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Verfahren und Vorrichtung zum Nachlassen des Gestänges bei drehenden
Tiefbohranlagen Die Erfindung betrifft ein Verfahren samt Vorrichtung zum Nachlassen
des Gestänges bei drehenden Tiefbohranlagen. Im Gegensatz zu dem Ein-und Ausbau
des Bohrgestänges, welches durch einen oder mehrere Antriebsmotoren mit großer Leistung
über einentsprechend ausgebildetes Hebewerk mit verhältnismäßig großen Hub- bzw.
Senkgeschwindigkeiten erfolgt, muß das Nachlassen des Bohrgestänges beim Bohren
entsprechend dem Bohrfortschritt verhältnismäßig langsam erfolgen. Von besonderer
Bedeutung ist es dabei, daß auf der Bohrlochsohle durch das Bohrgestänge immer ein
möglichst gleichbleibender Bohrdruck bestimmter Größe erzeugt wird.
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Das Einhalten eines gleichmäßigen Bohrdruckes wird dadurch erschwert,
daß das zu durchbohrende Gebirge unterschiedlich hart ist. Bei weicheren Gebirgsformationen
ist der Bohrfortschritt verhältnismäßig groß und bei härteren entsprechend langsamer.
Das Bohrgestänge muß deshalb entsprechend schnell oder langsam nachgelassen werden.
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Man hat zur Überwachung des Bohrdruckes am Todseil des das Gestänge
haltenden Flaschenzuges eine Seilzug-Meßvorrichtung (Drillometer) eingebaut, um
den auf der Bohrlochsohle herrschenden Bohrdruck feststellen zu können. Der Bohrdruck
errechnet sich dabei aus dem Eigengewicht des eingebauten Bohrgestänges plus Todlast
des Flaschenzuggeschirres, dividiert durch die n-fache Einscherung des Flaschenzuges
abzüglich der von dem Drillometer angegebenen Seilspannung, wobei noch die Reibungsverluste
des Flaschenzuges und des Bohrgestänges berücksichtigt werden müssen.
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Das bisher in der Hauptsache übliche Nachlassen des Gestänges durch
Lüften der Seiltrommelbremse des Hebewerkes ist umständlich und erlaubt nicht
ein
gleichmäßiges Einhalten des gewünschten Bohrdruckes. Hierin ist unter anderem auch
die unterschiedliche.Bremskraft der Seiltrommelbremsebeim Übergang von der ruhenden
zur gleitenden Reibung schuld.
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Es ist bereits bekannt, zum Einhalten eines gleichmäßigen Bohrdruckes
einen Steuerdruck, der von der Belastung des Hebewerkes bzw. des Seiles abhängig
ist; auf die Bremse der Seiltrommel oder mittels Kupplung oder Kettentrieb direkt
auf die Seiltrommel einwirken zu lassen, um diese entsprechend dem Bohrfortschritt
nachzulassen. Diese bekannten Vorrichtungen lösen das Problem jedoch nur unvollständig.
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Von besonderer Bedeutung ist dabei der Umstand, daß insbesondere bei
großen Teufen das Bohrgestänge unter dem Einfluß seines Eigengewichtes durch die
Elastizität des Materials sich erheblich streckt. Trifft nun nach Durchbohren einer
weicheren Gebirgsformation mit entsprechend großem Bohrfortschritt und entsprechend
schnellem Nachlassen des Gestänges das Bohrwerkzeug auf hartes Gestein, so steigt
plötzlich der Bohrdruck. Wenn auch sofort durch Handbedienung oder durch eine mechanische
Steuerung das Absenken gestoppt wird, so bleibt der hohe Bohrdruck für eine beträchtliche
Zeit erhalten, da das Gestänge weiterhin bestrebt ist, sich, wie angeführt, unter
dem Einfluß der Elastizität des Materials bei der großen Länge auszudehnen. Der
normale Bohrdruck kann momentan nur dadurch wieder hergestellt werden, daß das Bohrgestänge
um eine gewisse Strecke angehoben wird.
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Bei einer bekannten Nachlaßvorrichtung wird die das Nachlassen bewirkende
Seilwinde zwangsweise von einem Nachlaß-Antriebsmotor bewegt, der als umsteuerbarer
Elektromotor ausgebildet ist, durch einen Schalter auf Heben, Stillstand oder Senken
gesteuert wird und über Stirnräder und ein Schneckengetriebe auf die Seilwinde treibt,
um Drehmoment und Sohlendruck des Bohrgerätes zu regeln.
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Nach der Erfindung wird vorgeschlagen, den vorzugsweise als Kurzschlußmotor
ausgebildeten Nachlaß-Antriebsmotor auf die Seilwinde treiben zu lassen unter Zwischenschalten
eines stufenlosen Regelgetriebes, vorzugsweise eines Planetengetriebes, dessen mit
der Seilwinde verbundener Abtrieb von einem Steuermotor geregelt wird durch Änderung
der Umlaufverhältnisse im Planetengetriebe in Abhängigkeit von einer Seilzug-Meßvorrichtung
(Drillometer) .
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Als Nachlaßmotor wird zweckmäßig ein mit gleicher Geschwindigkeit
durchlaufender Kurzschlußmotor verwendet und zwischen diesen und die Seilwinde ein
Getriebe geschaltet, das von nm.. der -einen Drehrichtung über O-nmax der anderen
Drehrichtung regelbar ist und von einem Steuermotor eingeregelt wird, der selbst
in Abhängigkeit von dem Drillometer steht.
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Es kann auch ein Planetengetriebe verwendet werden, dessen Abtrieb
mit der Seilwinde verbunden ist und dessen Drehrichtung und Drehzahl von .einem
Steuermotor eingestellt wird, der die Umlaufverhältnisse im Planetengetriebe ändert
und selbst wieder in Abhängigkeit von einer Seilzug-Meßvorrichtung steht.
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Der Steuermotor kann direkt auf das Planetengetriebe wirken. Nach
der Erfindung ist es aber auch möglich, den Steuermotor als Stellmotor eines zwischen
Nachlaßmotor und Planetengetriebe eingebauten stufenlosen oder vielstufigen besonderen
Regelgetriebes zu verwenden. Durch dieses besondere Regelgetriebe wird die Bewegung
des Nachlaßmotors auf die Eintriebe des Planetengetriebes regelbar verteilt und
so die Drehrichtung und die Drehzahl des Abtriebes des Planetengetriebes und damit
der Seilwinde bestimmt. Bei dieser Bauweise kommt man mit einem besonders kleinen
Steuermotor aus, da dieser lediglich als Stellmotor für das Regelgetriebe dient.
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Eine besonders günstige Bauform wird erfindungsgemäß dadurch erreicht,
daß der Kurzschlußmotor für den Antrieb der Seilwinde zum Nachlassen des Gestänges
in festem Übersetzungsverhältnis sowohl auf das eine Zentralrad des Planetengetriebes
als auch auf den Eintrieb des Regelgetriebes treibt und daß der Abtrieb des Regelbetriebes
regelbar auf das andere Zentralrad des Planetengetriebes treibt, dessen Umlaufräder
durch Drehung ihrer Arme die Seilwinde bewegen.
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Vorteilhafterweise wird die Nachlaßvorrichtung an das Hebewerk angebaut.
Es können dabei Kupplungen vorgesehen sein, die entweder die Hebewerksmotoren oder
die Nachlaßvorrichtung mit der Seilwinde kuppeln. Zweckmäßig ist es außerdem, am
Planetengetriebe eine Getriebebremse vorzusehen, die bei Stromausfall od. dgl. Störungen
die Anlage automatisch blockiert, damit ein Durchgehen des Bohrgestänges verhindert
wird.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung schematisch
dargestellt.
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Abb. r zeigt eine Gesamtansicht, während Abb. a eine Draufsicht auf
die Seilwinde mit angebauter Nachlaßvorrichtung veranschaulicht. Das mit z bezeichnete
Bohrgestänge wird durch den Drehtisch 2 drehend bewegt. Es hängt an der mit 3 bezeichneten
Flaschenzugeinrichtung, über welche das Seil q. geführt ist, welches mit seinem
einen Ende an einem festen Punkt 5 angeschlagen und an seinem anderen Ende auf der
Seiltrommel 6 aufgewickelt ist. In das Seil q. ist ein Drillometer 7 eingebaut.'
Das Drillometer 7 kann jedoch auch zwischen der Flaschenzugeinrichtung 3 und dem
Bohrgestänge z liegen.
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Die Seiltrommel 6 trägt Bremskränze B. Sie ist über eine Kupplung
g und Getrieberäder zo- sowie eine weitere Kupplung -z r, beispielsweise eine Reibungskupplung,
mit der Antriebswelle 1.2 der nicht näher dargestellten Antriebsmotoren verbunden.
Diese Antriebsmotoren dienen dazu, das Gestänge mit der notwendigen großen Hub-
bzw. Senkgeschwindigkeit ein- und auszubauen. Mit Rücksicht auf die großen Hubgeschwindigkeiten
sind diese Motoren für eine große Leistung ausgelegt.
Die Einrichtung
zum Nachlassen des Bohrgestänges entsprechend dem Fortschreiten der Bohrung besteht
aus einem Kurzschlußmotor 15 verhältnismäßig kleiner Leistung, einem stufenlosen
Regelgetriebe 16 und einem Umlaufgetriebe, dessen Getriebekasten mit 17 bezeichnet
ist. Ein Stellmotor 18, der über eine Leitung i9 von dem Drillometer 7 gesteuert
wird, regelt das Übersetzungsverhältnis des Getriebes 16.
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Der Nachlaßmotor f5 treibt in festem Übersetzungsverhältnis auf das
Zentralrad 2o des Planetengetriebes und auf den Eintrieb 21 des Regelgetriebes 16,
dessen Abtrieb 22 mit dem anderen Zentralrad 23 des Planetengetriebes in Verbindung
steht. Mit 24 sind die Arme der Umlaufräder des Planetengetriebes bezeichnet, die
über Stirnräder 25 und ein Kettenvorgelege 26 sowie eine Kupplung 27, Getrieberäder
1o und Kupplung g auf die Seilwinde 6 treiben.
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Beim Bohren gibt das Drillometer 7 entsprechend der durch das Gestänge
i und durch die Todlast des Flaschenzuggeschirrs in das Seil 4 geleiteten Spannung
einen Steuerstrom zu dem Stellmotor 18. Das Drillometer muß vorher entsprechend
der Last am Flaschenzug auf den gewünschten Bohrdruck eingestellt sein.
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Um beispielsweise einen Bohrdruck von 4 t zu erreichen, muß das Bohrgestänge
beim Bohren eine bestimmte Senkgeschwindigkeit haben. Ist der gewünschte Bohrdruck
noch nicht erreicht, so schaltet das Drillometer 7 den Stellmotor 18, der das Übersetzungsverhältnis
des Getriebes 16 verändert und damit die Drehzahl des Zentralrades 23 des Planetengetriebes.
Da das andere Zentralrad 2o durch den Motor 15 mit konstanter Geschwindigkeit weiterbewegt
wird, erfolgt eine Änderung der Drehzahl der Arme 24 und damit eine Änderung der
Bewegung der Trommel 6.
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Ist der eingestellte Bohrdruck erreicht, so schaltet das Drillometer
den Stellmotor aus, so daß das Getriebe 16 nicht weiter verstellt wird und die Senkgeschwindigkeit
konstant bleibt, bis wieder der Stellmotor von dem Drillometer geschaltet wird,
falls sich der Bohrdruck ändert.
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Durch die bekannte Eigenart des Planetengetriebes läßt sich dabei
die Drehrichtung des Abtriebes umkehren, ohne die Drehrichtung des Antriebsmotors
15 zu ändern. Es ist also ohne weiteres möglich, die Trommel 6 nicht nur mit verschiedener
Geschwindigkeit im Sinne des Absenkens des Bohrgestänges zu bewegen, sondern auch
gegenläufig im Sinne des Anhebens. Dieses ist, wie bereits ausgeführt, dann notwendig,
wenn das sehr lange Gestänge plötzlich auf hartes Gestein stößt, um in kürzester
Zeit den normalen gewünschten Bohrdruck wieder zu erreichen.
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Bei Auftreffen auf hartes Gestein läuft der Stellmotor 18 unter dem
Einfluß des Drillometers in entgegengesetzter Drehrichtung und verringert die Senkgeschwindigkeit,
bis sich wieder der gewünschte Bohrdruck eingestellt hat. Bei höheren Bohrdrücken,
hervorgerufen durch die Verlängerung des Bohrgestänges infolge seiner Elastizität,
wird also nicht nur die Senkgeschwindigkeit auf o verringert, sondern die Drehrichtung
der Seiltrommel 6 umgekehrt und dadurch das Gestänge angehoben, so daß der Bohrdruck
in kürzester Zeit wieder das gewünschte Maß hat. Unzulässig hohe Bohrdrücke können
nicht auftreten, Betriebsstörungen werden weitgehend vermindert und ein größtmöglicher
Fortschritt der Bohrarbeit erreicht. Das Nachlassen des Gestänges ist nicht mehr
von der Geschicklichkeit eines Bedienungsmannes abhängig.
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Die Nachlaßvorrichtung kann auch an einer anderen Stelle, als dargestellt,
angeordnet werden. Sie kann vollkommen getrennt von dem Hebiewerk sein und an dem
freien Ende des Seiles 4 beispielsweise angeordnet sein. Dieses wird dann nicht,
wie dargestellt, bei 5 fest verankert, sondern für eine gewisse Länge auf eine besondere
Seiltrommel aufgewickelt, die mit der dargestellten und beschriebenen Nachlaßvorrichtung
in Verbindung steht.
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Es ist auch denkbar, die gewünschten Nachlaß-bzw. kleinen Anhebebewegungen
des Gestänges bei Auftreffen auf hartes Gestein unter Verwendung eines selbsthemmenden
Schneckengetriebes vornehmen zu lassen. Dieses hat jedoch gegenüber den gemäß der
Erfindung verwendeten Stirnradgetrieben den Nachteil, daß infolge der zu bewältigenden
großen Kräfte unwirtschaftlich hohe Reibungsverluste auftreten.