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Meißelantrieb für Tiefbohrungen Beim drehenden, mit Spülung arbeitenden
Tiefbohrverfahren ist man, um die besonders bei tiefen Bohrlöchern auftretenden
erheblichen Nachteile des von der Erdoberfläche aus erfolgenden Bohrmeißelantriebes
zu vermeiden, dazu übergegangen, diesen Antrieb durch eine unmittelbar über dem
Meißel oder dessen Schwerstange befindliche treibende Kraftmaschine zu ersetzen.
Man hat dabei vorgeschlagen, die ohnehin vorhandene Spülung unmittelbar zum Antrieb
des Meißels zu benutzen und zu diesem Zwecke eine von dieser Spülung beaufschlagte
Francisturbine verwendet, die entweder unmittelbar oder über ein Vorgelege die Drehung
des Meißels bewirkt, jedoch besitzt auch diese Antriebsart erhebliche Nachteile.
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So wird es z. B. als Mangel empfunden, daß die an den Schaufeln solcher
Turbinen mit hoher Geschwindigkeit entlang strömende, durch Sand' usw. verunreinigte
Spülung einen schnellen Schaufelverschleiß herbeiführt. Ferner ist es nachteilig,
daß der bei Francisturbinen zwischen Rotor und Stator befindliche Spalt zu erheblichen
Leistungsverlusten führt, die sich bei engem Spalt infolge der in der Spülung enthaltenen
festen Teile in Verklemmungen und bei weitem Spalt in um so größerem Leistungsabfall
auswirken. Schließlich beeinträchtigt auch die infolge des kleinen zur Verfügung
stehenden Bohrlochdurchmessers zur Abgabe der notwendigen Leistung erforderliche
große Länge solcher Turbinen deren Anwendung insofern, als sie erhebliche Gewichte
und hohe Gestehungskosten bedingen. Trotz dieser erheblichen Längen ist es bisher
auch nicht möglich gewesen, derartige Turbinen mit der nötigen Leistung in einem
weniger als zo3/g" betragenden Durchmesser herzustellen. Selbstverständlich ist
aber ein solcher Durchmesser für die gerade in großen Tiefen anzuwendende Turbinenbohrung
viel zu groß, da Rohre von derartiger Weite dem in diesen Tiefen vorherrschenden
Außendruck
von einigen hundert Atmosphären nicht gewachsen sind.
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Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, diese vorgekennzeichnetan Nachteile
bei Meißelantrieben für Tiefbohrungen, die die Energie des Spülungsstromes zur Erzielung
der Meißeldrehung benutzen, zu vermeiden. Sie löst diese Aufgabe dadurch, daß die
Umwandlung der Spülungsdruckenergie in Bewegungsenergie in einer einzigen, aus einer
ohne Spaltverluste arbeitenden Turbine bestehenden Stufe erfolgt, in der die durch
von außen nach innen und entgegen der Fliehkraft erfolgende Flüssigkeitsführung
erzeugte abgebremste Bewegungsenergie zur Druckausübung auf die Zellen des umlaufenden
Turbinengehäuses verwendet wird, das den Meißel über geeignete Antriebselemente
in Drehung versetzt.
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Dabei besteht die Turbine zweckmäßig im wesentlichen aus einer mit
einem axialen Zulaufrohr verbundenen festen Scheibe mit am Umfang verteilten tangentialen
Düsen und einem diese Scheibe umhüllenden, mit radialen Schaufeln versehenen Gehäuse
mit Abschlußdeckel, dessen als Welle dienendes Ablaufrohr den Antrieb des Meißels
mittels eines Ritzels über ein Zahnradgetriebe vermittelt.
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Weitere Merkmale der Erfindung beziehen sich auf Konstruktionseinzelheiten
des Antriebes und insbesondere auch darauf, daß sowohl die Turbine als auch deren
nachgeschaltetes Getriebe in einem gegenüber der benachbarten Spülung einen geringen
Überdruck aufweisenden Ölbad laufen, wodurch ein sicheres und verschleißfreies Arbeiten
des Antriebes erzielt wird.
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Mit diesen erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen wird ein besonders
leichter und billiger Meißelantrieb geschaffen, der infolge des Fehlens gekrümmter
Schaufeln, an denen der Spülstrom mit großer Geschwindigkeit entlang fließen müßte,
jeglichen bedeutenderen Schaufelverschleiß ausschließt, und der wegen der Vermeidung
jeglichen Spaltes, durch den die Spülung unter Umgehung der Schaufeln zum Meißel
gelangen könnte, natürlich auch die damit zusammenhängenden Verluste ausschaltet.
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An Hand der Zeichnung, die in Fig. i einen Längsschnitt durch den
Meißelantrieb und in den Fig. 2 bis 5 mehrere Querschnitte durch diesen Antrieb
zeigt, sei dessen Bauart und Wirkungsweise näher erläutert.
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In einem druckfesten Gehäuse i mit zur Aufnahme von Schwerstangen
bzw. Gestängen dienendem Gewinde versehenen Kopfteil e befindet sich ein mit diesem
und einer Platte 3 fest verbundenes axiales Zulaufrohr 4 für die ebenfalls feststehende
Scheibe 5, die am Umfange mit tangentialen Düsen versehen ist. Diese Scheibe 5 wird
von dem bei 6 drehbar gelagerten, mit einem Deckel 7 versehenen Turbinengehäuse
8 umhüllt, das zwischen seiner Wandung und einer Platte 9 die senkrechten Schaufeln
io aufweist. Das Turbinengehäuse 8 ist nach unten zu einem Rohr i i ausgezogen,
welches ein Ritzel 12 trägt, das mit den um Bolzen 13 drehbaren Rädern 14 im Eingriff
steht. Diese Räder 14 kämmen ihrerseits in der Innenverzahnung einer Glocke 15,
die bei 16 gelagert ist und an ihrem rohrartigen Ende 17 mit auf die Räder 18 treibender
Außenverzahnung versehen ist. Auch diese um Bolzen 13 drehbaren Räder 18 kämmen
in einer Innenverzahnung ihrer zugeordneten, im Lager 19 drehbaren Glocke 2o, die
in einem Schaft 21 den Bohrmeißel 22 mit seinen zum Austritt der Spülung dienenden
Öffnungen 23 aufnimmt. Selbstverständlich kann der Schaft 21 aber auch mit Gewinde
zur Aufnahme von Schwerstangen oder Gestängen versehen sein.
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Durch die Abschlußwand 3 wird im Gehäuseoberteil eine Kammer 24 gebildet,
in der ein Ausgleichrohr 25 angeordnet ist. Diese Kammer 24 ist in ihrem unteren
Teile mit aus einer Öffnung 26 des Rohres 4 zwecks Druckausgleiches austretender
Spülung gefüllt. Diese Spülung trägt infolge ihres spezifisch schwereren Gewichtes
eine im Oberteil der Kammer 24 befindliche Ölschicht. Im übrigen liegen alle drehbaren
Teile des Antriebes in einem Ölbade, so daß infolge des Druckausgleiches zwischen
diesem Ölbad und dem Spülstrom gegenüber der außerhalb des Gehäuses i befindlichen
Spülung stets ein geringer Überdruck herrscht.
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Die Arbeitsweise des Meißelantriebes ist wie folgt Vor Inbetriebnahme
wird das Innere des Gehäuses i durch eine dicht verschließbare, nicht gezeichnete
Öffnung mit Schmieröl gefüllt. Dann wird der Meißel 22 im Schaft 21 und eine Schwerstange
im Kopfteil 2 befestigt. Nach durch stufenweises Anschrauben des Bohrgestänges erfolgtem
Einbau des Antriebes wird das Einpumpen der Spülung vorgenommen. Letztere tritt
durch das Kopfteil 2 und das Rohr 4 zur Scheibe 5 hin und strömt aus deren Düsen
mit sehr hoher Geschwindigkeit in tangentialer Richtung in das Innere des drehbaren
Turbinengehäuses 8, in dem ein schneller, im Uhrzeigersinn kreisender Wirbel entsteht.
Die nachdrängende Spülung preßt diesen Wirbel schließlich zwischen die senkrechten
Schaufeln 1o, wo die Bewegungsenergie der Spülung in Form eines Stoßes abgegeben
und das Gehäuse 8 dadurch in Drehung versetzt wird. Infolgedessen treibt das Ritze112
über die Räder 14 und die Glocke 15 auf die Räder 18 und die Glocke 2o, und damit
auf den Meißel 22, der nun natürlich viel langsamer als das Turbinengehäuse 8 umläuft.
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Je schneller dieses Turbinengehäuse 8 dreht, d. h. je mehr sich seine
Drehgeschwindigkeit derjenigen des Wirbels in seinem Inneren nähert, um so geringer
wird die Stoßwirkung der Spülung. Die normale Arbeitsdrehzahl des Meißels 22 ist
erreicht, wenn Gehäuse 8 und Wirbel gleiche Drehgeschwindigkeit besitzen. Die notwendige
Leistung wird dadurch erzielt, daß die Spülung zwischen den senkrechten Schaufeln
1o verhältnismäßig langsam von außen nach innen fließt. Da die kinetische Energie
bekanntlich proportional der Maße und dem Quadrat der Geschwindigkeit ist, letztere
aber in der Drehrichtung für alle Teile des Turbinengehäuses 8 und die darin befindliche
Flüssigkeit dem Abstand vom Mittelpunkt verhältnisgleich ist, so folgt hieraus,
daß die Energie der auslaufenden Spülung nur noch den hundertsten Teil derjenigen
der Spülung im Wirbel beträgt, sofern das Abflußrohr 1i des Turbinengehäuses 8 den
zehnten Teil von dessen Innendurchmesser besitzt. Abgesehen von durch Reibung usw.
entstehenden Verlusten betragen also die rein hydraulischen Verluste des Antriebes
nur 1°/o. Natürlich wird dessen Wirkungsgrad durch unvermeidliche Wirbel, ferner
durch das Ölbad und sonstige Faktoren bedeutend herabgesetzt, er genügt aber für
den Betrieb des
Meißels 22 vollauf. Durch Verkleinerung der Düsen
bei konstanter Spülungsmenge erhöht sich selbstverständlich der Druck und damit
die abgegebene Energie.
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Die aus der Turbine 5 bis io austretende Spülung gelangt schließlich
in den Meißel 22, tritt bei der Öffnung 23 aus diesem aus und gelangt dann außerhalb
des Gehäuses i und des Gestänges wieder bis über Tage. Sind durch die im Antrieb
angeordneten Stopfbüchsen Leckverluste eingetreten, so dringt Spülung durch die
im Rohr 4 befindliche Öffnung 26 in die Kammer 24 ein und hebt deren spezifisch
leichteren Ölinhalt nach oben, so daß dem unterhalb der Platte 3 befindlichen Raum
des Gehäuses i mittels des Rohres 25 wieder Öl zulaufen kann.
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Beim Anfahren des Meißelantriebes kommt die volle Stoßwirkung der
Spülung zur Geltung, so daß das Drehmoment sehr groß ist. Sind Wirbelgeschwindigkeit
und Turbinengehäusegeschwindigkeit gleich, was bei normaler Drehzahl der Fall ist,
so entspricht das vorhandene Drehmoment der erforderlichen Leistung. Bei Leerlauf
ist die Leistung gleich Null. Die senkrechten Schaufeln io wirken dann als Zentrifugalpumpe,
und bei einer bestimmten Drehzahl ist die Fliehkrafteinwirkung so groß, daß beidseitig
der festen Scheibe 5 Druckaus; gleich herrscht und daher keine Spülung mehr austreten
kann.
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Selbstverständlich läßt sich der vorgeschlagene Meißelantrieb, dessen
Drehzahl und Leistung durch Veränderung des Druckes und der Flüssigkeitsmenge an
den Spülpumpen über Tage regelbar ist, den verschiedensten Verhältnissen anpassen.
Die feste Düsenscheibe 5 ist durch andere Scheiben mit größerer oder kleinerer Düsenzahl
ersetzbar, deren Querschnitt durch Einlagebleche verändert werden kann. Die Querschnitte
aller Rohre lassen sich den geforderten Geschwindigkeiten für den Spülstrom anpassen
und werden stets in einer zur Vermeidung von Verschleiß und Leitungsverlust genügenden
Größe vorgesehen. Die Stufen des Zahnradgetriebes können je nach Bedarf in entsprechender
Anzahl und Größe gewählt werden, und gegebenenfalls ist das gesamte Zahnradgetriebe
durch ein hydraulisches oder ein Reibrädergetriebe ersetzbar. Schließlich kann der
vorgesehene Antrieb direkt über dem Meißel oder über die Schwerstangen oder zwischen
dieselben bzw. in eine geeignete Stelle des Gestänges eingeschaltet werden. Da an
sämtlichen Stellen des Meißelantriebes die Relativgeschwindigkeit zwischen Spülung
und benachbarten Metallteilen klein gehalten werden kann, tritt Verschleiß praktisch
nur in den Düsen auf.
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Wird bei einem bestimmten Druckabfall im Meißelantrieb eine andere
Drehzahl gefordert als diejenige, welche sich aus der Wirbelgeschwindigkeit ergibt,
so läßt sich diese durch entsprechende Krümmung der Schaufeln io hervorrufen. Diese
erhalten dann geneigte Einlaufkanten und liegen nicht mehr radial.