DE959995C - Elektromagnetisch angetriebenes Stossbohrwerkzeug fuer Tiefbohrungen - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 14. MÄRZ 1957

C III34 VI15a

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromagnetisch angetriebenes Stoßbohrwerkzeug für Tiefbohrungen.

Es ist insbesondere beim Bohren von öl- und Gasbohrlöchern bekannt, daß ein zufriedenstellendes Eindringen in manche Schichten unterirdischen Gesteins nur durch wiederholtes Aufschlagen von beschwerten Bohrern auf die Schicht möglich ist. Diese Bohrer sind mittels biegsamer Seile am Ende eines Bohrschwengels aufgehängt und werden durch Hin- und Herbewegung desselben um 6o bis 90 cm gehoben und gesenkt. Dieses Bohrverfahren ist beschwerlich und langsam, weil die Stoßfrequenz im oberen Teil des Bohrloches nicht mehr als 50 Hübe/min und mit zunehmender Tiefe des Bohrloches nicht mehr als 25 bis 30 Hübe/min betragen kann. Außerdem wird insbesondere bei zunehmender Tiefe des Bohrloches durch die Spannung und das Schlagen des Seiles ein Anheben des Bohrers und ein Außerphasefallen mit dem auf und ab bewegten ao Bohrschwengel bewirkt, so daß es möglich ist, daß trotz Arbeitens des Bohrgerätes keine Vertiefung des Bohrloches erzielt wird. Auf jeden Fall ist bei dem bisher ausgeübten Seilbohre 1 die auf den zu bohrenden Bereich zur Wirkung gebrachte Stoß- as kraft und Stoßfrequenz sehr stark beschränkt.

Es ist schon früher festgestellt worden, daß die Geschwindigkeit des Eindringens in harte Schichten

der Zunahme der Stoßkraft und der Stoßfrequenz direkt proportional ist. Bisher ist jedoch keine Vorrichtung bekanntgeworden, durch die kräftige, rasche Stöße am Boden eines tiefen Bohrloches ausgeführt werden können, das den für die praktische Gewinnung von Gas und öl erforderlichen Durchmesser aufweist.

Gegenstand der Erfindung ist ein Stoßbohrwerkzeug, mittels welchem Stöße mit einer Frequenz ausgeführt werden können, die bedeutend größer als bei den bekannten Vorrichtungen sind. Das Stoßbohrwerkzeug gemäß der Erfindung ist ferner in sich abgeschlossen und wird in unmittelbarer Berührung mit der zu durchbohrenden Schicht gehalten.

Das erfindungsgemäße Stoßbohrwerkzeug ist im wesentlichen gekennzeichnet durch einen an dem Tragseil befestigten Körper großer Masse, durch eine starre Metallstange mit einem hohen Elastiziao tätsmodul, die mit diesem Körper verbunden ist und sich von demselben weg erstreckt, durch einen den Bohrer tragenden Körper vergleichsweise kleiner Masse, der mit dem entgegengesetzten Ende der Metallstange verbunden ist, durch ein rohras förmiges Gehäuse, das sich von dem Körper großer Masse weg erstreckt und die Stange über ihre ganze Länge einschließt, durch einen Anker und einen Elektromagneten, die komplementär geneigte konische Flächen aufweisen und durch einen Luftspalt voneinander getrennt sind, wobei der eine dieser Teile an der Stange und der andere in der Nähe des Körpers kleiner Masse am Gehäuse befestigt ist und wobei diese Teile bei Erregung des Elektromagneten eine Dehnung der Stange bewirken, sowie durch eine Einrichtung, die den Elektromagneten mit der resonierenden Frequenz des Systems erregt.

Die Zeichnung veranschaulicht zwei beispielsweise Ausführungsformen des Erfindungsgegen-Standes.

Fig. ι zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung im Längsschnitt;

Fig. 2 zeigt in vergrößertem Maßstab den von den Linien A-A und B-B begrenzten Teil der Vorrichtung gemäß Fig. 1 im Längsschnitt; in

Fig. 3 ist eine abgeänderte Ausführungsform der Vorrichtung im Längsschnitt dargestellt.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung besteht aus einem Körper 10 von großer Masse und einem Körper 12 von vergleichsweise kleiner Masse, die miteinander durch eine Stahlstange 14 verbunden sind, welche einen hohen Elastizitätsmodul aufweist. Die Stange 14 kann mit den Körpern 10, 12 auf beliebige Weise verbunden werden. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Stange an beiden Enden mit Gewinde versehen und unmittelbar in den Körper 12 bzw. in eine Seilhülse 16 eingeschraubt, die mit Gewinde versehen und auf den Körper 10 aufgeschraubt ist. Der Körper 10 ist zwecks Aufnahme der Stange 14 mit einer Bohrung versehen. Auf das entgegengesetzte oder untere Ende des Körpers 10 ist ein rohrförmiges Gehäuse 18 aufgeschraubt, das lang genug ist, um die Stange 14 vollständig einzuschließen und den Körper 12 mindestens teilweise zu umgeben, wobei das Gehäuse als Führung für die hin- und hergehende Bewegung des Körpers 12 und als Abschluß zwecks Abdichtung des Innern dient, wie nachstehend beschrieben wird. Mit dem Körper 12 ist ein Bohrer 20 von entsprechender Form verbunden, und an der Seilhülse 16 ist in üblicher Weise ein Seil 22 zum Halten der Vorrichtung im Bohrloch befestigt.

Die beschriebene Vorrichtung besteht demgemäß im wesentlichen aus einem Körper 12 kleiner Masse, der durch eine elastische Stange 14 mit einer zweiten und viel größeren Masse verbunden ist, die durch das Gehäuse 18, den Körper 10 und die Seilhülse 16 gebildet ist. Wenn daher der Körper 12 relativ zum Körper 10 aus seiner Ruhestellung beispielsweise nach unten verschoben und freigegeben wird, wird er in senkrechter Richtung mit einer Frequenz schwingen, die durch die Steifigkeit der Stange 14 und die Größe der Massen, der Körper 12 und 10 mit ihren zugehörigen Teilen bestimmt wird.

Mittels der Schwingung des Körpers 12 mit seinem Schneidwerkzeug oder Bohrer 20 werden auf die zu durchbohrende Schicht Stöße ausgeübt. Die Einrichtung, welche diese Schwingung auslöst und sie' auf der resonierenden Frequenz des Systems hält, ist in Fig. 2 dargestellt. Sie besteht aus einem ringförmigen Anker 24, der in der Nähe des Körpers 12 an der Stange 14 befestigt ist, und aus einem konzentrischen Elektromagneten 26, der mit der Wand des Gehäuses 18 verbunden ist. Die gegenüberliegenden Flächen des Ankers und der Pole des Magneten sind parallel und berühren sich nicht. Sie stehen zur Bewegungsachse unter einem Winkel, der durch die nachstehend beschriebenen Bedingungen bestimmt wird. Die Teile der Einrichtung können auch umgekehrt angeordnet werden, d. h., der Anker kann am Gehäuse 18 und der Magnet an der Stange 14 befestigt werden.

Obwohl in der Vorrichtung gemäß der Erfindung die zu verwendende elektromagnetische Einrichtung beliebige Konstruktion aufweisen kann und insbesondere längs der Stange und des Gehäuses mehrere getrennte Einheiten angeordnet werden können, hat sich die oben beschriebene Konstruktion am zufriedenstellendsten erwiesen, besonders wenn sich die Ringelemente aus einer Vielzahl von L-förmigen Lamellen zusammensetzen, die in radialer Richtung angeordnet sind. Rund um den Magneten 26 ist in üblicher Weise eine Wicklung angeordnet und nimmt den Raum 28 zwischen dem Anker 24 und dem Magneten 26 ein.

Obwohl beide Elemente der elektromagnetischen Einrichtung unmittelbar auf der Stange 14 bzw. auf dem Gehäuse 18 befestigt werden können, ist iao es vorteilhaft, zwecks leichteren Ein- und Ausbringens als Halter Grundringe 30 und 32 zu verwenden.

Zwischen den Polen des Magneten 26 und dem · Anker 24 muß selbstverständlich ein Luftspalt be- las stehenbleiben, so daß sich das eine Element relativ

zum anderen bewegen kann. Wenn dann durch die Magnetwicklung im Raum 28 ein elektrischer Strom hindurchgeht, wird quer zum Luftspalt ein magnetischer Kraftfiuß erzeugt. Infolge der winkligen Anordnung der gegenüberliegenden Flächen der Elemente der elektromagnetischen Einrichtung wird die Stange 14 unter dem Einfluß der magnetischen Anziehung gedehnt, wodurch eine relative Bewegung zwischen den Körpern 10 und 12 erzeugt wird.

Wie bereits erklärt worden ist, besitzt der Körper 12 eine natürliche Schwingungsperiode, die von seiner Masse, der Steifigkeit der Stange 14 und der Größe der tragenden Masse abhängt. Wenn daher die Frequenz der quer zum Luftspalt zwischen den Elementen der elektromagnetischen Einrichtung erteilten magnetischen Impulse der natürlichen Schwingungsperiode der Masse des Körpers 12 gleichgemacht wird, kann die Amplitude und die

ao Schwingungskraft der Masse des Körpers 12 durch die Stärke des durch die Wicklung hindurchgehenden Stromes gesteuert werden.

Durch Anwendung der mechanischen Resonanzeigenschaften der obigen Anordnung kann die Anzahl der durch das Schneidwerkzeug auf die Schicht ausgeübten Stöße gegenüber der normalerweise möglichen Anzahl ungeheuer gesteigert werden. Wenn . beispielsweise gewöhnlicher 60-Phasen-Wechselstrom durch die Wicklung hindurchgeleitet wird, kann- dadurch eine synchrone Schwingungsbewegung des Körpers 12 mit der Frequenz von 7200 Schwingungen/min aufrechterhalten werden. Wenn nun die Masse des Körpers 12 und die Steifigkeit der Stange 14 so gewählt werden, daß die Anordnung ebenfalls eine natürliche Frequenz von 7200 Schwingungen/min aufweist, können auf die Schicht mit dieser Frequenz sehr kräftige Stöße ausgeübt werden.

Es wurde bereits erwähnt, daß der Luftspalt im Magnetkreis mit der Achse der Stange 14 einen Winkel einschließt, so daß sich eine nach unten gerichtete Zugkomponente ergibt, welche die Stange 14 periodisch dehnt. Wenn berücksichtigt wird, daß bei einer maximal erzeugbaren Kraftliniendichte von 9300 Kraftlinien/cm² der wirksame Abstand zwischen dem Pol und dem Magneten nicht größer als 1,4 mm sein kann, muß selbstverständlich der Flächenwinkel der Teile der elektromagnetischen Einrichtung weitgehend entsprechend dem Ausmaß der erforderlichen Bewegung bestimmt werden. Für eine Bewegungsamplitude von etwa 3 mm oder weniger beträgt daher der optimale, aber nicht kritische Wert des Flächenwinkels gegenüber der Achse der Stange 14 etwa 20⁰. Es ist somit nur erforderlich, daß der Luftspalt nicht größer als 1,4 mm ist, damit sich die Flächen der Pole und des Ankers nicht berühren und damit die Magnetkraft ausreicht, um in der oben beschriebenen Weise eine Dehnung der Stange herbeizuführen.

Bei der beschriebenen Vorrichtung könnte angenommen werden, daß sich infolge der Schwingungsbeanspruchung von hoher Frequenz, der die Stange 14 unterworfen wird, Schwierigkeiten durch Bruch der Stange ergeben. Dies ist jedoch nicht der Fall, wenn hochgradiger Stahl verwendet wird, bei dem die maximale Zugbeanspruchung 700 kg/cm² nicht übersteigt. Dies erfordert aber, daß die Länge der Stange 14 mindestens etwa das 3ooofache der gewünschten Amplitude beträgt.

Die natürliche Schwingungsperiode des oben beschriebenen Systems wird durch die Gleichung bestimmt:

^f ~ 2π

mm

27t

/ ist die Frequenz (ausgedrückt in Phasen/sec), u ist die Steifigkeit der Stange 14 (ausgedrückt in Dyn/cm), m und m' sind in g die Massen des Körpers 12 und desTfagenden Körpers 10 mit den zugehörigen Teilen.

Es ist ferner zu bemerken, daß in dem oben beschriebenen Schwingungssystem der Körper 12 und der tragende Körper (ro+16+ 18 und ein Teil der Stange 14) in entgegengesetzten Richtungen und mit Amplituden schwingen, die zu ihren Massen umgekehrt proportional sind. Wenn daher die Masse des tragenden Körpers beispielsweise zehnmal so groß gemacht wird als die Masse des Körpers 12, wird sich der tragende Körper praktisch überhaupt nicht bewegen, und auf das Tragseil wird keinerlei Schwingung übertragen.

Unter diesen Bedingungen reduziert sich die obige Gleichung auf

m ist die Masse des Körpers 12 in g, und die Steifigkeit u wird wie oben in Dyn/cm ausgedrückt.

Bei der Berechnung der Masse des Körpers 12 ist ferner zu berücksichtigen, daß etwa ein Drittel der Masse der Stange 14 einen Teil der Masse des Körpers 12 bildet.

Gemäß Fig. 1 ist der Körper 12 mit Dichtungsringen 34 beliebiger Art versehen, die dazu dienen, den Eintritt von Flüssigkeit in das Innere der Vorrichtung zu verhindern. Die für die Stromzuführung zur Vorrichtung benötigten elektrischen Leitungen können mit dem Seil 22 vereinigt werden.

Die Wirkungsweise der in Fig. 3 dargestellten abgeänderten Ausführungsform der Vorrichtung ist im wesentlichen dieselbe. Während jedoch bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1 der eine Körper im wesentlichen stillsteht, weisen bei der Vorrichtung gemäß Fig. 3 beide Körper im wesentlichen die gleiche Masse und dieselbe Schwingungsamplitude auf. An der Seilhülse 16 ist daher ein wesentlich längeres rohrförmiges Gehäuse 40 befestigt. Zwei Körper 42 und 44, von denen der letztere den iao Bohrer 20 trägt, sind durch eine elastische Stange 46 miteinander verbunden, die an ihrem Knotenpunkt durch einen Querträger 48 am rohrförmigen Gehäuse 40 befestigt ist. Die Schwingung des Systems wird durch die oben beschriebene und in Fig. 2 dargestellte Einrichtung ausgelöst und auf-

rechterhalten. Der Körper 44 ist mit Dichtungsringen 34 versehen, die das Eindringen von Flüssigkeit in das Innere der Vorrichtung verhindern.

Im Betrieb wird die Schwingung des Systems durch die auf der Stange 46 in der Nähe des Körpers 44 angeordnete elektromagnetische Einrichtung ausgelöst. Wenn sich die Stange vom Querträger 48 nach unten ausdehnt, dehnt sie sich auch nach oben aus, um eine entgegengesetzte und gleiche Bewegung des Körpers 42 zu bewirken. Bei resonierender Frequenz bewegen sich beide Körper mit gleicher Schwingungsamplitude hin und her.

Aus der obigen Beschreibung geht klar hervor, daß die Erfindung ein neues Stoßbohrwerkzeug zum Gegenstand hat, durch das auf die zu durchbohrende Schicht Stöße von sehr hoher Frequenz ausgeübt werden können, wobei das übliche Anheben und Senken des Seiles entfällt. Das Seil kann

ao daher nicht mehr einen begrenzenden Faktor für die Bohrgeschwindigkeit bilden, und seine Lebensdauer wird durch Verringerung der Beanspruchungen erhöht, denen es gewöhnlich unterworfen ist. Ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung gemäß der Erfindung weist die folgenden Abmessungen und Eigenschaften auf: Für eine Frequenz von 7200 Hüben/min und eine zugeführte Leistung von 10 PS wiegt der Körper 12 etwa 34 kg, die Stange 14 ist 9,5 m lang und hat einen Durchmesser von

34 mm. Die Gesamtlänge des Hubes beträgt 6 mm oder 3 mm in jeder Richtung, von der Ruhelage aus gerechnet.

Claims (4)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Elektromagnetisch angetriebenes Stoßbohrwerkzeug für Tiefbohrungen, das an einem Tragseil aufgehängt werden kann, gekennzeichnet durch einen an dem Tragseil befestigten Körper (10) großer Masse, durch eine starre Metallstange (14) mit einem hohen Elastizitätsmodul, die mit diesem Körper verbunden ist und sich von demselben weg erstreckt, durch einen den Bohrer (20) tragenden Körper (12) vergleichsweise kleiner Masse, der mit dem entgegengesetzten Ende der Metallstange verbunden ist, durch ein rohrförmiges Gehäuse (18), das sich von dem Körper großer Masse weg erstreckt und die Stange über ihre ganze Länge einschließt, durch einen Anker (24) und einen Elektromagneten (26), die komplementär geneigte konische Flächen aufweisen und durch einen Luftspalt voneinander getrennt sind, wobei der eine dieser Teile an der Stange und der andere in der Nähe des Körpers kleiner Masse am Gehäuse befestigt ist und wobei diese Teile bei Erregung des Elektromagneten eine Dehnung der Stange bewirken, sowie durch eine Einrichtung, die den Elektromagneten mit der ■ resonierenden Frequenz des Systems erregt.
2. 2. Stoßbohrwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse einen Teil des Körpers kleiner Masse übergreift, in welches dieser Körper kolbenartig entsprechend der Dehnung der Stange verschieblich eingesetzt ist.
3. 3. Stoßbohrwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die konischen Flächen des Ankers und des Elektromagneten zur Werkzeuglängsachse unter einem Winkel von etwa 20° geneigt sind und der Luftspalt bei maximalem Abstand voneinander nicht mehr als etwa 1,4 mm beträgt.
4. 4. Stoßbohrwerkzeug, das an einem Seil aufgehängt werden kann, mit einer Anker- und Magnetanordnung nach Anspruch 1 und mit den Merkmalen der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallstange (46) mit hohem Elastizitätsmodul an einem Knotenpunkt durch einen Querträger (48) fest mit dem Gehäuse (40) verbunden ist und die Massen der Körper (42,44) an den beiden Enden der Stange etwa gleich groß sind, wobei der obere Körper (42) ebenso wie der untere, mit dem Bohrer (20) verbundene Körper (44) innerhalb des Gehäuses der Dehnung der Stange entsprechend beweglieh ist.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen

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