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Stoßbohrantrieb für Tiefbohrer Die Erfindung bezieht sich auf den
Antrieb von Tiefbohrern im Bohrloch. Sie bezieht sich insbesondere auf Tiefbohrer
solcher Art, bei denen der Aufschlagdes Schneidwerkzeuges gegen die zu bohrende
Schicht dazu benutzt wird, die gewünschte Schneidwirkung zu ergeben.
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Bei einer bekannten Ausführungsform eines solchen Bohrgerätes ist
das Schneidwerkzeug am Ende einer langen Schwerstange befestigt, die an einem Drahtseil
aufgehängt ist, welches über einen Bohrschwengel läuft, mit. dessen Hilfe das Bohrwerkzeug
gehoben oder gesenkt werden kann, um die zum Zertrümmern .der zu bohrenden Schicht
erforderliche Aufschlagenergie zu .liefern. Bei diesem stoßenden Bohrverfahren wird
eine bestimmte Wassermenge in dass Bohrloch eingeführt, die durch das Heben und
Senken des Bohrgestänges ständig aufgewühlt wird, wodurch das vom Meißel erzeugte
Bohrklein in Suspension gehalten wird. Die Mischung aus Bohrklein und Wasser wird
von Zeit zu Zeit -ausgeschöpft und durch neues Wasser ersetzt.
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Bei einem anderen bekannten Bohrverfahren sind Bohrschneiden am Ende
eines hohlen Gestänges befeatigt, das- bis zur Oberfläche reicht, wo es Über ein
Untersetzungsgetriebe von einer Antriebsmaschine in Drehung versetzt wird. Es wird
dabei Spülflüssigkeit durch das - Gestänge hindurch
hineingepumpt
und diese tritt an der Bohrlochsohle rund um die Bohrschneiden des Bohrers aus,
von wo sie über den ringförmigen Raum zwischen dem Bohrgestänge und der Bohrlochwandung
wieder an die Oberfläche zurückkehrt und dabei das Bohrklein ständig nach oben mitnimmt.
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Es sind auch Verfahren bekannt, welche .das stoßende Bohren in Kombination
mit dem drehenden Bohren verwenden, und es wurden viele Versuche zur Ausführung
. dieses Verfahrens unternommen, z. B. durch federbetätigte Hämmer oder durch Heben
und Senken von Gewichten, um den Aufschlag des Werkzeuges zu verbessern, aber größtenteils
waren diese Anordnungen entweder .zu kompliziert und zu teuer oder lieferten nicht
genügend Energie, um die erforderliche Arbeit zu verrichten.
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Die Erfindung bezweckt, mit Hilfe der strömenden Spülflüssigkeit Schlagimpulse
hoher Frequenz in einfacher und wirksamer Weise unmittelbar oberhalb des Werkzeuges
zu erzeugen, wo sie mit einer Größe von io PS oder mehr auf das Werkzeug wirken.
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Dabei kann die Spülflüssigkeit auch zum Drehantrieb des Bohrwerkzeuges
im Bohrloch genutzt werden.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß, in das untere Ende
des Bohrgestängezuges ein Schwingungssystem eingebaut wird, das aus einem ,mit dem
Gestänge fest verbundenen zylindrischen Gehäuse besteht, in dessen unteres Ende
die Schwerstange des Bohrwerkzeuges axial verschiebbar eingesteckt ist. Die Verbindung
zwischen dem Gehäuse und der Schwerstange bildet ein konzentrisch im Gehäuse angeordnetes
hochelastisches Rohr. Zwischen dem Gehäuse und :der eingesteckten Schwerstange ist
ein Ringventil ausgebildet, das die von dem Gehäuse und dem hochelastischen Rohr
gebildete Ringkammer abschließt.
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Der größere Teil oder Spülflüssigkeit strömt aus dem Bohrgestänge
durch den mittleren Kanal des Gehäuses, an den das hochelastische Rohr anschließt,
und weiter durch die Bohrung der Schwerstange zum Werkzeug.
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Der andere Teil der Spülflüssigkeit gelangt jedoch durch Parallelbohrungen
zur mittleren Bohrung des Gehäuses in die Kammer zwischen dem Gehäuse und dem hochelastischen
Rohr und beaufschlagt das Ringventil am Einsteckende der Schwerstange. Durch den
Druck der Spülflüssigkeit wird das hochelastische Rohr längs gedehnt und dadurch
das Ventil geöffnet, so daß Spülflüssigkeit aus, der Kammer in das Bohrloch ausströmen
kann, wodurch jedoch eine Druckminderung eintritt, so daß das Ventil sofort wieder
geschlossen wird. Das Schließen des Ventils verursacht wieder ein Ansteigen des
Druckes und ein neuerliches Dehnen des hochelastischen Rohres und abermaliges Öffnen
des Ventils. Das Schließen und Öffnen erfolgt im raschen Wechsel, so daß ein periodisches
Schwingen der Massenelemente erzeugt wird.
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Der vorstehend benutzte Ausdruck »hochelastisch« bezieht sich .auf
den Elastizitätsmodul, z. B. von Young, gemäß welchem Stahl elastischer ist als
Gummi, und der ausgedrückt wird in kg/cm2 oder durch das Produkt aus der auf die
Flächeneinheit wirkenden Kraft und dem reziproken Wert der Durchbiegung je Längeneinheit.
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Der Ausdruck ».hochelastisches Rohr« bezieht sich auf ein Rohr, das
wirksam verwendet wird, um unter dem Einfluß einer darauf einwirkenden Kraft durch
unmittelbares Zusammendrücken oder durch Spannung potentielle Energie aufzuspeichern,
die beim Aufhören der Kraftwirkung als kinetische Energie freigegeben wird.
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Inder Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes
dargestellt.
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Fig. i zeigt die Vorrichtung im unterbrochenen senkrechten Längsschnitt;
Fig. z ist ein Querschnitt nach der Linie 2-z der Fig. i ; Fig. 3 ist ein Querschnitt
nach der Linie 3-3 der Fig. i.
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Bevor in die Beschreibung der Zeichnung eingegangen wird, ist zu bemerken,
daß die dargestellte Vorrichtung sowohl zum Drehbohren als auch zum Aufschlagbohren
verwendbar isst. In jedem Fall wird das Schneid- oder Aufischlagwerkzeug am unteren
Ende der in Fig. i dargestellten Vorrichtung befestigt und der Antrieb am oberen
Ende der Vorrichtung nach der Fig. i. Die Spülflüssigkeit tritt durch das Bohrgestänge
13 in den von der Kappe 12 gebildeten Raum ein, während ein sich drehendes Antriebselement
das Bohrgestänge 13 antreibt. Um den gewünschten Druck zu erzeugen, kann die Bohrflüssigkeit
auch durch Druckgas oder Druckluft .ersetzt werden.
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In das Gehäuse i ist konzentrisch zu demselben -eine Schwerstange
z eingesteckt, die in axialer Richtung innerhalb des Gehäuses i frei beweglich .st,
wenn die Verlängerung oder Zusammenziehung des hochelastischen Rohres 3 dies zuläßt,
mit dem die Schwerstange :2 fest verbunden ist. Das Ende der Schwerstange a, die
am Rohr 3 befestigt ist, weist einen kleineren Durchmesser auf, um eine Buchse q.
aufzunehmen, die auf dem Ende dicht passend aufsitzt und dazu dient, einen auswechselbaren
Ventilkörper 5 in seiner -Stellung zu halten, der zusammen mit einem Ventilsitz
6, welcher in dem Gehäuse i mittels einer Hülse 7 in ähnlicher Weise befestigt .ist,
die Flächen eines Ringventils bildet. Dieses öffnet und schließt einen ringförmigen
Einlaß zu einer ringförmigen Öffnung zwischen dem Innern des Gehäuses i und der
Schwerstange a und stellt gleichzeitig die Verbindung mit der Ringkammer ä zwischen
dem Gehäuse i und dem Rohr 3 her.
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Das äußere Ende der Schwerstange a ist mit Führungsleisten 9 versehen,
die sich gegen die Innenfläche der HÜ.lse 7 anlegen, um eine genaue Ausrichtung
der Achse der Schwerstange a mit der Achse des Gehäuses i zu gewährleisten.
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Das Gehäuse i bildet zusammen mit dem dasselbe tragenden Verlängerungsstück
io einen Bauteil, dessen Masse vorzugsweise groß gemacht wird, beispielsweise acht-
bis zehnmal größer als die Masse
der Schwerstange 2, welche das
Schneidwerkzeug trägt. Das Verlängerungsstück io ist mit durchgehenden Bohrungen
i i versehen, die die Kammer 8 mit der Kappe 12 und dem Innern des Bohrgestänges
13 verbinden.
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Aus dem Obigen ergibt sich, daß beim Betrieb ein Teil der durch das
Bohrgestänge 13 nach unten fließenden Spülflüssigkeit unmrittelibar durch die mittlere
Bohrung .des Verlängerungsstückes io, durch das Rohr 3 und die mittlere Bohrung
in der Schwerstange2 hindurchgehen und dann in üblicher Weise zu den Schneidkanten
des Werkzeuges nach außen treten wind. Der Rest der nach unten strömenden Spülflüssigkeit
gelangt durch die Bohrungen i i in .die Kammer 8, wo sie auf die Schwerstange :2
einen Druck ausübt, da das von dem Ventilkörpers und Ventilsitz 6 gebildete Ringventil
bei geringem Druck geschlossen ist. Da jedoch durch den Druck ider Spülflssigkeit
das Rohr 3 gedehnt wird, öffnet sich das- Ringventil, wodurch ein plötzlicher Druokaibfall
gegenüber der Schwerstange 2 herbeigeführt wird und eine bestimmte Menge Spülflüssigkeit
nach außen in das Bohrloch austreten kann, von wo die Spülflüssigkeit in der üblichen
Weise zusammen mit der durch das Bohrgestänge fließenden Spülflüssigkeit
-an die Oberfläche zurückkehrt. Wenn dies erfolgt, ist die von dem gedehnten
Rohr 3 ausgeübte Kraft nicht mehr durch den Druck -der Spülflüssigkeit in der Kammer
8 ausgeglichen, die Schwerstange :2 wird zurückgezogen und schließt das Ringventil,
worauf sich der Vorgang wiederholt. Durch richtige Bemessung der Größe,der Bohrung
in,der am oberen Ende !des Verlängerungsstückes io eingeschraubten Buchse 1q. kann
die für die Betätigung der Einheit erforderliche Spülflüssgkeitsmenge von dem zum
Werkzeug fließenden Hauptstrom abgezweigt werden.
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Die Masse der Schwerstange 2 und jene des an derselben befestigten
Werkzeuges zusammen bilden mit der Steifheit des Rohres 3 in der Längsrichtung ein
Schwingsystem, dessen Frequenz von der Größe der beteiligten Massen und d ,er Steifheit
des Rohres 3 abhängig ist.
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Es könnte nun eingewendet werden, daß die durch hie axiale Schwingung
der Schwerstange 2 im Rohr 3 erzeugten Spannungen geeignet sind, einen Bruch desselben
herbeizuführen. Dies ist jedoch nicht der Fall, wenn dieser Umstand bei der Konstruktion
berüoksichtigt wird. Wenn beispielsweise die Schwerstange 2 und das mit ihr verbundene
Werkzeug 272 kg wiegen, muß das Rohr 3 für eine Resonanz von 36oo Schwingungen/min
mit einem Hub von 6 mm einem Zug von 12 730 kg unterworfen werden. Mit anderen
Worten, das Rohr 3 wird 36oomial in der Minute um 3. mm gedehnt und zusammengedrückt.
Wenn nun das Rohr 3 eine axiale Länge von 6,4 m aufweist, wird die maximale Zugbeanspruchung
etwa ioso kg/cm2 nicht übersteigen, wenn die Querschnittsfläche des Rohres 3 etwa
12 cm2 beträgt. Eine solche Ouerschnittsfläche ergibt sich bei einem nahtlosen Bohrrohr
mit einer lichten Weite von 6o mm und einer Wandstärke von 7,mm. Bei der mehr oder
weniger fortlaufenden zyklischen Beanspruchung hochgradiger Stähle haben sich keine
Schwier-'. keiten, ergeben, wenn diese Zugibeanspruchung nicht überschritten wurde.
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Eine solche Einheit, wie die eben beschriebene, kann leicht Aufschläge
in der Größenordnung von 488 kg/m2 mit einer Frequenz von 36oo Schwingungen/min
liefern, was etwa der Energie einer i8oo kg schweren Drahtseil-Schlagbohreinrichtung
entspricht, die eine Strecke von 76 mm mit einer Frequenz von 3o Hüben/min fallengelassen
wird.
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Für die oben angegebene Größe der Kraft von ungefähr io PS ist die
Frequenz von 36oo Schwingungen/min besonders geeignet, wie sich aus der Tatsache
ergibt, daß bei einer solchen Frequenz die Bewegungsamplitude der Schwerstange 2
auf jeder Seite der Ruhestellung 3 mm betragen kann, wenn die Schwerstange 2 die
oben angegebene Größe aufweist. Dadurch wird andererseits die Länge des aktiven
Teiles des Rohres 3 vorgeschrieben, wenn eine Zugbeanspruchung von etwa ioso kg/cm2
nicht überschritten werden soll.
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Die Gesamtlänge des Rohres a zusammen mit der Schwerstange 2 und dem
Verlangerungsstück io beträgt dann weniger als 18 m, und eine solche Gesamtlänge
kann in einer durchschnittlichen Bohranlage leicht gehandhabt werden.
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Diese Frequenz hat noch einen anderen Vorteil. Da die Einheit -hydraulisch
betätigt wird, muß die Geschwindigkeit der Druckwellen in der verwendeten Flüssigkeit
berücksichtigt werden. Die übertragungsgeschwindigkeit solcher Wellen in einem wäßrigen
Medium beträgt ungefähr iq.6o m/Sek. Wenn sich die Schwerstange 2 mit 36oo Schwingungen
pro Minute hin- und herbewegt, wird die Flüssigkeit in der Kammer 8 infolge dieser
Bewegung einem pulsierenden Druck unterworfen. Die Wellenlänge der Schwingung wird
bei dieser Frequenz etwa 24 m betragen oder eine Viertelwellenlänge von -etwa 6
m aufweisen, die ungefähr der axialen Länge des Rohres 3 entspricht, so daß sie
die Schwingung der Schwerstange 2 eher unterstützen, als derselben entgegenwirken
wird.
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Es soll daher sorgfältig darauf geachtet werden, daß zwischen der
Länge der Kammer 8 und der Betriebsfrequenz im wesentlichen die eben beschriebenen
Verhältnisse herrschen, damit die Schwingungen der stehenden Wellen in dem Bohrschlamm
in der Kammer 8 die hin- und hergehende Bewegung der Schwerstange 2 eher unterstützen,
als derselben entgegenwirken.
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Aus der obigen Beschreibung ergibt sich, daß gemäß der Erfindung die
hin- und hergehende Bewegung der Schwerstange 2 in keiner Weise die übliche Drehung.
des Rohres stört, weil das für die Drehung des Werkzeuges erforderliche Drehmoment
durch das Rohr 3 übertragen wird, das - wie oben erwähnt-ein Stück Bohrrohr mit
den entsprechenden Abmessungen sein kann, welches für die Übertragung des Drehmomentes
schon entsprechend bemessen worden ist.
Wie oben bereits erwähnt
wurde, wird die Masse des Verlängerungsstückes io vorzugsweise groß gemacht, z.
B. acht- bis zehnmal größer als die Masse der Schwerstange 2. Dies geschieht aus
einem ganz bestimmten Grund, weil nämlich die mögliche Bewegung des Verlängerungsstückes
io im Vergleich zu jener der Schwerstange 2 in demselben Verhältnis verringert wird,
wodurch die Übertragung irgendwelcher Aufschlagenergie längs des Bohrgestänges zurück
an die Oberfläche verringert werden soll, wo sie schädlich sein könnte.