DE69504028T2 - Bohrlochmotor für bohrgeräte - Google Patents

Bohrlochmotor für bohrgeräte

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Description

  • Diese Erfindung betrifft einen Bohrmotor, ein Bohrgerät, welches den besagten Bohrmotor einschließt, sowie ein Bohrgestell, welches das besagte Bohrgerät einschließt.
  • Normalerweise werden Bohrlöcher gebohrt, indem man einen Bohrstrang mit einem an der Oberfläche befindlichen Motor dreht. Während diese Technik zum Bohren von vertikalen Bohrungen ganz zufriedenstellend ist, ist sie zum Ablenkbohren ungeeignet, wo es erwünscht sein kann, aus einer vertikalen Bohrung eine nahezu horizontale Zweigbohrung zu bohren. Zu diesem Zweck ist es üblich, einen Bohrmotor zu verwenden, der nahe dem Bohrmeißel angeordnet ist und angetrieben wird, indem man Hydraulik- oder Pneumatik-Fluid von der Oberfläche zum Bohrmotor pumpt.
  • Augenblicklich werden zu diesem Zweck "Moineau"-Motoren verwendet.
  • Eine der Schwierigkeiten bei der Verwendung derartiger Bohrmotoren besteht darin, dass sie bei Temperaturen oberhalb von etwa 120ºC (250ºF) nicht zuverlässig arbeiten und somit zur Verwendung beim Bohren der meisten geothermischen Bohrlöcher oder anderer Bohrlöcher, wo die Umgebungstemperatur 120ºC übersteigt, nicht geeignet sind. Es sind Versuche unternommen worden, Teile von Moineau-Motoren durch Materialien zu ersetzen, die höhere Temperaturen aushalten. Jedoch sind diese Versuche nicht ganz erfolgreich gewesen.
  • Das Ziel von mindestens bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist es, einen Bohrmotor bereitzustellen, der verhältnismäßig zuverlässig ist, insbesondere, aber nicht ausschließlich, wenn er bei Temperaturen über 120ºC arbeitet Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Bohrmotor bereitgestellt, der einen Stator und einen drehbar im Stator montierten Rotor umfasst, bei dem der Stator mit einer Stangenausnehmung und einer Auslassöffnung versehen ist, bei dem der Rotor mit einem Rotorkanal und mindestens einem Kanal zum Hindurchleiten von Treibfluid aus dem Rotorkanal in eine Kammer zwischen dem Rotor und dem Stator versehen ist, und bei dem die Stangenausnehmung mit einer Stange versehen ist, die im Gebrauch eine Dichtung zwischen dem Stator und dem Rotor bildet.
  • Obwohl nicht wesentlich, ist es äußerst wünschenswert, dass der Rotor mit einer Dichtung zum Eingriff mit dem Stator versehen ist.
  • Vorzugsweise ist die Dichtung aus einem Material hergestellt, das aus der aus Kunststoffen, Polyethylenketon, Metall, Kupferlegierungen und nichtrostendem Stahl bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
  • Vorteilhafterweise ist die Stange aus einem Material hergestellt, das aus der aus Kunststoffen, Polyethylenketon, Metall, Kupferlegierungen und nichtrostendem Stahl bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
  • Bevorzugt ist der Stator mit zwei Stangenausnehmungen versehen, die einander gegenüber angeordnet sind, zwei Auslassöffnungen, die einander gegenüber angeordnet sind, wobei jede der Stangenausnehmungen mit einer jeweiligen Stange versehen ist, und der Rotor weist zwei Dichtungen auf, die einander gegenüber angeordnet sind.
  • Gemäß einem anderen Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Bohrgerät bereit, umfassend zwei erfindungsgemäße Gemäß einem anderen Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Bohrgerät bereit, umfassend zwei erfindungsgemäße Bohrmotoren, die mit ihren jeweiligen Rotoren zusammengeschaltet angeordnet sind.
  • Vorzugsweise sind die Bohrmotoren parallel geschaltet, obwohl sie hintereinander geschaltet sein könnten, falls erwünscht.
  • Vorteilhafterweise sind die Bohrmotoren so angeordnet, dass im Gebrauch ein Bohrmotor phasenversetzt zum anderen Bohrmotor arbeitet. So weist bei der bevorzugten Ausführungsform jeder Bohrmotor zwei Kammern auf, und die Kammern im ersten Bohrmotor sind gegenüber den Kammern im zweiten Bohrmotor um 90º phasenversetzt. Bei einer Ausführungsform, bei der jeder Bohrmotor vier Kammern besitzt, wären in ähnlicher Weise die Kammern im ersten Bohrmotor vorzugsweise um 45º gegenüber den Kammern auf dem zweiten Bohrmotor phasenversetzt. Diese Anordnung trägt dazu bei, eine ruhige Leistungsabgabe sicherzustellen und verhindert ein Abwürgen.
  • Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Bohrgestell bereit, das einen mit einem erfindungsgemäßen Bohrgerät versehenen Bohrstrang und ein Bohrlochwerkzeug umfasst, das mit Hilfe des Bohrgeräts drehbar ist.
  • Das Bohrlochwerkzeug wird normalerweise ein Bohrmeißel sein, obwohl es zum Beispiel einen drehbaren Reinigungskopf umfassen könnte. Das Bohrlochwerkzeug könnte auch ein Bohrer sein, der verwendet wird, um im Meeresgrund eine Grube (manchmal als "glory hole" bezeichnet) zum Beherbergen untermeerischer Bohrlochkopfausrüstung auszuheben.
  • Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird nun an Hand eines Beispiels auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen:
  • die Fig. 2A-2D Querschnittsansichten entlang der Linie A-A aus Fig. 1 sind, die den Rotor in vier verschiedenen Positionen zeigen;
  • die Fig. 3A-3D Querschnittsansichten entlang der Linie B-B aus Fig. 1 sind, die den Rotor in vier verschiedenen Positionen zeigen; und
  • Fig. 4 eine Querschnittsansicht eines typischen Lagergehäuses und Bohrmeißels ist.
  • Nunmehr Bezug nehmend auf Fig. 1, ist dort ein Bohrgerät dargestellt, das allgemein durch die Bezugsziffer 10 gekennzeichnet ist. Das Bohrgerät 10 umfasst einen ersten Motor 20 und einen zweiten Motor 50.
  • Der erste Motor 20 umfasst einen Stator 21 und einen Rotor 23. Ein oberer Teil 22 des Rotors 23 erstreckt sich durch eine obere Lagereinheit 24, die ein Axiallager 26 und Dichtungen 25 umfasst.
  • Treibfluid, z. B. Wasser, Bohrspülung oder Gas unter Druck, strömt hinab durch einen mittigen Übergangskanal 12 in einen mittigen Rotorkanal 27 und dann durch Rotorströmungskanäle 28 hinaus in Wirkkammern 31 und 32.
  • Nach einem Arbeitshub des Motors strömt das Treibfluid durch Auslassöffnungen 33 und dann nach unten durch einen an den Stator 21 angrenzenden umlaufenden ringförmigen Kanal und Strömungskanäle 35 in einer unteren Lagereinheit 34. Ein Teil 36 des Rotors 23 erstreckt sich durch die untere Lagereinheit 34, die ein Axiallager 37 und Dichtungen 38 umfasst.
  • Die Enden des Stators 21 sind kronenartig gezahnt, und die Kronenzähne greifen in Ausnehmungen in der jeweiligen oberen Lagereinheit 24 bzw. unteren Lagereinheit 34 ein, um eine Drehung des Stators 21 zu verhindern. Die obere Lagereinheit 24 und die untere Lagereinheit 34 sitzen in einem äußeren röhrenförmigen Element 14 fest und werden durch Druck zwischen Gewindemuffen 16 und 84 drehfest festgehalten.
  • Eine Keilwellenverbindung 39 verbindet ein keilverzahntes Ende des Rotors 23 mit einem keilverzahnten Ende des Rotors 53 des zweiten Motors 50. Der zweite Motor 50 weist einen Stator 51 auf.
  • Ein oberer Teil 52 des Rotors 53 erstreckt sich durch eine obere Lagereinheit 54. Dichtungen 55 sind zwischen der oberen Lagereinheit 54 und der Außenseite des oberen Teils 52 des Rotors 53 angeordnet. Der Rotor 53 bewegt sich auf Axiallagern 56 in Bezug zur oberen Lagereinheit 54.
  • Treibfluid strömt aus dem mittigen Rotorkanal 27 hinab in einen mittigen Rotorkanal 57 und dann hinaus durch Rotorströmungskanäle 58 in Wirkkammern 61 und 62. Nach einem Arbeitshub des Motors strömt das Treibfluid durch Auslassöffnungen 63 und dann nach unten durch einen an den Stator 51 angrenzenden umlaufenden ringförmigen Kanal und Strömungskanäle 65 in einer unteren Lagereinheit 64. Ein Teil 66 des Rotors 53 erstreckt sich durch die untere Lagereinheit 64. Der Rotor 53 bewegt sich auf Axiallagern 67 in Bezug zur unteren Lagereinheit 64, und Dichtungen 68 dichten die Rotor/Lagereinheit-Grenzfläche ab. Auch Treibfluid, das durch die Strömungskanäle 35 in der unteren Lagereinheit 34 geströmt ist, strömt durch Kanäle 79 in der oberen Lagereinheit 54 nach unten, am Stator 51 vorbei und durch die Strömungskanäle 65 in der unteren Lagereinheit 64.
  • Die obere Lagereinheit 54 und die untere Lagereinheit 64 sitzen in einem äußeren röhrenförmigen Element 18 fest und werden durch Druck zwischen einer Gewindemuffe 84 und einer unteren Gewindemuffe (nicht dargestellt) drehfest festgehalten.
  • Ein unterer Übergang ist über ein Gewinde 70 mit dem Stator 51 verschraubt und sorgt für eine Verbindung mit einem Bohrmeißel-Verbindungs-/Lagergehäuse S (Fig. 4) und einem üblichen Bohrmeißel D (Fig. 4). Ein massiver Stopfen oder eine Drossel 78 am unteren Ende des Rotors 53 können verwendet werden, um den Treibfluidstrom zum Bohrmeißel D zu beschränken, und um sicherzustellen, dass eine gewünschte Menge an Treibfluid durch die Motoren hindurchtritt.
  • Die Fig. 2 -2 und 3 -3 zeigen einen typischen Zyklus für den ersten und zweiten Motor 20 und 50 und zeigen den Zustand der beiden Motoren in Bezug zueinander zu verschiedenen Zeitpunkten im Zyklus. Zum Beispiel zeigt Fig. 2 eine Auslassperiode beim ersten Motor 20, während Fig. 3 in diesem selben Augenblick eine Arbeitsperiode beim zweiten Motor 50 zeigt.
  • Wie in Fig. 2 dargestellt, tritt durch die Rotorströmungskanäle 28 strömendes Treibfluid in die Wirkkammern 31 und 32 ein. Aufgrund der Geometrie der Kammern (wie unten erörtert) und der resultierenden Kräfte bewegt das Treibfluid den Rotor im Uhrzeigersinn, wie man in Fig. 2 sieht. Die Wirkammer 31 ist an einem Ende durch eine Drehkolbenstange 71 verschlossen, die gegen eine äußere Oberfläche 72 des Rotors 23 und einen Teil 74 einer Stangenausnehmung 75 anliegt.
  • Am anderen Ende der Wirkkammer 31 liegt eine Dichtung 76 auf einer Nase 77 des Rotors 23 dichtend gegen eine innere Oberfläche des Stators 21 an.
  • Wie in Fig. 2 dargestellt, hat sich der Rotor 23 bis zu einem Punkt nahe dem Ende einer Arbeitsperiode bewegt.
  • Wie in Fig. 2 dargestellt, hat sich der Rotor 23 bis zu einem Punkt nahe dem Ende einer Arbeitsperiode bewegt.
  • Wie in Fig. 2 dargestellt, beginnt an diesem Punkt im Motorzyklus Treibfluid durch die Auslassöffnungen 33 auszutreten.
  • Wie in Fig. 2 dargestellt, haben die Drehkolbenstangen 71 und die Dichtungen 76 die Wirkkammern abgedichtet, und in diese einströmendes Treibfluid dreht den Rotor 23, bis sich die Dichtungen 76 wieder an den Auslassöffnungen 33 vorbeibewegen.
  • Der zweite Motor 50 arbeitet wie der erste Motor 20; jedoch sind die beiden Motoren, wie bevorzugt und wie in den Fig. 3 -3 dargestellt, um 90º phasenversetzt, so dass, wenn ein Motor Treibfluid ausstößt, der andere Arbeit leistet.
  • Die Dichtungen 76 sind, bei einer Ausführungsform, aus Polyethylenketon (PEEK) hergestellt. Die Drehkolbenstangen 71 sind ebenfalls aus PEEK hergestellt. Die Rotoren (23, 25) und Statoren (21, 51) sind vorzugsweise aus korrosionsbeständigen Materialien, wie beispielsweise nichtrostendem Stahl hergestellt
  • Wenn sich eine Dichtung 76 im ersten Motor 20 an einer Auslassöffnung 33 vorbeidreht, tritt das Treibfluid, das die Drehung bewirkte, aus und strömt nach unten durch den Statoradapter 84 (Fig. 1), dann durch die Kanäle 79, an den Auslassöffnungen 63, den Strömungskanälen 65, dem Lagergehäuse S (Fig. 4) vorbei und anschließend zum Bohrmeißel D (Fig. 4). Das gesamte Treibfluid, das in den oberen Übergang 11 eintritt, tritt schließlich zum Bohrmeißel D aus.
  • Bei Versuchen wurde gezeigt, dass ein ähnliches Gerät wie das in Fig. 1 dargestellte Gerät dieselbe Drehleistung entwickelt, wie ein herkömmlicher Moineau-Motor vom ungefähr dreifachen der Länge. Dies ist ein äußerst wichtiger Vorteil beim Arbeiten in einem Ablenkbohrloch.
  • Das Gerät aus Fig. 1 kann als Pumpe verwendet werden, indem man den Bohrmeißel D oder das Gehäuse S entweder manuell oder mechanisch in einer Richtung dreht, die zu derjenigen aus Fig. 2A entgegengesetzt ist; oder indem man einen Drehmechanismus mit dem Rotor 53 verbindet und ihn in einer Richtung dreht, die zu derjenigen aus Fig. 2 entgegengesetzt ist. Wenn sich das Gerät in einem Bohrloch befindet, wird dies erreicht, indem man den Meißel in eine Formation hinein festkeilt, so dass er sich nicht dreht, und dann den röhrenförmigen Strang über dem Gerät aus Fig. 1 dreht.
  • Verschiedene Abwandlungen der beschriebenen Ausführungsform werden ins Auge gefasst; zum Beispiel kann die Dichtung 76 aus anderen beständigen Materialien, wie beispielsweise Kupferlegierungen und Stählen, wie beispielsweise nichtrostendem Stahl bestehen. Nichtrostender Stahl ist besonders brauchbar in Hochtemperatur-Umgebungen und ist bei 500ºF (260ºC) erfolgreich getestet worden. Dies steht im Vergleich zu einer maximalen Betriebstemperatur von 250ºF (121ºC) von herkömmlichen Moineau-Motoren. Während der erste Motor 20 und der zweite Motor 50 als parallel arbeitend dargestellt sind, könnten sie auch in Reihe betrieben werden, falls erwünscht.

Claims (11)

1. Bohrmotor (20), der einen Stator (21) und einen drehbar im Stator (21) montierten Rotor (23) umfaßt, bei dem der Stator (21) mit einer Stangenausnehmung (75) und einer Auslassöffnung (33) versehen ist, bei dem der Rotor (23) mit einem Rotorkanal (27) und mindestens einem Kanal (58) zum Hindurchleiten von Treibfluid aus dem Rotorkanal (27) in eine Kammer (31) zwischen dem Rotor (23) und dem Stator (21) versehen ist, und bei dem die Stangenausnehmung (75) mit einer Stange (71) versehen ist, die im Gebrauch eine Dichtung zwischen dem Stator (21) und dem Rotor (23) bildet.
2. Bohrmotor nach Anspruch 1, bei dem der Rotor (23) mit einer Dichtung (76) zum Eingriff mit dem Stator (21) versehen ist.
3. Bohrmotor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Dichtung (76) aus einem Material hergestellt ist, das aus der aus Kunststoffen, Polyethylenketon, Metall, Kupferlegierungen und nichtrostendem Stahl bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
4. Bohrmotor nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die Stange (71) aus einem Material hergestellt ist, das aus der aus Kunststoffen, Polyethylenketon, Metall, Kupferlegierungen und nichtrostendem Stahl bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
5. Bohrmotor nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, bei dem der Stator (21) versehen ist: mit zwei Stangenausnehmungen (75), die einander gegenüber angeordnet sind, mit zwei Auslassöffnungen (33), die einander gegenüber angeordnet sind, wobei jede der Stangenausnehmungen (75) mit einer jeweiligen Stange (71) versehen ist, und wobei der Rotor (23) zwei Dichtungen (76) aufweist, die einander gegenüber angeordnet sind.
6. Bohrgerät umfassend zwei Bohrmotoren nach einem beliebigen vorangehenden Anspruch, die mit ihren jeweiligen Rotoren (23, 53) zusammengeschaltet angeordnet sind.
7. Bohrgerät nach Anspruch 6, bei dem die Bohrmotoren (20, 50) parallel geschaltet sind.
8. Bohrgerät nach Anspruch 6, bei dem die Bohrmotoren (20, 50) hintereinander geschaltet sind.
9. Bohrgerät nach Anspruch 6, 7 oder 8, bei dem die Bohrmotoren (20, 50) so angeordnet sind, daß im Gebrauch ein Bohrmotor phasenversetzt zum anderen Bohrmotor arbeitet.
10. Bohrgestell umfassend eine Bohrgarnitur, die ein Bohrgerät nach Anspruch 6, 7, 8 oder 9 und ein Bohrlochwerkzeug umfaßt, das mittels des Bohrgeräts drehbar ist.
11. Bohrgestell nach Anspruch 10, bei dem das Bohrlochwerkzeug ein Bohrmeißel ist.
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