungen und die Berührungsoberflächen vor dem Eindringen von Bohrklein zu schützen.
In Einsatzteil (10) sind Kanäle (27) vorgesehen, die mit der Bohrflüssigkeit und dem Inneren der Gelenkverbindung in Verbindung stehen, die innenseitig durch eine mit einer Ausnehmung versehene Dichtmutter (28) verschlossen sind, die mit einer öffnung versehen ist. In den Kanälen sind verschiebbare Stopfen eingesetzt, die es ermöglichen, den Differenzdruck zwischen dem Inneren der Gelenkverbindung und der Bohrflüssigkeit in den Verbindungsgehäuseteilen (8, 9) auszugleichen.
Die Anzahl der Kanäle sind gemäß ihrer Dimensionierung angepaßt, so daß sie eine ausreichende Menge an Schmiermittel zur Kompensation von komprimierten oder in nicht vorhersehbarer Weise beim Zusammenbau eingeschlossenen Luftblasen enthalten. Die Gelenkverbindung ist mit einem Schmiernippel und einer verschließbaren Entlüftungsöffnung versehen, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind.
An der inneren Seite eines zylindrischen Dichtringes (21) ist eine ringförmige Ausnehmung (29) vorgesehen, in welcher in axialer Richtung in bezug auf die Mittellinie des oberen Gehäuseteils (8) ein bewegbarer Dichtring (30) angeordnet ist. Die Ausnehmung (29) ist über enge Kanäle mit der äußeren Umgebung des oberen Gehäuseteils (8) und dem Raum (31) zwischen dem zylindrischen Dichtring (21) und den kugel- und schalenförmigen Gelenkoberflächen (11 u. 12) verbunden, um Differenzdruck an der Dichtung auszugleichen. Die Ausnehmung (29) ist so dimensioniert, daß sie ausreichend Reserveschmiermittel enthält, um Verluste an Schmiernippel durch Leckagen und Kompression von Luftblasen kompensieren zu können, die in unvorhersehbarer Weise nach dem Zusammenbau vorhanden sind. Der zylindrische Dichtring (21) ist mit einem Schmiernippel und einer verschließbaren Entlüftungsöffnung versehen, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind.
Das Einsatzteil (10) erstreckt sich durch die Ringe (13 u. 16) im unteren Gehäuseteil (9) als ein Einsatz-Einstellelement (32). Dieses Einsatz-Einstellelement (32) ist mit zwei parallelen Oberflächen (33) an gegenüberliegenden Seiten am äußeren Umfang versehen, vgl. Fig. 3, die eng an zwei parallelen Oberflächen (34) anliegen, die an Segmenten (35) an der inneren Seite des unteren Gehäuseteils (9) vorgesehen sind. Diese Segmente können auch als feste Teile des unteren Gehäuseteils (9) angeordnet sein.
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt in Höhe des Endes des Einsatz- Einstellelementes (32) und einen Teil der Längsansicht dieses Teiles. Die Segmente (35) sind bei der dargestellten Ausführung als lose Komponenten vorhanden, die in Drehrichtung gegen Drehung gegenüber der Mittellinie des unteren Gehäuseteils (9) durch ringförmige Keile (36) gesichert sind, die in halbkreisförmigen Nuten in den Segmenten (35) und der inneren Seite des unteren Gehäuseteils (9) parallel zur Mittellinie des unteren Gehäuseteils (9) vorhanden sind. Die parallelen Oberflächen (33 u. 34) dienen zur übertragung eines großen Drehmomentes von einem Gehäuseteil zum anderen, wobei sie beiden Gehäuseteilen (8, 9) Gelenkigkeit zueinander lediglich in einer Ebene ermöglichen.
Senkrecht zu den parallen Oberflächen (33 u. 34), vgl. Fig. 2, sind einander gegenüberliegende Einstelloberflächen (37) am äußeren Umfang des Einsatz-Einstellelementes (32) vorgesehen, die unter einem Winkel in bezug auf die Mittellinie des Einstellelementes (32) verlaufen. An diesen Oberflächen liegen Einstellelemente oder Führungen (38). an, die an einander gegenüberliegenden Seiten an der inneren Oberfläche des unteren Gehäuseteils (9) oder des Einsatzteiles der zweiten Buchse (45) abgestützt sind. In der Querschnittsdarstellung der Fig. 3 sind die Einstelloberflächen (37) und die Oberflächen des unteren Gehäuseteus (9) oder der zweiten Buchse (45), an denen sich die Einstellelemente abstützen, segment-kreisförmig ausgebildet.
Durch Verschieben des Einstellelementes (38) in bezug auf das Einsatz-Einstellelement (37) wird der obere Gehäuseteil (8) gelenkig um den Rotationsmittelpunkt (23) gegenüber dem unteren Gehäuseteil (9) verschoben.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführung gemäß der Erfindung ist eine Lösung mittels der geteilten Unterbringung der Übertragungsbereiche für große axiale Druckkräfte, axiale Zugkräfte und Drehmomente von einem Gehäuseteil zum anderen errreicht, durch welche es möglich ist, eine schwere Verbindungswelle (39) durch das gelenkige gebogene Gehäuse zu führen, während zusätzlich ein ausreichend großer ringförmiger Fließbereich (40) für die Bohrflüssigkeit realisiert werden kann.
Durch Verwendung eines Schraubgewindemotors kann gemäß der Erfindung die versetzte exzentrische taumelnde Rotation der Verbindungswelle in bezug auf das betreffende Gehäuseteil auch in dem Fall untergebracht werden, wenn der einstellbare Bogen in dem Verbindungsgehäuse oder zwischen zwei Antriebsmotorabschnitten angeordnet ist.
Gemäß der in Figur 2 dargestellten Ausführung der Erfindung ist ein Einstellsystem gemäß der Erfindung in dem unteren Gehäuseteil (9) gezeigt, welches aus den folgenden zusammenwirkenden Hauptkomponenten besteht:
- Die Verbindungswelle (39), an welcher Verdickungen (41 u. 42) angeordnet sind,
- ein Schubkörper in Form eines Kolbenteiles (43), welches die Verbindungswelle (39) umgibt,
- eine Buchse (44), die den Kolbenteil (43) umgibt und mit welchem die Einstellelemente (38), die mit den geneigten Einstelloberflächen (37) an dem Einsatz-Einstellelement (32) zusammenwirken, verbunden sind,
- eine zweite Buchse (45), welche die Buchse (44) umgibt.
Der Kolbenteil (43) ist mit einer ringförmigen Fließöffnung versehen, durch welche die Verbindungswelle (39) hindurchgeht und die das Vorhandensein eines ausreichend großen Fließkanals (40) zwischen Verbindungswelle (39) und umgebendem Kolben (43, 44) ermöglicht. Die innere Oberfläche des Kolbens (43, 44) ist profiliert derart, daß eine Einziehung (47) im Fließkanal vorhanden ist, die als hydraulischer Widerstand wirkt. Der Kolbenteil (43) ist mit einer weichen Feder (48) versehen, die entgegen der Fließrichtung wirkt und in der Buchse (44) gehalten ist.
Die Buchse (44) ist mit einer starken Feder (49) versehen, die entgegen der Fließrichtung wirkt und im unteren Teil des unteren Gehäuseteils (9) gehalten ist. Die zweite Buchse (45) ist im unteren Gehäuseteil (9) gegen Rotation gesichert und dient vor allem einer Vereinfachung der Herstellung und des Zusammenbaus wie auch zum Verriegeln der Segmente (35). Die Festlegung in axialer Richtung, vgl. Fig. 2, wird in der gezeigten Anordnung durch das Einsetzen von Kugeln (53) in tangentialen Nuten (54) am inneren Umfang des unteren Gehäuseteils (8) und am äußeren Umfang der zweiten Buchse (45) bewirkt.
In der zweiten Buchse (45) ist ein feststehendes Sperrglied (58) untergebracht, welches in eine Nut (59) eingreift, die an der Buchse (44) angebracht ist, wie auch ein federbeaufschlagtes Sperrglied (60), welches der Nut (56) angepaßt ist.
Der Fig. 4 ist entnehmbar, daß gemäß der Erfindung eine Anzahl von durch eine Feder (52) beaufschlagte Sperrklinken (51) im Kolbenteil (43) eingesetzt sind, die sich in den Nuten (55 u. 56) und über die Oberfläche (55A) der Buchse (44), die dazwischen angeordnet ist, verschieben können. Der Gehäuseteil (43) ist gegen Rotation in bezug auf die Buchse (44) durch eine Stift-Nut-Verbindung gesichert, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist.
Fig. 3 zeigt die mit der Buchse (44) verbundenen Einstellelemente (38), die außenseitig an den Segmenten (35) und den Einsatzteilen der zweiten Buchse (45) anliegen, wodurch die Einstellelemente (38) in Rotationsrichtung festgelegt sind.
Am äußeren Umfang der Buchse (44) ist eine Anzahl von geschlossenen schleifenbildenden Nuten (61) mit einem verformten herzförmigen Muster vorhanden. Am inneren Umfang der zweiten Buchse (45) sind tangentiale Nuten (62) vorhanden (Fig. 2).
Die beiden Buchsen (44, 45) sind miteinander unter Verwendung von Kugeln (63) verbunden, von denen ein Teil in der Nut (61) und der andere Teil in der Nut (62) angeordnet ist. Die Kugeln (63) sind durch Federn (64 u. 65) an beiden Seiten druckbeaufschlagt, die in den tangentialen Nuten (62) untergebracht sind. Die neutralen Feder-Belastungslinien (66) sind zwischen den Punkten a und d angeordnet, wie dies in Fig. 4' gezeigt ist.
In Fig. 4 ist ein schematischer Überblick über verschiedene wichtige Positionen von Teilen des Einstellsystems in bezug auf den unteren Gehäuseteil (9) und diese zweite Buchse (45) gegeben. Die Arbeitsweise des Systems wird mit Hilfe von Positionen, die verschiedene Arbeitsphasen begrenzen, erläutert.

Erste Aktivierungsphase vor dem Einstellen

In der Ausgangsposition ist das System in Position 1. Der Kolbenteil (43) liegt am Anschlag (67) der Buchse (44) an. Die Sperrklinke (51) ist in ihrer vorgeschobenen Position am Anfang der Nut (55) in stromaufwärtiger Richtung, während die Einziehung (47) in einer Position in einigem Abstand von der ersten Verdickung (41) der Verbindungswelle angeordnet ist. Die weiche Feder (48) ist bemessen, dimensioniert und mit Vorspannung eingesetzt derart, daß durch eine kleine Änderung im Massefluß in bezug auf den erforderlichen maximalen Betriebsmassefluß der Kolbenteil (43) in Richtung des Flusses eine Verschiebung erfährt, von Position 1 zu Position 2.

Einstellphase

In Position 2 liegt die Sperrklinke (51) an der Anschlagkante (68) in der Nut (55) an, so daß in Fließrichtung der Kolbenteil (43) in bezug auf die Buchse verriegelt ist. Die eingezogene Öffnung des Kolbenteils (43) befindet sich nun in einer Höhe nahe dem Anfang der ersten Verdickung (41) der Verbindungswelle, so daß als Folge der Verengung des Fließkanals (40) die Schubkraft auf den Kolbenteil (43) eine Vergrößerung erfährt. Der Kolbenteil (43) und die Buchse (44) werden zusammen unter zunehmender Kraft in Fließrichtung gegen die Wirkung der starken Feder (49) in die Position (3) bewegt.
Die Kugel (63) hat eine entsprechende Bewegung in der geschlossenen Nut von der Position a in die Position b erfahren. Die mit der Buchse (44) verbundenen Einstellelemente (38) werden durch die auf die Buchse (44) übertragende Schubkraft in bezug auf das Einsatz-Einstellelement (32) verschoben, Fig. 2, unter Vergrößerung, in Abhängigkeit von dem Winkel der Neigung der Einstelloberflächen (37), von Einstellkraft zu Haltekraft, die senkrecht zur axialen Welle des unteren Gehäuseteils (9) auf das Einstellelement (32) ausgeübt wird. Der obere Gehäuseteil (8) und der untere Gehäuseteil (9) sind jetzt zueinander unter dem jeweiligen Haltewinkel gelenkig miteinander verbunden.

Verriegelungphase

Durch die kombinierte Vorwärtsverschiebung des Kolbenteils (43) und der Buchse (44) wird die Sperrklinke (51) in Position (3) durch das feststehende Sperrglied (58) angehoben und der Kolbenteil (43) von der Buchse (44) entriegelt. Da die Kraft der stärkeren Trägerfeder (49) auf die Buchse (44) einwirkt und nahezu keine hydraulische Kraft, wird sie gegen die Fließrichtung in die Position (4) bewegt, wodurch die Kugel (63) in der Nut (61) von der Position b in die Position c verschoben wird und die Buchse (44) in der stromaufwärtigen Richtung in bezug auf den Gehäuseteil (9) und die zweiten Buchse (45) verriegelt wird.

Verriegelungsposition - Signalphase

Im Augenblick des Lösens der Verbindung zwischen Kolbenteil (43) und Buchse (44) wirken eine hydraulische Kraft und eine entgegengerichtete kleine Kraft der Feder (48) auf den Kolbenteil (43) aufgrund der Position der Einziehung (47) in bezug auf das Ende der ersten Verdickung (41) an der Welle ein. Dies hat zur Folge, daß der Kolbenteil (43) eine schnelle Verschiebung stromabwärts in eine Gleichgewichtsposition 5 erfährt, in welcher die hydraulische Kraft sich im Gleichgewicht mit der Kraft der weichen Feder (48) befindet. Die Sperrklinke (51) ist während dieser Phase in der Nut (56) eingelassen. Aufgrund der relativ schnellen Verschiebung der Einziehung (47) von einer Position mit einem kleinen Fließkanal in eine mit einem viel größeren Fließkanal erfährt der Druck der Bohrflüssigkeit einen großen feststellbaren Druckabfall oder Impuls.

Massefluß - Rückstellphase

Nach Feststellung des Druckabfalls oder Impulses kann der Massefluß der Bohrflüssigkeit wieder auf den ursprünglichen Betriebs-Massefluß eingestellt werden. Der Kolbenteil (43) erfährt dann eine Verschiebung in die Position 6, bis das Sperrglied die Anschlagkante (69) erreicht.

Zweite Aktivierungsphase zum Entriegeln

Zum Entriegeln des Einstellmechanismus' wird der Massefluß um einen relativ kleinen Wert in positiver Weise geändert, wodurch die Schubkraft auf dem Kolbenteil (43) wieder zunimmt, bis diese Kraft größer wird als die Kraft der weichen Feder (48). Der Kolbenteil (43) bewegt sich dann in die Position 7, wo die Sperrklinke (51) die Anschlagkante (70) der Nut (56) erreicht.

Entriegelungsphase

Da die Einziehung (47) nunmehr nahe der zweiten Verdickung (42) der Verbindungswelle (39) positioniert ist, wird eine viel größere Schubkraft wieder auf den Kolbenteil (43) zur Einwirkung gebracht, wodurch der Kolbenteil (43) und die Buchse (44) gemeinsam in die Position (8) verschoben werden, wodurch die Kugel (63) von der Position c in die Position d bewegt wird und den Kolben (43) und die Buchse (44) gegen weitere Bewegung stromabwärts blockiert. Der Mechanismus befindet sich dann in der entriegelten Position in Richtung stromaufwärts.

Rückstellphase

Durch Verringern des Masseflusses auf Null oder auf einen reduzierten Wert erfahren der Kolbenteil (43) und die Buchse (44) eine Verschiebung stromaufwärts, während die zusammenwirkenden Einstellelemente (38) die Position beider Gehäuseteile in die ursprüngliche Position unter der Einwirkung der starken Feder (49) wiederherstellen.
Während dieser Phase können zwei Fälle eintreten:
A. Einer, bei welchem die Rückwärtsbewegung des Kolbenteiles (43) die der Buchse (44) übersteigt und der Kolbenteil (43) sich schneller rückwärts bewegt als die Buchse. In Position 9 wird die Sperrklinke (51) durch das feststehende Sperrglied (58) angehoben und fällt in die Nut (55) zurück.
B. Einer, bei welchem das Gegenteil der Fall ist und die Sperrklinke (51) in der Nut (56) bleibt und nur in die Position 10 angehoben wird, wenn die Buchse (44) wieder in der Ausgangsposition ist, und das federbeaufschlagte Sperrglied (60) nur dann in der ausgeschobenen Position (10) ist. Die Kugel (63) erfährt in dieser Phase eine Verschiebung von der Position d in die Position e und in der Folge zurück in die Position a.
In Fig. 4a ist die Bewegung der Sperrklinke (51) in bezug auf die Nuten (55, 56) in der Buchse (44) wiedergegeben in der Aufeinanderfolge der oben beschriebenen Phasen. In Fig. 4b ist die Bewegung des federbeaufschlagten Sperrgliedes (60) in bezug auf die Buchse (44) dargestellt in der Aufeinanderfolge der erörterten Phasen.
Die Nut (55) weist eine geringere Breite auf als die Nut (56) und die Nut (59) weist eine geringere Breite auf als Nut (55). Das federbeaufschlagte Sperrglied (60), welches die Breite der Nut (56) hat, kann lediglich in der Ausgangsposition der Buchse (44) in der Nut (56) in der zurückgeschobenen Position sein, wodurch dieses Sperrglied die verbleibenden Funktionen des Einstellsystems nicht beeinträchtigen kann. Nut (55) und Nut (56) können auch die gleiche Breite haben. Das federbeaufschlagte Sperrglied oder die federbeaufschlagten Sperrglieder (60) paßt/passen in verschiedene Ausführungen in Ausnehmung(en), die in der Buchse (44) vorhanden sind.
Das Einsatz-Einstellelementl (32) und die Einstellelemente (38) sind mit Endflächen (72 u. 73) einer bestimmten Länge versehen, die zueinander parallel an dem Punkt sind, an welchem sie ihre Halteposition erreichen. Wie in Fig. 3 dargestellt, haben die Einstellelemente (38) im Querschnitt eine segmentierte kreisförmige Oberfläche, so daß eine erhebliche Oberfläche verfügbar ist, um die Einstellelemente (32 u. 38) und damit die Gehäuseteile (8 u. 9) gegeneinander in den Haltepositionen zuverlässig zu fixieren. Beim Verriegeln bewegen sich die Einstellelemente (38) über eine kurze Wegstrecke rückwärts; die Endflächen (73) am Einstellelement (32) ermöglichen dies durch eine entsprechende Erstreckung. Der Sperrklinken-Mechanismus im Kolbenteil (43) mit zusammenwirkenden Nuten und Sperrelementen und der Verriegelungsmechanismus der Nuten und Kugeln sind im Querschnitt unter einem Winkel zueinander angeordnet. Die Anzahl dieser Mechanismen kann in Abhängigkeit von der Ausführung eins oder mehr betragen.
In Fig. 2, die die Ausführung der Erfindung zeigt, ist das einstellbare Bogenstück in den Gehäuseteilen (8 u. 9) untergebracht, d. h., an der Motorseite. Dies hat zur Folge, daß, wenn der Antriebsmotor als Schraubgewindemotor ausgebildet ist, man nicht nur den Versatz und die nicht zentrisch rotierende Verbindungswelle (39) berücksichtigen muß, sondern auch die Taumelbewegung, die von der Motorwelle während der Rotation ausgeführt wird. Wenn das einstellbare Stück zwischen zwei Segmenten des Antriebsmotor-Gehäuses untergebracht ist, rotiert die Verbindungswelle auch mit einem exzentrischen Taumeln.
Da in dem einstellbaren Bogenstück im Vergleich mit festen Bogenstücken (4a) Komponenten vorgesehen sind, die den Rotationsraum der Verbindungswelle (39) weiter begrenzen, können die gegenwärtig üblicherweise verwendeten flexiblen Kupplungen des Tulpentyps bei dieser Erfindung nicht verwendet werden, da sie Spiel haben und sehr starkem Verschleiß unterliegen und aus diesem Grunde als Folge der Tatsache, daß die Welle gegen die inneren Komponenten des Gehäuseteils schlägt, sehr bald zerstört werden können, welche Tatsache einer der Zielsetzungen dieser Erfindung nicht entspricht. Die Erfindung ist darauf gerichtet, auch dieses Problem durch Anwendung einer vollständig neuen Art einer flexiblen Kupplung (74) wirksam zu lösen. Diese besteht aus einem Teil (75) mit äußerer Zahnung (81a) und einem Teil (76) mit innerer Zahnung (81b). Diese sind in Fig. 2 gezeigt.
Eine Gelenkoberfläche (77) am Teil (75), welches in der dargestellten Ausführung Teil der Verbindungswelle (39) ist, die hier über eine Schraubverbindung verbunden ist, und eine Gelenkoberfläche (78) am Teil (76), welcher mit der Tragwelle (76a) verbunden ist, liegen für die Übertragung der großen axialen Schubkraft aneinander an, welche die Motorwelle auf die Verbindungswelle (39) ausübt, wenn ein Schraubgewindemotor angewandt wird. Zur Erzielung einer Abdichtung gegen Bohrklein zwischen den beiden Teilen (75 u. 76) an der Außenseite ist ein Ring (79) am Teil (75) und ein Ring (80) um ein eingezogenes Teil des Teiles (76) angebracht, die mit Nuten mit elastisch verformbaren Dichtringen und/oder Abstreiffedern versehen sind. Die Oberflächen der Zahnungen, die aneinander anliegen, die Gelenkflächen und die Flächen der Ringe, die aneinander anliegen, sind so ausgeführt, daß sie alle einen gemeinsamen sphärischen Rotationsmittelpunkt (81) aufweisen. Im Teil (75) sind Kanäle (82) vorgesehen, die bewegbare Stopfen (82a) enthalten, die mit der Bohrflüssigkeitsseite und dem Innenraum der Kupplung verbunden sind. An der Flüssigkeitsseite ist die Öffnung mit einer mit einer Ausnehmung versehenen Verschlußmutter (83) mit einer Verbindungöffnung versehen.
In der Zeichnung sind ein Schmiernippel und eine verschließbare Entlüftungsöffnung nicht dargestellt. Die Kanäle (82) mit den bewegbaren Stopfen dienen zur Kompensation von Differenzdruck an beiden Seiten der Dichtringe, Ausgleich für das Zusammendrücken von Luftblasen für den Fall, daß diese in unvorhergesehener Weise nach dem Füllen während des Zusammenbaus vorhanden sind, und zum Ausgleich für Leckverluste.
In Fig. 5 ist eine andere Ausführung gemäß der Erfindung gezeigt, in welcher der Winkel des Bogenstückes in zwei Schritten eingestellt werden kann.
Dazu sind die Oberflächen (37), vgl. auch Fig. 2, an dem Einsatzteil (32) des oberen Gehäuseteils (8) mit Stufen (85, 86) ausgebildet, an denen die Einstellelemente (38) anliegen. Neben den Sperrgliedern (58 u. 60) und den Sperrklinken (51), wie in den Figuren 2 und 5 gezeigt, sind zusätzliche feste Sperrglieder (88) und federbeaufschlagte Sperrglieder (87) vorgesehen. Das federbeaufschlagte Sperrglied (87) kann nur dann in der ausgeschobenen Position sein, wenn die Verbindungskugel (63) sich in Position 9 befindet und die Einstellelemente in der zweiten Halteposition 14.
An der Außenseite der Buchse (44) sind, wie in Fig. 2 gezeigt, die Nuten (61) mit ähnlichen Nuten (84) verlängert, Fig. 5, und die tangentialen Nuten (62) an der Innenseite der zweiten umgebenden Buchse (45) sind beibehalten, zwischen denen federbeaufschlagte Verbindungskugeln positioniert sind, in beiden Nutseiten.
Mit diesem Einstellsystem kann man über den ersten Schritt wie vorstehend mit Bezug auf die Ausführung der Figur 2 beschrieben, wie beschrieben in Fig. 4, oder in Analogie damit, verstellen, weiterverstellt zum zweiten Schritt, so daß der Gelenkwinkel beider Gehäuseteile (8 u. 9) der Fig. 2 in zwei Schritten eingestellt werden kann.
In Fig. 5 sind nur drei Hauptpositionen gezeigt, nämlich die Stelle, Position 1, die der Position 1 der Fig. 4 entspricht,
die Stelle, Position 6, die der eingestellten Situation, Position 7, der Fig. 4 entspricht,
die Stelle, Position 14, in welcher das Einsteilsystem beide Gehäuseteile (8 u. 9) über den zweiten Winkel eingestellt hat und die Betriebsbedingung wiederhergestellt ist.
Die Art der Wirkungsweise bzgl. des zweiten Schrittes wird erläutert werden, wobei die Einstellung über den ersten Schritt durchgeführt worden ist wie in Fig. 4 beschrieben bis zur und einschließlich der Position 6.

Aktivierungsphase zum Einstellen des zweiten Hubes

Der Betriebs-Massefluß wird um einen relativ kleinen Wert vergrößert derart, daß der Schubdruck auf den Kolbenteil (43) größer wird als die entgegengesetzte Kraft der weichen Feder (48). Der Kolbenteil (43) erfährt als Konsequenz eine Bewegung stromabwärts in bezug auf die Buchse (44) derart, daß die eingerastete Sperrklinke (51) die Anschlagkante (70) der Nut (56) erreicht gemäß Position 7 der Fig. 4.

Einstellphase für den zweiten Hub

Da am Ende der vorangehenden Phase, Position 7, der Kolbenteil (43) stromabwärts in bezug auf die Buchse (44) durch die Sperrklinke (51) verriegelt ist und da die Einziehung (47) nahe dem Anfang der zweiten Verdickung (42) an der Welle positioniert ist, wird der Schubdruck auf den Kolbenteil (43) größer und der Kolbenteil (43) und die Buchse (44) bewegen sich zusammen stromabwärts bis zur Position 11. Die Verbindungskugel (63) erfährt dabei eine Verschiebung von c nach f.
Die mit der Buchse (44) verbundenen Einstellelemte (38) erfahren dadurch in bezug auf die zweite geneigte Oberfläche (85) an dem Einstellelement (32) unter Vergrößerung der Einstellkraft zur Haltekraft eine Verschiebung. Beide Gehäuseteile (8 u. 9) sind dabei unter dem zweiten Einstellwinkel gelenkig miteinander verbunden.

Verriegelungsphase zweiter Hub

Mit der kombinierten Vorwärtsbewegung des Kolbenteils (43) und der Buchse (44) wird die Sperrklinke (51) durch das sperrglied (87) aus der Nut (56) angehoben und der Kolben wird von der Buchse (44) entriegelt, Position 11. Unter der Einwirkung der starken Stützfeder (49) bewegt sich die Buchse (44) rückwärts in die Position (12) (in der Figur nicht gezeigt), wodurch die Verbindungskugel von f nach g verschoben wird und die Buchse (44) in Richtung stromaufwärts in bezug auf die zweite Buchse (45) und das untere Gehäuseteil (9) verriegelt ist.

Verriegelungsposition Sipnalphase des zweiten Hubes

Im Augenblick des Entriegelns des Kolbenteils (43) in bezug auf die Buchse (44), Position 11, wird noch ein starker Schubdruck auf das Kolbenteil (43) ausgeübt, da die Einziehung am Ende der zweiten Verdickung (42) an der Welle angeordnet ist. Der Kolbenteil (43) erfährt schnell eine Verschiebung stromabwärts zur Position 13, einer Gleichgewichtsposition zwischen Schubdruck und Gegendruck der Feder (48) oder Grenzposition 13, wodurch ein schneller, gut feststellbarer Druckabfall in der Bohrflüssigkeit eintritt.

Massefluß-Rückstellphase nach zweitem Hub

Nach Feststellung des negativen Druckabfalls ist der Massefluß erheblich verringert, wodurch der Kolbenteil (43) in bezug auf die Buchse (44) stromaufwärts eine Verschiebung erfährt. Die Sperrklinke (51) fällt in die Nut (56) zurück und wird in Position 14 durch das federbeaufschlagte Sperrglied (87) angehoben, welches nur dann in der ausgeschobenen Position sein kann, wenn die Verbindungskugel (63) sich in Position g befindet. Der Kolbenteil (43) bewegt sich dann weiter stromaufwärts, wobei die Sperrklinke (51) zurück in die Nut (55) fällt und den Anschlag (50) in Position 14 erreicht und eine weitere Verschiebung des Kolbenteiles (43) blockiert. Der Massefluß ist dann wieder auf den ursprünglichen Betriebs-Massefluß zurückgeführt.

Aktivierungsiphase für die zweite Entriegelung

Der Massefluß wird um eine relativ kleine Menge in bezug auf den Betriebs-Massefluß vergrößert. Der Kolbenteil (43) bewegt sich, bis das sich in die Nut (50) erstreckende Sperrglied (51) den Anschlag (68) erreicht. Die Einziehung (47) ist dann in der Position 16 nahe dem Niveau positioniert, in welchem die zweite Verdickung (42) beginnt.

Entriegelungsphase des zweiten Hubes

Da die Einziehung (47) auf dem Niveau des Anfangs der zweiten Verdickung (42) positioniert ist, wird der Schubdruck größer und der Kolbenteil (43) und die Buchse (44) erfahren zusammen eine Verschiebung stromabwärts, bis die Verbindungskugel (63) sich von der Position g in die Position h bewegt hat. Der Einstellmechanismus ist dann in entriegeltem Zustand, Position 17, und die Verbindungskugel in Position h.

Rückstellphase nach dem zweiten Hub

Durch ein erhebliche Reduzierung des Masseflusses bewegen sich der Kolbenteil (43) und die Buchse (44) zusammen an die Ausgangsstelle, Position 1, unter dem Einfluß der Einstellkraft der starken Feder (48), wodurch die zusammenwirkenden Einstellorgane (38 u. 32) die Rückstellung beider Gehäuseteile in die Ausgangsposition, Position 1, bewirken.
In Fig. 6 ist eine vereinfachte Ausführung der Erfindung dargestellt. Diese ist gekennzeichnet durch eine Nut (89) mit einer Anhebekante (90) für eine Sperrklinke und keine Sperrglieder. In der Ausgangsposition ist der Kolbenteil (43) einen Hub weiter stromaufwärts angeordnet als beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 gezeigt.
An der Außenseite der Buchse (44) und an der Innenseite der zweiten Buchse (45) oder an der Innenseite des Gehäuseteils (9) sind zwei derartige gleiche Nuten mit einer zweiseitigen federbeaufschlagten Verbindungskugel, wie in den Figuren 2 und 4 dargestellt, vorgesehen.
Durch Aktivierung erfährt zunächst die Einziehung (47) des Kolbenteiles (43) eine Verschiebung, bis die Sperrklinke (51) an der Anschlagkante (91) anliegt, worauf der Kolbenteil (43) wie auch die Buchse (44) weiter stromabwärts verschoben werden, bis die Verbindungskugel (63) b erreicht, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist, wo eine weitere Verschiebung aufhört.
Durch Verringerung des Masseflusses erfährt die Buchse (44) eine rückwärtige Verschiebung, bis die Kugel (63) c erreicht, Position 2, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist, und der Kolbenteil (43) sich weiter rückwärts bewegt, wobei die Sperrklinke (51) durch die geneigte Kante (90) angehoben wird, bevor der Kolbenteil (43) gegen die Anschlagkante (67) stößt. Das Einstellelement (38) ist dann in der gestrichelten Position 2 positioniert. Der Bewegungsweg der Sperrklinke ist in Fig. 6 dargestellt.
Zum Entriegeln wird der Kolbenteil (43) wieder aktiviert; dieser erfährt eine Verschiebung stomabwärts, bis die Sperrklinke (51) , nachdem sie zuerst in die Nut (89) heruntergelassen worden ist, die Anschlagkante (91) erreicht, worauf der Kolbenteil (43) wie auch die Buchse (44) zusammen sich stromabwärts bewegen, bis die Kugel (63) d der Fig. 4 erreicht. Durch Verringerung des Masseflusses erfahren Kolbenteil (43) und Buchse (44) eine Bewegung stromaufwärts Die Buchse (44) verschiebt sich hierdurch, bis die Kugel (63) e der Fig. 4 erreicht und der Kolbenteil (43) sich weiter rückwärts bewegt, wobei die Sperrklinke (51) durch die geneigte Kante (90) angehoben wird, bevor der Kolbenteil (43) gegen die Anschlagkante (67) stößt. Der abwärts und aufwärts gerichtete Verlauf der Bewegung der Sperrklinke ist in Fig. 6 dargestellt.
In Fig. 7 ist eine weitere Ausführung der Erfindung dargestellt. Bei dieser Ausführung ist eine kugel- oder walzenförmige Sperrklinke (92) in einer Ausnehmung (98) im Kolbenteil (43) untergebracht, welche die federbeaufschlagte Sperrklinke ersetzt, die in der Ausgangsposition an der stromaufwärtigen Seite (93) einer Nut (94) in der Buchse (44) angeordnet ist, während stromabwärts in bezug auf dies in der zweiten Buchse (45) oder dem Gehäuseteil (9) eine Ausnehmung (95) vorgesehen ist. Im Gegensatz zu der vorangegangenen Ausführung ist eine geschlossene Nut (96) am äußeren Umfang des Kolbenteils (43) vorhanden, in Analogie mit der vorhergehenden Ausführung, wobei an der Innenseite der Buchse (44) eine Verbindungskugel oder ein Verbindungsstift (63) vorhanden ist, die bzw. der teilweise auch in die Nut (96) eingreift. Dies ist in der Figur nicht dargestellt. Die Nut (96) kann eine geschlossene Zickzackform über ihren gesamten Umfang aufweisen, wobei die Verriegelungspositionen der In- und Aus-Hakenform entsprechen.
Durch Aktivierung erfährt der Kolbenteil (43) eine Verschiebung stromabwärts, bis die Sperrklinke (92) die Anschlagkante (97) der Nut (94) erreicht, worauf der Kolbenteil (43) und die Buchse (44) zusammen sich stromabwärts bewegen, wodurch die Gehäuseteile (8 u. 9) gegeneinander verschwenken. Wenn die Sperrklinke (92) die Ausnehmung (95) erreicht, bewegt sich die Sperrklinke (92) dann aufgrund einer geneigten stromaufwärtigen Fläche (93) in der Ausnehmung (97) in diese Ausnehmung (95) hinein, wodurch die Buchse (44) in bezug auf die zweite Buchse (45) und oder den Gehäuseteil (9) verriegelt wird.
Da die Einziehung (47) noch am Ende der Verdickung (41) positioniert ist, wird sie sich unter dem Einfluß des Schubdrucks anfänglich durchaus schnell und später sich verlangsamend in ihre Endposition bewegen. Die Kugel (63) ist dann von a nach b in der Nut verschoben worden (Fig. 2). Durch Verringerung des Masseflusses auf den Betriebs-Massefluß bewegt sich der Kolbenteil (43) stromaufwärts, bis die Kugel (63) in c positioniert und der Kolbenteil (43) dann in bezug auf die Buchse (44) in dieser Position verriegelt ist, wie auch die Position beider Gehäuseteile (8, 9) gegeneinander.
Zur Wiederherstellung der Position beider Gehäuseteile (8 u. 9) in bezug zueinander wird der Kolbenteil (43) wieder aktiviert, wodurch er stromabwärts verschoben wird, bis die Kugel (63) in c der Fig. 7 positioniert ist. Nach Verringerung des Masseflusses bewegt sich der Kolbenteil (43) stromaufwärts. In dem Moment, in welchem die Ausnehmung (98) im Kolbenteil (43) über der Ausnehmung (95) in der Buchse (44) angeordnet ist, verschiebt sich die Sperrklinke (92) aus der Ausnehmung (95) aufgrund der geneigten Oberfläche der Ausnehmung (95) in die Ausnehmung (98), wodurch die Buchse (44) entriegelt und der Kolbenteil (43) wie auch die Buchse (44) sich rückwärts in die Ausgangsposition unter der Einwirkung der Federkräfte bewegen und beide Gehäuseteile (8 u. 9) in bezug aufeinander in ihre Ausgangsposition eingestellt werden.
Durch die Aufwärts- und Abwärtsbewegung rotiert der Kolbenteil (43) nach oben und nach unten um seine axiale Mittellinie in Abhängigkeit von der Breite des Musters der Nut (96). Am Ende der Positionen a, b, c und d ist die Nut (96) mit kurzen Fortsätzen ausgeführt derart, daß durch die Rückwärtsbewegung der Kolbenteil (43) gezwungen wird, etwas zu rotieren, so daß die Kugel (63) als Ergebnis der Reibung, die gegen die Rotationsrichtung wirkt, in den richtigen Weg gezwungen wird.
In bezug auf die verschiedenen Ausführungen kann das Einstellsystem in Abhängigkeit von den jeweiligen Erfordernissen und von der Position des einstellbaren Bogenstückes auch stromaufwärts in bezug auf das einstellbare Bogenstück angeordnet sein. Die Anordnung der Komponenten des Einstellsystems in bezug zueinander wird dann entsprechend angepaßt und die axialen Druckfedern können durch zwei oder mehr Zugfedern ersetzt werden. Ausführungen, bei denen ein Einstellsystem mit zwei Bogenstücken zusammenwirkt, können ebenfalls vorteilhaft sein.
Wenn ein einstellbares Bogenstück mit Einstellsystem oberhalb des Antriebsmotors angeordnet ist, kann die Motorwelle an der Oberseite verlängert sein oder eine feststehende Welle kann in diesem Teil angewandt werden.
Bei einer weiteren Ausführung gemäß der Erfindung sind in dem Einstellsystem ein Drucksensor, eine Dekodiereinheit, eine Stromquelle und ein Schaltkreis, welcher einen Verriegelungsmechanismus unter Spannung setzen kann, eingebaut. Dadurch kann das Aktivierungssystem blockiert werden, so daß es nicht aktiviert wird, wenn dies nicht gewünscht ist. Der dadurch ereichbare Vorteil besteht darin, daß das Aktivierungssystem für seine Funktion nicht von einem Wert oberhalb des Betriebs- Masseflusses abhängig ist, so daß keine Grenze vorgesehen zu sein braucht. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführung besteht darin, daß, wenn mehr als ein einstellbares Stück vorhanden ist, die Einsteilsysteme jedes Stückes unabhängig voneinander aktiviert werden können. Die Stromquellen können z. B. in der Verdickung der Kolben, an der Einziehung oder in axial verdickten Schultern im Kolben eingebaut sein.
Die Fig. 8 und 9 erläutern ein Ausführungsbeispiel einer teilweise explodierten perspektivischen Längsansicht und eines Querschnittes eines Stabilisators, der in einem Bohrstrang eingebaut ist, in welchen die Komponenten des Einstellsystems und andere Komponenten dieses Stabilisators teilweise im Längsschnitt und teilweise im Querschnitt gesehen werden können.
Das Stabilisatorgehäuse (100) ist mit Stabilisatorflügeln (101) versehen, die radial in zwei Positionen einstellbar sind, mit denen Einstellelemente (102, 32) verbunden sind, die an einem Einstellelement (103, 38) anliegen, welches in axialer Richtung mit stufenförmigen Einstellflächen (104) versehen ist. Mehr einstellbare Positionen können ohne weiteres vorgesehen sein. Durch Verschieben des Einstellelementes (103, 38) in der Fließrichtung werden die Einstellelemente (102, 32) und die Stabilisatorflügel (101) radial nach außen bewegt durch den geneigten Teil der Einstellflächen (104) gegen die Kraft der Feder (105), bis sie in der zweiten eingestellten Position positioniert sind. Durch Verschieben des Einstellelementes (103, 38) in der stromaufwärtigen Richtung bewegen sich die Stabilisatorflügel (101) und die Einstellelemente (102, 32) unter der Einwirkung der Feder (105) zurück in die ursprüngliche erste Halteposition. Die Verschiebung begrenzende Platten (107) und Anschlagkanten (108) verhindern, daß die Stabilisatorflügel das Gehäuse verlassen.
Das Beispiel zeigt, daß das Einsteilsystem in einem langgestreckten Gehäuseteile (109) eingebaut ist. Die Welle (110, 39) mit Verdickungen ist lose in bezug auf das Stabilisatorgehäuse eingebaut und wird von Ringen, die mit Armen (11) versehen sind, radial in der zweiten umgebenden Buchse des Einstellelementes (103, 38) und radial und axial im Einstellelement (103, 38) abgestützt Der stromabwärtige Stützring (111) wird axial im langgestreckten Teil (115) des Gehäuseteils (109) abgestützt Die starke Feder (106, 49) ist zwischen einer Verriegelungskante (113) der Buchse (44) und den Armen des stromaufwärts liegenden Stützringes (111) verriegelt.
Ausführungen, bei denen die Stabilisatorflügel sich achsensymmetrisch erstrecken, können auf einfache Weise untergebracht werden, indem die Einstellflächen (104) des Einstellelementes (103, 38) daran angepaßt werden, wobei Stabilisatorflügel auch an einer Seite eingebaut sein können. Stabilisatoren, die mit nur an einer Seite angeordneten Stabilisatorflügeln versehen sind, können auch benutzt werden, um die Bohrkrone durch Kraft zu steuern, beispielsweise in harten geologischen Formationen, zum Umgehen einer Störung oder um Kurzradius-Bohrlöcher zu bohren. Die Vorrichtung ist zwischen der Biegung und der Bohrkrone eingebaut und dient als Abdrückglied (116) (Schuh) und das Einstellsystem kann im Bedarfsfall im Einstellsystem des einstellbaren Bogengehäuses integriert sein.
In Fig. 10 ist als Beispiel eine andere Ausführung eines Stabilisatorflügels, Abdrückgliedes (160) und seines Gehäuses und den übrigen Komponenten im Schema dargestellt. Das Abdrückglied (116) ist dabei um ein stromabwärts gelegenes Sperrglied (117) schwenkbar. Eine Hebelschwinge (118, 32) verschwenkt das Abdrückglied (116) nach außen mittels eines Hebelschwingenarmes (119), wenn dieser sich im Uhrzeigersinn dreht. Bei Rotation im entgegengesetzten Sinn schwenkt das Abdrückglied (116) unter dem Einfluß der Feder (138) in sein Gehäuse (120) zurück. Die Rotation der Hebelschwinge wird durch das Einstellelement (121, 138) bewirkt, an dessen Außenseite eine Nut mit einer festen Schulter oder eine Schaltklinke (122) angeordnet ist. Durch die Verschiebung des Einstellelementes (121, 38) stromabwärts gelangt die Schaltklinke (122) in eine Ausnehmung (123) in der Hebelschwinge (118, 32), wodurch die Hebelschwinge (118, 32) rotiert wird. Durch die stromaufwärts gerichtete Bewegung des Einstellelementes (121, 38) wird eine umgekehrte Drehung durch den Einsteilmechanismus bewirkt.
In Fig. 11 ist ein schematischer Halb-Längsschnitt einer Ausführung mit zwei nach innen und nach außen teleskopartig verschiebbaren Gehäuseteilen (124 u. 125) gemäß der Erfindung dargestellt und mit zwei Einstellängen. Zur Erläuterung wird von der Hauptausführung eines Einstellsystems wie in Fig. 6 dargestellt ausgegangen, wobei vorausgesetzt ist, daß federbeaufschlagte Sperrglieder (126, 60) eingebaut sind, um die Sperrklinke (127, 51) nahe der ausgestreckten Position anzuheben, während der Verriegelungsmechanismus zwischen beiden Rohrteilen (124, 44 u. 125) nicht dargestellt ist. Im Einstellsystem ist keine starke Feder (49) eingebaut, da die Teleskopbewegung des Strangteils (124, 44) erfolgen kann, indem einfach die Bohrkrone auf den Boden gesetzt und ein gewisser Druck aufgebracht wird.
In Fig. 12 ist im Schema ein Halb-Längsschnitt der Ausführung gezeigt, bei welcher ein Keil (128) und eine Keilnut (129) vorhanden sind, um das Drehmoment von einem zum anderen Hauptstrangteil (124, 125) zu übertragen. In den Figuren 11 und 12 ist erkennbar, daß die Welle (39) mit Verdickung (41) in den Strangteilen durch Ringe abgestützt ist, die mit Armen (130) versehen sind, die die Welle radial in den Strangteilen (124 u. 125) abstützen, wodurch der stromabwärts gelegene im Strangteil (124, 44) gleiten kann und der stromaufwärts gelegene axial gehalten wird in bezug auf das Strangteil (125) mittels zweier federnd eingebauter Halteringe (131 u. 132).
In Fig. 13 ist ein Halb-Längsschnitt einer Ausführung einer Klemmvorrichtung (133) (Haken), ihres eigenen Gehäuses (136) und der übrigen Komponenten dargestellt. Wenn das Einstellelement (124, 38), auch Strangteil in den Figuren 11 und 12, sich in bezug auf das Strangteil (125) stromabwärts bewegt, wird das Einstellelement (134, 32) nach innen gegen die stufenweise ausgeführte Einstellfläche (135) bewegt, wobei die Klemmvorrichtung (133) aus ihrem Gehäuse (136) unter der Einwirkung der Kraft der Feder (137) herausschwenkt. Die Verschiebung erfolgt in umgekehrter Richtung durch eine Einwärts-Teleskopbewegung beider Strangteile.
Die Teleskop-Ausführung kann für folgende Anwendungen verwendet werden. Die Verlängerung des Rohrstrangs zwischen der Bohrkrone und dem Stabilisator, der in einer gewissen Entfernung davon stromaufwärts angeordnet ist, um die Länge des Bohrstranges zu ändern, um das Steuern der Bohrrichtung abzustimmen, wozu das System mit einem Verriegelungsmechanismus mit einer oder mehreren Positionen versehen ist. Die Erhöhung des Bohrkronendruckes nahe dem Ende des Bohrstranges bei sehr langen Bohrlöchern und Abzweigbohren in Abhängigkeit von der verfügbaren Abdrückkraft gegen den Bohrstrang, kann ein Klauenmechanismus angewandt werden, der das stromaufwärts gelegene Teil stufenweise an der Wandung befestigt. Zur Bereitstellung einer Vorrichtung, wodurch der Bohrstrang unabhängig sich vorbewegen kann. Dabei ist eine starke Feder in der Vorrichtung eingebaut und jedes Strangteil mit einem Hakensystem versehen derart, daß das Bohrsystem sich unabhängig vorwärts bewegt durch Steuerung des Masseflusses (Raupensystem).

Claims

1. Vorrichtung zum Ausrichten und Steuern des vordersten Teiles eines Bohrstranges durch Erdbohrungen mit einem Kolben (43) (44), der von einem Gehäuse eingeschlossen ist und unter Steuern des Masseflusses der Bohrflüssigkeit zwischen zwei oder mehr Endpositionen bewegbar und mit wenigstens einem Einstellorgan verbunden ist, welches mit einer Einrichtung zum Steuern des Endes des Bohrstranges zusammenwirkt, und weiterhin mit einer zentralen Öffnung für das Passieren der Bohrflüssigkeit und der Welle (39) des Motors der Bohrkrone oder des Motorrotors versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (43) (44) von einer Buchse (44) gebildet ist, die zwischen zwei Endpositionen in einem Gehäuseteil bewegbar ist, welches mit einer Feder (49) versehen ist, die sich an der einen Seite an der Buchse (44) und an der anderen Seite am Gehäuseteil abstützt, und koaxial mit dieser Buchse (44) ein Kolbenteil (43) nach oben und nach unten gleitbar ist und mit einer schwächeren Feder (48) zusammenwirkt, die sich an der einen Seite an der Buchse (44) und an der anderen Seite am Kolbenteil (43) abstützt, und das Kolbenteil (43) mit einer nach innen gerichteten Schulter oder Wölbung versehen ist, welche mit wenigstens einer örtlichen Verdickung (41), die an der Welle (39) angeordnet ist, derart zusammenwirkt, daß durch Vergrößerung des Masseflusses der Bohrflüssigkeit über den Betriebswert der Kolbenteil (43) mit der Schulter (37) in Richtung auf die Verdickung (41) bewegt wird, wo er die Fließöffnung für die Bohrflüssigkeit verringert, wodurch der Schubdruck auf den Kolben (43) (44) vergrößert wird und, nachdem der Kolbenteil (43) an der Buchse (44) zur Anlage gekommen ist, die Gesamtheit von Kolbenteil (43) und Buchse (44) im Gehäuseteil vorwärts gegen eine Federkaft (49) in die Einstellposition zum Verschieben des Einstellorgans (38), welches mit der Buchse (44) verbunden ist, bewegt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenteil (43) mit einer Sperrklinke (51) versehen ist, die in eine erste, an der Buchse (44) befindlichen Nut (55) eingreifen kann, die mit Anschlägen (50) (68) versehen ist, die die Bewegungsbahn des Kolbenteiles (43) in bezug auf die Buchse (44) begrenzen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenteil (43) mit einer Sperrklinke (51) versehen ist, die in eine an der Buchse (44) befindliche Nut (89) eingreifen kann, wobei, in Fließrichtung der Bohrflüssigkeit gesehen, an einer Seite ein Anschlag (91) und an der anderen Seite ein geneigtes Endteil (90) vorhanden sind, über welche die Sperrklinke (51) angehoben werden kann.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß, in Fließrichtung der Bohrflüssigkeit gesehen, die erste Nut (55) mit Hilfe eines Zwischenteils oder eingezogenen Teiles (55A) mit einer weiteren, zweiten Nut (56) verbunden ist, wobei die Sperrklinke (51) rückwärts aus der ersten Nut (55) gegen die Kraft einer Feder (52) unter Einwirkung einer im Gehäuseteil befindllichen Sperre (58) bewegt werden kann, wodurch die Sperrklinke (51) aus der ersten Nut (55) angehoben werden kann, um über das Zwischen- oder eingezogene Teil (55A) zu passieren und anschließend in die zweite Nut (56) fallen zu können.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß, in Fließrichtung der Bohrflüssigkeit gesehen, vor der ersten Sperre (58) eine zweite Sperre (60) vorgesehen ist, die unter Federkraft (60a) von einem Gehäuseteil bis in die Bewegungsbahn der Buchse (44) bewegt werden kann und mit der Sperrklinke (51) zusammenwirkt, um diese gegen ihre Federkraft (52) aus einer Nut (55) (56) in der Buchse (44) herauszubewegen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß, in Fließrichtung der Bohrflüssigkeit gesehen, hinter dem Paar Sperren (58) (60) ein oder mehrere gleiche und/oder funktionell equivalente Paare von Sperren (87) (88) vorhanden sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Halteinrichtung vorhanden ist, die durch eine Auf- und Abbewegung des Kolbens (43) (44) betätigbar ist, mit wenigstens zwei Endpositionen, die den Endpositionen des Kolbens (43) (44) entsprechen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteeinrichtung mit wenigstens einem Paar schalenförmiger Kanäle (61) (62) versehen ist, von denen ein Kanal (61) in der äußeren Abdeckung der Buchse (44) angeordnet ist und der andere Kanal (62) in der Oberfläche des die Buchse (44) umgebenden Gehäuseteils (9) oder einer weiteren darin fest angeordneten Buchse (45) angeordnet ist, und beide Kanäle ein Verbindungselement wie eine Kugel (63) umgeben, die in einem tangentialen Kanal (62) durch Federn (64) (65) in eine mittlere Gleichgewichtsposition (66) gedrückt wird, während der andere Kanal die Form einer geschlossenen Schleife (61) aufweist mit wenigstens einer Position für die Kugel (63), die der Ruheposition des Kolbens (43) (44) entspricht, und mit wenigstens einer Ruheposition für die Kugel (63), die einer eingestellten Position des Kolbens (43) (44) entspricht, und in welcher die Kugel (63) durch eine Ein- und Aushakbewegung durch eine Auf- und Abbewegung des Kolbens (43) (44) ein- bzw. ausgebracht werden kann.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die geschlossene Schleife (61) nahe der Ruheposition für die Kugel, die einer eingestellten Position des Kolbens entspricht, einen zick-zack-förmigen Verlauf aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gelenkverbindung beider Gehäuseteile (8) (9) mit kugel- und schalenförmigen Gleitflächen (11) (12) ausgeführt ist und weiterhin diese Gleitflächen durch segmentförmige Elemente (35) begrenzt sind, wodurch die Verbindung nur in einer einzigen Ebene schwenken kann.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (39) an beiden Seiten durch flexible Kupplungen (74) mit dem Antriebsmotor (3) bzw. der Bohrkrone (6) verbunden ist.

12. Vorrichtung nach Anspuch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung (74) mit einem Teil mit einer Innenverzahnung (80a) und mit einem Teil mit einer Außenverzahnung (80b) ausgeführt ist und die Verzahnungen (80a) (80b) zuzsammenwirken und die Kupplung ferner mit kugel- und schalenförmigen Gelenkflächen versehen ist.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem oder mehreren der Konstruktionsteil(e) der Vorrichtung, über welchen Druckdifferenzen auftreten können, Differenzdruck ausgleichende Einrichtungen in Form von ununterbrochenen Bohrungen, in denen Stopfen aufund abbewegbar sind, vorgesehen sind.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Einstellsystem ein Druckimpulssensor, eine Dekodiereinheit, eine Stromquelle und ein Stromkreis, der einen Schließmechanismus speisen kann, eingebaut sind.