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Nachla.ßvorrichtung für Tiefbohranlagen mit automatischer Regelung
Tiefbohrungen werden üblicherweise mit mehreren Gestängeabschnitten verschiedener
Durchmesser, etwa von 21/s bis 51/2 Zoll, gebohrt. Je nach Durchmesser und Wandstärke
der Gestänge ist das übertragbare Drehmoment verschieden. Das jeweils erforderliche
Drehmoment hängt nun aber nicht nur von der Größe des Meißel- und Gestängedurchmessers,
sondern außerdem insbesondere von der Art des zu durchbohrenden Gebirges und von
der Höhe des Bohrdruckes ab.
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Wenn z. B. hartes Gebirge zu durchbohren ist, so ist das erforderliche
Drehmoment am Meißel gewöhnlich kleiner, als wenn mit gleich großem Bohrdruck weicheres
Gebirge durchbohrt werden müßte, weil bei letzterem die Meißelschneiden tiefer in
das Gebirge eindringen und einen stärkeren Span abschälen. Eine Zunahme der Meißeldrehmomente
tritt ferner auch auf, wenn der Meißel einen Übergang von härterem in weicheres
Gebirge durchbohren muß oder umgekehrt aus weicherem Gebirge auf härtere Schichten
bzw. Einlagerungen stößt oder wenn Meißel und Gestänge durch nachfallendes Gebirge
verklemmt werden.
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Trotz konstant gehaltenen Bohrdruckes kommen daher oft Drehmomente
in einer Größe vor, welche die Festigkeit des Gestänges weit übersteigen und dann
zum Bruch desselben führen. Eine Nachlaßvorrichtung, welche allein auf einer Regelung
des Bohrdruckes basiert, bietet also trotz gewisser Vorteile bezüglich Erreichung
größerer Bohrfortschritte und eines geraden Loches keine unbedingte Sicherheit dafür,
die Bohrarbeiten unter allen Verhältnissen ungestört durchführen zu können. Ein
einziger Gestängebruch kann alle Vorteile zunichte und schwierige Fangarbeiten erforderlich
machen.
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Es sind allerdings nicht nur Nachlaßvorrichtungen mit automatischer
Regelung des Bohrdruckes oder des Drehmomentes bekannt, sondern auch solche, mit
denen der Bohrdruck und das Drehmoment gemeinsam geregelt werden. Diese letztgenannten
Vorrichtungen
sind so ausgebildet, daß von vornherein ein maximal zulässiges Drehmoment an der
Antriebsmaschine des Drehtisches eingestellt und beim Überschreiten desselben durch
einen davon ausgehenden Impuls der das Bohrgestänge haltende Flaschenzug im Hubsinne
betätigt wird. Dabei bleibt die Drehzahl des Bohrtisches und des Bohrgestänges insofern
unberücksichtigt, als unterhalb der Grenze eines bestimmten, maximalen Drehmomentes
grundsätzlich ein Betrieb mit beliebigen Drehzahlen möglich ist. Es kann also z.
B. vorkommen, daß durch ermüdetes Material vorzeitig ein Gestängebruch eintritt,
ohne daß die an sich zulässige obere Drehmomentgrenze überschritten worden ist und
ein entsprechender Regelimpuls im Sinne eines Festhaltens des Restgestänges ausgelöst
wird.
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Demgegenüber besteht die Erfindung bei einer Nachlaßvorrichtung für
Tiefbohranlagen mit automatischer Regelung des Bohrdruckes und Begrenzung eines
bestimmten, maximalen Drehmomentes darin, daß zur Begrenzung des Gestängedrehmomentes
in Abhängigkeit von der Drehzahl des Gestänges und des Bohrtisches ein durch Drehzahländerungen
derselben verstellbares Regelorgan in an sich bekannter Weise mit einer Regeleinrichtung
des Antriebsmotors oder/und des in den Drehtischantrieb eingeschalteten Drehmomentwandlers
in Verbindung steht.
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Bekanntlich entspricht jeder Abtriebsdrehzahl eines Drehmomentwandlers
bei einer einmal eingestellten gleichbleibenden Eingangsdrehzahl ein ganz bestimmtes
Drehmoment. Steigt die Abtriebsdrehzahl, dann fällt das Drehmoment, und umgekehrt.
Durch Schaufelverstellung desDrehmomentwandlers kann man also die Größe des abgegebenen
Drehmomentes und die dazugehörige Drehzahl einstellen. Die Veränderung des Drehmomentes
erfolgt etwa linear mit der Einstellung der Schaufeln. Man kann jedoch auch .die
Motordrehzahl und mit dieser die Eingangsdrehzahl in dem Drehmomentwandler verändern.
In diesem Falle verändert sich das abgegebene Drehmoment im Quadrat der Eingangsdrehzahl:
rt12 : ft:22 = Md 1 : IVld 2. Die Reaktion einer Verstellung
der Eingangsdrehzahl auf das Abtriebsdrehmornent erfolgt daher viel schneller als
bei einer Verstellung der Schaufeln.
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Die Bohrdruckregeleinrichtung einer solchen kombinierten Vorrichtung
enthält zweckmäßig eine Pumpe mit in an sich bekannter Weise stufenlos veränderbarem
Kolbenhub.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die betreffende Vorrichtung
so ausgebildet, daß ein von der Antriebswelle des Drehtisches beeinfiußter Fliehkraftregler
über mechanische und/oder hydraulische Zwischenglieder einerseits mit den Regeleinrichtungen
der Pumpe, andererseits mit dem Regler des Drehtischantriebsmotors oder mit einer
Einrichtung zum Verstellen der Schaufeln eines zwischen Antriebsmotor und Drehtisch
eingeschalteten Strömungsgetriebes in Verbindung steht. Diese Verbindung kann etwa
dadurch hergestellt sein, daß ein vom Fliehkraftregler betätigter Hebel mit zwei
Drehschieberventilen und über diese mit zwei druckmittelbeaufschlagten Kolben gekoppelt
ist, von denen der eine Kolben zur Bohrdruckregeleinrichtung und der andere Kolben
zur Regeleinrichtung des Drehtischantriebes gehört. Ferner sind in der Bohrdruckregeleinrichtung
zwei vorzugsweise gleich ausgebildete und symmetrisch zueinander angeordnete Schnellschlußeinrichtungen
angeordnet, von denen die eine einen zum Pumpendruckregelventil gehörenden Hebel
und die andere einen zum Pumpenhubverstellkolben gehörenden Hebel enthält, wobei
jeder dieser beiden Hebel bis zu einer bestimmten Drehtischdrehzahl von einem anderen,
etwa als Winkelhebel ausgebildeten Teil der Einrichtung entgegen einer elastischen
Spannkraft gehalten und bei Überschreiten der betreffenden Drehzahl im Sinne einer
Schließung des Regelventils bzw. einer Blockierung des Verstellkolbens freigegeben
wird.
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Die baulichen und betriebsmäßigen Einzelheiten des Erfindungsgegenstandes
sowie die mit diesem erreichten Vorteile sind nachstehend an Hand einer in der Zeichnung
beispielsweise dargestellten Ausführungsform beschrieben.
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Das durch den Drehtisch i hindurchgeführte und am unteren Ende mit
einem Bohrrneißel -> versehene Bohrgestänge 3 wird über die mit dem Drehtisch gekoppelte
Welle-. von einem Motor aus unter Zwischenschaltung eines Turbowandlers (beide nicht
dargestellt) angetrieben. Auf der Antriebswelle 4. ist ein Fliehkraftregler 5 angeordnet,
der über ein Gestänge 6 mit einer auf der gleichen Welle axial verschiebbaren Muffe
7 verbunden ist. An dieser Muffe greift außerdem das eine Ende eines Hebels 8 an,
dessen anderes Ende in einem Festpunkt g angelenkt ist. Zwischen seinen Endpunkten
ist der Hebel 8 mit einem nach entgegengesetzten Seiten sich erstreckenden, einstellbaren
Gestänge io und über dieses mit den Betätigungsgriffen von zwei Drehschieberventilen
i i bzw. 12 gekoppelt.
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Die Ventile i 1, 12 stehen einerseits mit einem gemeinsamen Behälter
13 in Verbindung, in welchem sich ein dauernd unter Druck stehendes übertragungsmittel,
z. B. Druckluft oder Drucköl, befindet; andererseits sind sie an je einem Zylinder
14, 15 angeschlossen; in .diesen Zylindern sind von der entgegengesetzten Seite
her federbelastete Kolben 16 bzw. 17 angeordnet. Die Kolbenstange 18 des einen Kolbens
16 ist an zwei Winkelhebeln ig, 2o angelenkt, die nach Art einer Schnellschlußeinrichtüng
nur in gewissen Lagen im Eingriff mit zwei weiteren, zum Verstellen eines Regelventils
21 bzw. zum Blockieren eines Regelkolbens 22 der Bohrdruckregeleinrichtung dienenden
Hebeln 23, 24. entgegen einer auf diese einwirkenden Federkraft 25 bzw. 26 stehen.
Das Ventil 21 befindet sich in der Druckleitung einer mit der Seiltrommelwelle .der
Nachlaßvorrichtung gekoppelten Pumpe und ermöglicht durch mehr oder weniger starke
Drosselung ihres Austrittsquerschnittes eine Regelung des Förderdruckes und damit
der Leistungsaufnahme der Pumpe, welche dem Drehmoment das Gleichgewicht halten
soll, das von dem über den jeweils. gewünschten Bohrdruck hinausgehenden Teil der
Bohrzeuglast
mittels des Seilzuges auf die Seiltrommelwelle ausgeübt wird. Der Kolben 22 wird
einerseits von einer regelbar vorgespannten Feder oder einem einstellbaren Gegengewicht
und andererseits von dem Förderdruck der Pumpe belastet; in Abhängigkeit vom letzteren
dient er zur selbsttätigen Hubverstellung und damit Leistungsregelung der Pumpe,
deren Zylinder zu diesem Zweck entsprechend einer an sich bekannten Bauart solcher
Pumpen in einem schwenkbar mit der Antriebswelle verbundenen Körper angeordnet sind.
Der andere Kolben 17 ist über ein längeneinstellbares Gestänge 27 mit dem Regler
28 des nicht dargestellten Antriebsmotors der Bohranlage gekoppelt.
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Mit einer solchen Nachlaßvorrichtung wird praktisch in folgender Weise
gearbeitet: Für jede Motordrehzahl und jede Schaufelstellung des Turbowandlers ist
das Abtriebsdrehmoment für jede Abtriebsdrehzahl des Turbowandlers bzw. der Drehtischantriebswelle
bekannt. Ein durch die Drehtischantriebswelle q. angetriebenes nicht gezeichnetes
Tachometer zeigt die jeweilige Gestängedrehzahl an. Die jeweilige Größe der Drehtischantriebswellendrehzahl
bestimmt die Stellung des Fliehkraftreglers 5, der Verschiebemuffe 7 und der Drehschieberventile
11, 12. Steigt die Drehzahl des Drehtisches, so wird die Muffel beispielsweise nach
rechts verschoben, fällt sie, so erfolgt ihre Verschiebung nach links. Dabei werden
durch die entsprechende Betätigung der Drehschieberventile i i, 12 die Kolben 16,
17 mehr oder weniger stark von oben her beaufschlagt und demgemäß in der einen oder
anderen Richtung verstellt.
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Wenn sich nun infolge einer durch die Verhältnisse im Bohrloch bedingten
Steigerung des aufzubringenden Drehmomentes ein Abfall der Drehzahl des Drehtisches
ergibt, verstellt der Regler 5 den Hebel 8 so, daß der durch das Drehschieberventil
12 betätigte Kolben 17 über den Regler 28 die Motordrehzahl und mit dieser das Drehmoment
wieder herabsetzt oder im gleichen Sinne die Schaufeln des Turbowandlers um einen
entsprechenden Betrag schließt. Steigt dagegen bei Verringerung des Drehmomentes
die Drehtischdrehzahl, so verstellt der Regler 5 den Hebel 8 so, daß die Motordrehzahl
erhöht wird bzw. die Schaufeln des Turbowandlers weiter geöffnet werden. Sobald
im letzteren Falle der Drehtisch seine Normaldrehzahl um einen gewissen Betrag,
etwa um 20 °/o, übersteigt, so wird gleichzeitig durch den dann ebenfalls entsprechend
stärker von oben her beaufschlagten Kolben 16 das Ventil 21 mittels der Schnellschlußeinrichtung
i9, 23, 25 geschlossen. Hierdurch kann die von der Gestängelast über die Seiltrommel
angetriebene Pumpe keine Flüssigkeit mehr fördern und kommt unter Erhöhung des Gegendrucks
zum Stillstand. Das Gestänge kann nicht weiter absinken, wodurch eine Verschlechterung
für die Beseitigung einer Fangarbeit bei einem bereits eingetretenen Gestängebruch
verhindert wird.
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Damit unter solchen Verhältnissen nicht etwa durch den erhöhten Pumpendruck
der Regelkolben 22 im Sinne einer Verringerung des Pumpenkolbenhubes, bei Nullwert
desselben wäre ein Weiterlaufender Pumpenwelle sogar bei ganz geschlossenem Ventil
21 möglich, verstellt und damit dem beabsichtigten Festhalten der Seiltrommelwelle
entgegengewirkt werden kann, wird durch den Kolben 16 außerdem über die zweite,
gleichartig ausgebildete Schnellschlußeinrichtung 2o, 2q., 26 der Regelkolben 22
in geeigneter Weise blockiert.
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Der vorstehend an einem Ausführungsbeispiel erläuterte Gegenstand
der Erfindung gestattet nicht nur, die Bohranlage mit einem normalerweise höchstzulässigen
Drehmoment zu fahren bei gleichzeitigem Schutz gegen schwierige Fangarbeiten im
Falle eines ausnahmsweise doch einmal eintretenden Gestängebruches, sondern er ermöglicht
außerdem .durch die Verwendung der Gestänge- bzw. Bortischdrehzahl als Steuerimpuls
für die Begrenzung des Gestängedrehmomentes im Zusammenhang mit anderen Faktoren
wichtige Rückschlüsse auf die Art des zu bohrenden Gebirges.