EP0324870A1 - Selbststeuerndes Gestängerohr für rotierende Bohrgestänge von Gesteinsbohrmaschinen - Google Patents

Selbststeuerndes Gestängerohr für rotierende Bohrgestänge von Gesteinsbohrmaschinen Download PDF

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EP0324870A1
EP0324870A1 EP88100657A EP88100657A EP0324870A1 EP 0324870 A1 EP0324870 A1 EP 0324870A1 EP 88100657 A EP88100657 A EP 88100657A EP 88100657 A EP88100657 A EP 88100657A EP 0324870 A1 EP0324870 A1 EP 0324870A1
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EP
European Patent Office
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drilling
self
shaft
drill pipe
housing
Prior art date
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EP88100657A
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English (en)
French (fr)
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EP0324870B1 (de
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Martin Wiebe
Heinz Wallussek
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Bergwerksverband GmbH
Schwing Hydraulik Elektronik GmbH and Co
Original Assignee
Bergwerksverband GmbH
Schwing Hydraulik Elektronik GmbH and Co
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Publication date
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Priority to AT88100657T priority patent/ATE65111T1/de
Priority to AU28336/89A priority patent/AU616930B2/en
Priority to ZA89251A priority patent/ZA89251B/xx
Priority to US07/297,046 priority patent/US5000272A/en
Priority to BR898900201A priority patent/BR8900201A/pt
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    • E21B47/14—Means for transmitting measuring-signals or control signals from the well to the surface, or from the surface to the well, e.g. for logging while drilling using acoustic waves
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/04—Directional drilling
    • E21B7/06—Deflecting the direction of boreholes
    • E21B7/062—Deflecting the direction of boreholes the tool shaft rotating inside a non-rotating guide travelling with the shaft

Definitions

  • the invention relates to a self-controlling drill pipe for rotating drill pipes according to the preamble of patent claim 1.
  • the self-controlling drill pipe according to the invention is arranged behind the drilling tool and generally in the vicinity thereof. Its inner drilling shaft is connected in a rotationally fixed manner, in particular to the deepest drill pipe and to the drilling tool.
  • a drill head equipped with several roller drill bits serves as the drilling tool.
  • the self-control works immediately behind the free cutting of the drilling tool, whereby the correction of any deviation of the drilling tool from the predefined drilling direction is carried out so quickly that the direction of the drilling practically coincides with the desired direction.
  • the self-control required for this is accommodated with its various systems in the standing housing, which encloses the drilling shaft.
  • the housing On the outside, the housing carries the control strips, which are offset by the same arc angle and pivotally mounted at one end, which, in cooperation with the joint of the borehole, apply the necessary correction forces.
  • the measuring device designed as an inclinometer Value transmitter
  • the system used to drive the control strips which can swivel out the control strips individually depending on the respective deviations, as well as the control and, if necessary, special electronics which act on a measured value pressure pulse generator, which transmits data to the drilling rig via the borehole flushing .
  • the stator of a generator that generates the electrical energy for the electronics and electrics is also accommodated in the housing.
  • the chambers are placed one behind the other in radial projections of the standing outer body, which are housed behind the rod-side end mounted and connected to the travel limiter end of the housing connected to the travel limiter.
  • the rotating drill pipe with which the self-controlling drill pipe according to the invention is used, is driven by a drill motor installed outside the drill hole.
  • Rotary drilling Working rock drilling machines produce boreholes sunk from top to bottom, in which the borehole flushing serves to discharge the cuttings removed from the bottom of the borehole with the drilling tool upwards and out of the borehole.
  • Such a flushing can also be operated with water in the device according to the invention with sufficient buoyancy speed in the borehole, but weighted flushing fluids which generate additional buoyancy and are known for this purpose are known as a gel or as a cloudiness with tixotropic properties, for example when bentonite is present.
  • the device according to the invention can also be used for such bores, provided that rinsing liquids are used here, for example, to cool the cutting edges.
  • the borehole slurry flowing in the area between the pipe string and the borehole joint can be used for the transmission of measured values.
  • Part of the electrical system then serves to hydraulically control the pressure pulse generator, which is mounted in the shaft and changes the cross section of the flushing channel.
  • the hydraulic Control of the encoder can be installed in the outer body.
  • the invention is based on a known self-controlling drill pipe of the type described at the beginning (Glückauf magazine 120 (1984) No. 13, pp. 819,822).
  • One of the chambers mentioned serves as a tank for the hydraulic working fluid consisting of oil for the hydraulic pumps for the pistons housed behind each control bar in the linkage.
  • the pumps represent the system's pressure generators and are mechanical, ie driven by an eccentric of the drilling shaft.
  • the hydraulic control of the pressure pulse generator requires a series of rotary unions of the drilling shaft in the housing, which are provided with soft seals sealed on the drilling shaft, which seal the working fluid of the hydraulic system, which is under a system pressure of, for example, 100 bar.
  • the radial bearings of the drilling shaft are located at the ends of the housing and are supplemented by an axial bearing which is arranged behind the radial bearing on the drilling tool side in the housing.
  • These drilling shaft bearings are designed as roller bearings in order to achieve a smooth shaft in the housing.
  • rotary seals are attached to the front of the housing, which separate the bearing lubrication from the borehole slurry and relieve the soft seals.
  • the described construction of these seals is complex and prone to failure due to the large number of their components.
  • the sealing pressure of the rotary seals is not sufficient for the high pressures of the borehole flushing, as are encountered in deep boreholes that have to be sunk over several hundred or even a thousand meters.
  • the sealing rings of the rotary bearings must be insulated. Nevertheless, even at low depths, a wedge of lubricant forms between these surfaces of the rotary seals that rub against each other. Even with the most careful storage, the drilling shaft and the housing execute radial movements, which also act on the surfaces of the rotary seals, which are sealed and lubricated.
  • the invention has for its object to simplify the structure of the self-control in a self-controlling drill pipe with the features explained above and to ensure that regardless of the pressure of the borehole flushing and thus of the depths drilled holes the service life of the parts important for the system in any case turns out large that it is not less than the service life of the drilling tools.
  • the hydraulic differential pressure which prevails between the drill pipe rinsing in the rinsing channel of the drilling shaft and the borehole rinsing at the respective end of the housing is used as a working medium of the hydraulic system by branching off a partial flow of the rinsing liquid which is largely free of the drilling cuttings and which flows in to prevent contaminated flushing liquid from the borehole into the housing.
  • This differential pressure namely creates a pressure gradient from the annulus into the borehole so that no cuttings can flow back.
  • this pressure drop is relatively small, so that there are also small pressure differences in front of and behind the check valves separating the clean drilling fluid from the contaminated drilling fluid, which considerably simplifies the construction of such valves.
  • the invention uses the relatively clean drill pipe drilling as a working fluid hydraulic system of self-control, which u. a. does the necessary work in the drives of the control strips.
  • This enables self-control to be achieved with a simplified hydraulic system, even for very deep bores with correspondingly high hydraulic pressures.
  • the rotary unions described are namely outside under the high hydraulic pressure of the flushing and inside under the system pressure, so that low differential pressures result in deep bores and the soft seals can also be used for this.
  • the check valves mainly act as dirt deflectors on the cuttings of the borehole slurry.
  • one also uses the clean drill pipe winding for driving the pulse generator, but generates the required pressure with a pump mechanically derived from the drill pipe. Thereby it is possible to shape the pulses representing the measured values in such a way that they can be read without error by a differential pressure sensor at the mouth of the borehole.
  • valve body is formed by a metal ring housed in a standing housing in the groove, which is preloaded, for example, with an annular spring arrangement in the direction of the valve seat, which is axially immovably housed in a groove of the drilling shaft or a drilling shaft flange.
  • metal rings are known as seals and for rough operating conditions suitable, such as occur in construction.
  • the self-controlling drill pipe is provided with a drilling shaft (2) which is screwed to the end of the last drill pipe of a rotating pipe rod via a threaded head (3), which is common in drill pipes of rotary drilling rigs can be.
  • the drilling shaft (2) has a rinsing channel (4) which extends to the other shaft end (5) with an enlarged diameter, which, with its internal thread (6), receives the threaded pin (not shown) of a drilling tool which consists of several tapered rollers fitted with hard metal chisels consists.
  • the drilling shaft is surrounded by a housing (10).
  • a housing (10) On the outside of the housing are U-shaped profiled control bars (11-14), each offset by a quarter circle, with their angled web ends, as shown at (15) in Fig. 1, pivotally mounted.
  • the housing has projections (16-19) enclosed by the U-profiles of the control strips (11-14), in which chambers are recessed.
  • the control electronics of the self-control is housed protected.
  • Chamber (22) of the drive piston assigned to each control strip is guided.
  • the rotor of a generator (22) generating the electrical energy is connected in a rotationally fixed manner to the drilling shaft (2) and works in a stator which is arranged in a rotationally fixed manner in the housing.
  • a hydraulic pump is housed in the chamber shown at (24), while a hydraulic pulse generator is indicated at (25).
  • control strips (11-14) are swiveled out in accordance with the signals coming from the inclinometers at (21) and thereby hold the drill pipe (1) in the specified drilling direction.
  • the electronics convert the measured values into electrical or hydraulic signals, which are implemented by the directional control valves of the hydraulic system or recorded by the pulse generator. This changes the cross-section of the flushing channel and thus generates differential pressures in the drill pipe drilling, which are read at the mouth of the borehole and converted into digital values.
  • annular space (26) surrounding the drilling shaft (2) is formed between the drilling shaft (2) and the housing (10). It is connected to the drill pipe flushing by means of a radial shaft bore (27) which extends from the annular space into the flushing channel (4) of the drilling shaft (2).
  • the annular space is sealed with a rotary check valve (28, 29) against the drilling fluid (30) flowing between the housing (10) and the borehole joint (29).
  • the borehole mud contains particles released from the drilling tool, not shown in FIG. 3.
  • Between the two rotary seals (28 and 29) are the radial bearings of the drilling shaft (2), shown schematically at (31 and 32).
  • the axial bearing usually provided is not shown in the illustration in FIG. 3 for reasons of simplification.
  • the dirt filter (33) built into the radial bore (7) is shown next to the bore to show the hydraulic system.
  • a hydraulic pump In the hydraulic system of self-control, a hydraulic pump is assigned to each bar. It is driven by an eccentric (34) which is fixed in a rotationally fixed manner on the drilling shaft (2) and acts on a pump piston (36) via a self-bearing ring (35). A radial bore (37) connects the pressure chamber of the pump cylinder with the annular space (26), in which the clean drill pipe flushing is applied. Check valves (37, 38) secure the pressure chamber of the pump.
  • the pump acts on an electrically controlled, spring-loaded 2/3-way valve (39) via which the drive piston mentioned in connection with FIG. 1 acts be suggested, which opposite control strips are assigned as rotary actuators and designated (40 and 41).
  • the hydrostatic system is secured by a bypass line (42) secured by a check valve.
  • the pulse generator (25) is shown as a double piston, which is mounted in the drilling shaft (2) in a radially movable manner.
  • the soft seals of the rotary unions (43-45) serve to secure the two hydraulic lines (46 and 47) which act on the piston of the pulse generator. This is done via a 2/3-way valve (48) corresponding to the valve (39), which is acted upon by a spring pressure accumulator (49) with the clean flushing liquid, which is supplied by the hydraulic pressure generator via a branch line (50) and a pressure relief valve (51) is acted upon.
  • the check valves (28, 29) are of uniform design. According to the enlarged representation in FIG. 1, they are each in a radial gap (53, 54) between the end face (55, 56) of the housing (10) and a collar (58, 59) of the drilling shaft (2).
  • Each valve is realized with an axially preloaded slide ring (66), which is seated in a bore (64) in a bore (64) Groove (61) of the housing (10) is housed.
  • the mutually projecting surfaces of the rings serve as dirt repellants because of the pressure gradient directed from the inside outwards. Due to the wedge shape of the sealing gap, the area ratios of the rings are selected so that the ring areas are lifted off one another from the internal pressure which prevails in the annular space as soon as the internal pressure is greater than the external pressure. Therefore drill pipe flushing can overcome the ring surfaces from the outside, but the backflow is excluded.

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Abstract

Bei einem selbststeuernden Gestängerohr (1) für rotierende Bohrgestänge von Gesteinsbohrmaschinen, welches eine mit dem Bohrgestänge und dem Bohrwerkzeug verbindbare innere Bohrwelle (2) mit Spülkanal (4) und ein drehbeweglich um die Bohrwelle (2) auf dieser gelagertes Gehäuse (10) aufweist ,an dem außen ausschwenkbare Steuerleisten (11-14) angeordnet und in dem die Teile der auf die Steuerleiste wirkenden hydrostatischen Antriebe (24), sowie die Steuerelektronik (20) und -elektrik untergebracht sind, wobei der Energiebedarf durch die Drehbewegung beim Bohrvorgang erzeugt wird, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß zwischen der Bohrwelle (2) und dem Gehäuse (10) ein Ringraum (26) vorhanden ist, der eine radiale Verbindung (27) zum Spülkanal der Bohrwelle aufweist und an beiden Enden mit je einem gegen die Bohrlochspülung abdichtenden Rotationsrückschlagventil (28, 29) abgeschlossen ist, und daß der Ringraum (26) als Tank für die von der Bohrwellenspülung gebildete Arbeitsflüssigkeit des hydraulischen Systems dient.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein selbststeuerndes Gestängerohr für rotierende Bohrgestänge gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Das erfindungsgemaße selbststeuernde Gestängerohr wird hinter dem Bohrwerkzeug und in der Regel in dessen Nähe angeordnet. Seine innere Bohrwelle wird drehfest insbesondere mit dem tiefsten Gestängerohr und mit dem Bohrwerkzeug unmittelbar verbunden. Als Bohrwerkzeug dient beispielsweise eine mit mehreren Rollenbohrmeißeln bestückter Bohrkopf. Dadurch arbeitet die Selbststeuerung unmittelbar hinter dem Freischnitt des Bohrwerkzeuges, wodurch die Korrek­tur jeder Abweichung des Bohrwerkzeuges von der vorgegebenen Bohrrichtung derart schnell erfolgt, daß die Richtung der Bohrung mit der Sollrichtung praktisch übereinstimmt. Die hierzu erforderliche Selbststeuerung ist mit ihren verschiedenen Systemen in dem stehenden Gehause untergebracht, welches die Bohrwelle umschließt. Außen trägt das Gehäuse die um gleiche Bogenwinkel versetzt ange­ordneten und an einem Ende schwenkbar gelagerten Steuerleisten, welche im Zusammenwirken mit dem Bohrlochstoß die erforderlichen Korrekturkräfte aufbringen. In dem Gehäuse sind Kammern ausgespart, in denen die als Neigungsmesser ausgebildeten Meß­ wertgeber, das zum Antrieb der Steuerleisten dienende System, welches nach Maßgabe der jeweili­gen Abweichungen die Steuerleisten einzeln aus­schwenken kann, sowie die Steuer- und gegebenen­falls eine Sonderelektronik untergebracht ist, welche einen Meßwert-Druck-Impulsgeber beaufschlagt, welcher über die Bohrlochspülung Daten zum Bohr­stand überträgt. In dem Gehäuse ist ferner der Stator eines die elektrische Energie für die Elektronik und Elektrik erzeugenden Generators untergebracht.
  • Im allgemeinen bringt man die Kammern hinterein­ander in radialen Vorsprüngen des stehenden Außen­körpers unter, welche hinter dem gestängeseitigen Ende gelagerten und am bohrwerkzeugseitigen Ende des Gehäuses am Wegbegrenzer angeschlossenen Steuerleisten untergebracht sind. Hieraus ergibt sich eine raumsparende Anordnung, welche Rohr­gestänge für Bohrungen mit relativ geringem Durchmesser von z.B. 21,6 cm ermöglicht.
  • Im allgemeinen wird das rotierende Bohrgestänge, mit dem zusammen das erfindungsgemäße selbst­steuernde Gestängerohr verwendet wird, von einem außerhalb der Bohrung aufgestellten Bohrmotor angetrieben. Solche nach dem Rotary-Bohrverfahren arbeitenden Gesteinsbohrmaschinen stellen von oben nach unten abgeteufte Bohrungen her, bei denen die Bohrlochspülung dazu dient, das von der Bohrloch­sohle mit dem Bohrwerkzeug abgetragene Bohrklein nach oben und aus der Bohrung auszutragen. Eine solche Spülung kann bei hinreichender Auftriebs­geschwindigkeit im Bohrloch auch bei der erfin­dungsgemäßen Vorrichtung mit Wasser betrieben werden, jedoch eignen sich hierfür auch einen zusätzlichen Auftrieb erzeugende beschwerte Spülflüssigkeiten, die als Gel oder als Trübe mit tixotropen Eigenschaften z.B. bei Beschwerung durch Bentonit bekannt sind. Da beim Bohren von unten nach oben die Schwerkraft den Austrag des Bohrkleins aus dem Bohrloch unterstützt, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch für solche Bohrungen eingesetzt werden, soweit hierbei Spülflüssigkeiten etwa zum Kühlen der Bohrschnei­den verwendet werden.
  • Die im Bereich zwischen dem Rohrgestänge und dem Bohrlochstoß strömende Bohrlochtrübe kann zur Übertragung von Meßwerten benutzt werden. Ein Teil der Elektrik dient dann zur hydraulischen Steuerung des Druckimpulsgebers, der in der Welle gela­gert ist und den Querschnitt des Spülkanals verän­dert. Hierbei muß allerdings die hydraulische Steuerung des Impulsgebers im Außenkörper angebracht sein.
  • Bei derartigen selbststeuernden Gestängerohren ist es wegen der infolge des geringen Platzangebotes im Gehäuse weitgehend miniaturisierten Hydraulik erforderlich, hohe Anforderungen an die Sauberkeit der hydraulischen Arbeitsflüssigkeit zu stellen und außerdem auch die mechanischen Teile, welche etwa wie die Lager der Bohrwelle gegen das Eindringen von Bohrklein besonders empfindlich sind, zu schützen.
  • Die Erfindung geht von einem bekannten selbst­steuernden Gestängerohr der eingangs beschriebenen Art aus (Zeitschrift Glückauf 120 (1984) Nr. 13, SS. 819,822). Hierbei dienz eine der erwähnten Kammern als Tank für die aus Öl bestehende hydraulische Arbeitsflüssigkeit der hydraulischen Pumpen für die hinter jeder Steuerleiste im Gestänge untergebrachten Kolben. Die Pumpen stellen die Druckerzeuger des Systems dar und sind meachanisch, d. h. über einen Exzenter der Bohrwelle an­getrieben. Die hydraulische Steuerung des Druckimpulsgebers macht eine Reihe von Drehdurchfüh­rungen der Bohrwelle im Gehäuse erforderlich, die mit auf der Bohrwelle abgedichteten Weichdichtungen versehen sind, welche die unter einem Systemdruck von z.B. 100 bar stehender Arbeitsflüssigkeit des hydraulischen Systems abdichten. In den Enden des Gehäuses sitzen die Radiallager der Bohrwelle, die ein Axiallager ergänzt, das hinter dem bohrwerkzeugseitigen Radial­lager im Gehäuse angeordnet sind. Diese Bohr­wellenlager sind als Wälzlager ausgebildet, um eine leicht gängige Welle im Gehäuse zu errei­chen. An den Stirnseiten des Gehäuses sind zum Schutz der Bohrwellenlager Rotationsdichtungen angebracht, welche die Lagerschmierung von der Bohrlochtrübe trennen und die Weichdichtungen ent­lasten.
  • Einerseits ist der beschriebene Aufbau dieser Dichtungen durch die Vielzahl ihrer Bauelemente auf­wendig und störanfällig. Andererseits genügt der Dichtdruck der Rotationsdichtungen nicht für hohe Drücke der Bohrlochspülung, wie sie bei Tief­bohrungen angetroffen werden, die über mehrere hundert oder sogar tausend Meter abgeteuft werden müssen. Die aufeinander abdichtenden Ringe der Rotationslager müssen isoliert sein. Dennoch bildet sich schon bei geringen Teufen ein Schmier­mittelkeil zwischen diesen aufeinanderreibenden Flächen der Rotationsdichtungen. Selbst bei sorg­fältigster Lagerung führen die Bohrwelle und das Gehäuse Radialbewegungen aus, die auch auf zwischen den aufeinanderdichtenden und mit Schmiermittel versehenen Flächen der Rotationsdichtungen wirken. Hierdurch wird feinstes Bohrklein aus der Bohr­ lochspülung in den erwähnten Schmiermittelteil eingezogen. Diese Partikel wirken abrasiv auf die polierten, aufeinanderreibenden Flächen der Rotationsdichtung. Das führt im Ergebnis dazu, daß Teile des Bohrkleins zwischen die Bohrwelle und das Gehäuse geraten. Sie zerstören in kurzer Zeit die Wellenlager und greifen auch den Generator, Hydraulikpumpen, sowie die Weich­dichtungen der Drehdurchführungen an. Die Beschä­digung oder Zerstörung dieser Teile ist besonders gefährlich, weil dadurch das als Arbeitsflüssig­keit dienende Öl verlorengehen kann. Die insgesamt vorhandene Ölmenge ist sehr klein, so daß schon geringe Ölverluste das ganze System zum Ausfall bringen konnen. Außerdem führen Verschmutzungen des Öls zu erheblichen Störungen in den nachgeord­neten hydraulischen Baugruppen des Systems.
  • Wenn derartige Störungen eintreten, spielen sie sich mit wechselnder Teufe in immer kürzer werden­den Zeiträumen ab. Sie lassen sich nur an der ausgebauten Vorrichtung beseitigen. Das setzt das Ausfahren des gesamten Rohrgestänges aus dem Bohr­loch voraus. Die hierdurch und durch das Wieder­einfahren des Rohrgestänges verlorengehenden Zeit­räume sind dann nicht tragbar, wenn sie nach ihrer Häufigkeit nicht mit den Zeiträumen übereinstimmen, die für das Auswechseln abgenutzter Bohrwerkzeuge erforderlich sind.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem selbststeuernden Gestängerohr mit den eingangs er­läuterten Merkmalen den Aufbau der Selbststeuerung zu vereinfachen und dafür zu sorgen, daß unabhängig vom Druck der Bohrlochspülung und damit von der Teufe niedergebrachter Bohrungen die Standzeit der für das System wichtigen Teile jedenfalls so groß ausfällt, daß sie nicht geringer als die Standzeit der Bohrwerkzeuge ist.
  • Diese Aufgabe löst die Erfindung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Zweckmäßige Ausführungsfor­men sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Gemäß der Erfindung wird der hydraulische Differenzdruck, welcher zwischen der Bohrgestänge­spülung im Spülkanal der Bohrwelle und der Bohr­lochspülung an dem jeweiligen Ende des Gehäuses herrscht, durch Abzweigung eines Teilstromes der weitgehend von dem Bohrklein freien, zufließenden Spülflüssigkeit als Arbeitsmedium des hydraulischen Systems dazu genutzt, das Eindringen von ver­schmutzter Spülflüssigkeit aus dem Bohrloch in das Gehäuse zu verhindern. Dieser Differenzdruck erzeugt nämlich ein Druckgefälle vom Ringraum in das Bohrloch, so daß kein Bohrklein zurückfließen kann. Andererseits ist dieses Druckgefälle relativ gering, so daß vor und hinter den die saubere Bohr­lochspülung von der verschmutzten Bohrlochspülung trennenden Rückschlagventilen ebenfalls geringe Druckdifferenzen herrschen, was den Aufbau solcher Ventile wesentlich vereinfacht.
  • Außerdem nutzt die Erfindung die relativ sauberen Bohrgestängespülung als Arbeitsflüssigkeit hydrau­lischen Systems der Selbststeuerung, die u. a. die notwendige Arbeit in den Antrieben der Steuer­leisten leistet. Das ermöglicht die Verwirklichung der Selbststeuerung mit einem vereinfachten hydrau­lischen System auch für sehr tiefe Bohrungen mit entsprechend hohen hydraulischen Drucken. Die be­schriebenen Drehdurchführungen stehen nämlich außen unter dem hohen hydraulischen Druck der Spülung und innen unter dem Systemdruck, so daß sich bei tiefen Bohrungen geringe Differenzdrücke ergeben und auch hierfür die Weichdichtungen verwendbar sind.
  • Es hat sich herausgestellt, daß trotz der empfindlichen Bauteile des hydraulischen Systems der Selbststeuerung außer den Spülungen aus Wasser oder Gelen auch tixotrope Trüben als Arbeitsflüs­ sigkeit geeignet sind, wenn sie vor der Bohrloch­spülung abgetrennt werden und daher im wesentlichen frei von Bohrklein sind. Zwar reichern sich alle Arten von Spülungen über die Dauer ihrer Benutzung im Spülkreislauf mit Teilen des Bohrkleins an. Da man aber erfindungsgemäß nur einen Teilstrom der frischen, d.h. der Bohrgestängespülung in den Ring­raum abzweigt, läßt sie sich einer gefährlichen Verschmutzung der hydraulischen Arbeitsflüssigkeit entgegenwirken. Zwar steht nach dem Ziehen des Rohrgestänges die Bohrlochspülung in dem Bohrloch weiterhin an, jedoch läßt sich auch beim Ein- und Ausfahren des Rohrgestänges durch eingebaute Rück­schlagventile die Flüssigkeitsfüllung des Ring­raumes aufrechterhalten, die das Eindringen von Bohrklein verhindert.
  • Dadurch ist es auch möglich, die Lager in die Bohrgestängespülung des Ringraumes einzubeziehen und diese mit dieser Flüssigkeit zu kühlen. Die Rückschlagventile wirken hauptsächlich als Schmutz­abweiser auf das Bohrklein der Bohrlochtrübe.
  • Gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 2 verwen­det man für den als Antrieb des Impulsgebers zwar auch die saubere Bohrgestängespulung, erzeugt je­doch den erforderlichen Druck mit einer von dem Bohrgestänge mechanisch abgeleiteten Pumpe. Dadurch ist es möglich, die die Meßwerte wiedergebenden Impule so zu formen, daß sie fehlerfrei von einem Differenzdruckaufnehmer am Bohrlochmund abgelesen werden können.
  • Die oben erwähnte Möglichkeit, mit Partikeln des Bohrkleins verschmutzte Bohrgestängespülungen störungsfrei in der erfindungsgemäßen Weise wie oben beschrieben zu benutzen, läßt sich mit den Merkmalen des Patentanspruches 3 realisieren, weil geeignete Filter bzw. Filtermedien zur Verfügung stehen und hinreichende Standdauern erbringen, so daß der regelmäßige Ausbau verschmutzter Filter nach dem Ziehen des Rohrgestänges zum Auswechseln des Bohrwerkzeuges ausreicht, um diese Störungs­quelle auszuschalten.
  • Die Rückschlagventile, welche an den Enden des Gehäuses bzw. des Ringraumes benötigt werden, lassen sich relativ einfach ausbilden. Mit den Merkmalen des Patentanspruches 4 wird ihr Ventil­körper von einem im stehenden Gehäuse in einer Nut untergebrachten Metallring gebildet, der beispiels­weise mit einer Ringfederanordnung in Richtung auf den Ventilsitz vorgespannt ist, welcher axial unbeweglich in einer Nut der Bohrwelle bzw. eines Bohrwellenflansches untergebracht ist. Solche Metallringe sind als Dichtungen bekannt und für rauhe Betriebsbedingungen geeignet, wie sie bei­spielsweise im Bauwesen auftreten. Sie sind als Rückschlagventile für die Zwecke der Erfindung besonders zweckmäßig, weil ihre Federkraft von dem außen anliegenden Druck der Bohrlochspülung ver­stärkt wird und weil das von innen nach außen ge­richtete Druckgefälle dafür sorgt, daß zwischen die aufeinanderragenden Flächen der Metallringe keine abrasiven Partikel des Bohrkleins geraten können.
  • Die Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigen
    • Fig. 1 schematisch und unter Fortlassung der erfindungsgemäßen Einzelheiten eine Gesamtansicht des selbststeuernden Gestängerohres gemäß der Erfindung im Längsschnitt,
    • Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II der Fig. 1 und
    • Fig. 3 schematisch die Ausbildung der Selbst­steuerung gemäß der Erfindung, wobei Teile im Schnitt wiedergegeben und das hydrauli­sche System in Symbolen gezeichnet ist.
  • Gemäß der Darstellung der Fig. 1 ist das allgemein mit (1) bezeichnete, selbststeuernde Gestängerohr mit einer Bohrwelle (2) versehen, die über ein bei Bohrgestängen von Rotary-Bohranlagen üblichen Gewindekopf (3) an das Ende des letzten Gestänge­rohres eines drehenden Rohrgestänges angeschraubt werden kann. Die Bohrwelle (2) weist einen Spül­kanal (4) auf, der bis zum anderen, im Durchmesser vergrößerten Wellenende (5) reicht, der mit seinem Innengewinde (6) den nicht dargestellten Gewindezapfen eines Bohrwerkzeuges aufnimmt, das aus mehreren, mit Hartmetallmeißeln besetzten Kegelrollen besteht.
  • Die Bohrwelle ist vom einem Gehäuse (10) umgeben. Außen am Gehäuse sind U-förmig profilierte, jeweils um einen Viertelkreis versetzt angeordnete Steuer­leisten (11-14) mit ihren abgewinkelten Stegenden, wie bei (15) in Fig. 1 dargestellt, ausschwenkbar gelagert. Das Gehäuse weist von den U-Profilen der Steuerleisten (11-14) umschlossene Vorsprünge (16-19) auf, in denen Kammern ausgespart sind. In der bei (20) in Fig. 1 wiedergegebenen Kammer ist geschützt die Steuerelektronik der Selbststeuerung untergebracht. In der darunterliegenden Kammer (21) liegen kreuzweise orientierte Neigungsmesser, welche die Istwerte der Neigung des Bohrgestänges im Bohrloch angeben. In der weiter unten liegenden Kammer (22) ist der jeder Steuerleiste zugeordnete Antriebskolben geführt. Der Rotor eines die elektrische Energie erzeugenden Generators (22) ist drehfest mit der Bohrwelle (2) verbunden und arbei­tet in einem Stator, der drehfest im Gehäuse ange­ordnet ist. Eine hydraulische Pumpe ist in der bei (24) gezeichneten Kammer untergebracht, während ein hydraulischer Impulsgeber bei (25) angedeutet ist.
  • Im Betrieb werden die Steuerleisten (11-14) nach Maßgabe der von den Neigungsmessern bei (21) kommenden Signale ausgeschwenkt und halten dadurch das Gestängerohr (1) in der vorgegebenen Bohr­richtung. Die Elektronik setzt die Meßwerte in elektrische bzw. hydraulische Signale um, welche von den Wegeventilen des hydraulischen Systems um­gesetzt bzw. von dem Impulsgeber aufgenommen werden. Dieser verändert den Querschnitt des Spül­kanals und erzeugt dadurch in der Bohrgestänge­spülung Differenzdrücke, die am Bohrlochmund gele­sen und in digitale Werte umgesetzt werden.
  • Gemäß der Darstellung der Fig. 3 ist zwischen der Bohrwelle (2) und dem Gehäuse (10) ein die Bohr­welle (2) umgebender Ringraum (26) ausgebildet. Er ist mit einer radialen Wellenbohrung (27), welche vom Ringraum in den Spülkanal (4) der Bohrwelle (2) reicht, mit der Bohrgestängespülung verbunden.
  • An beiden Enden ist der Ringraum mit je einem Rotationsrückschlagventil (28, 29) gegen die zwischen dem Gehäuse (10) und dem Bohrlochstoß (29) strömende Bohrlochspülung (30) abgedichtet. Die Bohrlochspülung enthält je von dem in Fig. 3 nicht dargestellten Bohrwerkzeug gelösten Partikel. Zwischen den beiden Rotationsdichtungen (28 und 29) liegen die schematisch bei (31 und 32) gezeichneten Radiallager der Bohrwelle (2). Das üblicherweise vorgesehene Axiallager ist in der Darstellung der Fig. 3 aus Vereinfachungsgründen nicht dargestellt. Zur Wiedergabe des hydraulischen Systems ist das in die Radialbohrung (7) eingebaute Schmutzfilter (33) neben der Bohrung dargestellt.
  • Im hydraulischen System der Selbststeuerung ist jeder Leiste eine hydraulische Pumpe zugeordnet. Sie wird über einen Exzenter (34) angetrieben, der drehfest auf der Bohrwelle (2) befestigt ist und über einen Selbstlagerring (35) auf einen Pumpen­kolben (36) wirkt. Eine Radialbohrung (37) verbin­det den Druckraum des Pumpenzylinders mit dem Ring­raum (26), in dem die saubere Bohrgestängespülung ansteht. Rückschlagventile (37, 38) sichern den Druckraum der Pumpe ab. Die Pumpe beaufschlagt ein elektrisch angesteuertes, federnd vorgespanntes 2/3-Wegeventil (39), über das die im Zusammenhang mit der Fig. 1 erwähnten Antriebskolben beauf­ schlagt werden, welche gegenüberliegenden Steuer­leisten als Schwenkantriebe zugeordnet und mit (40 und 41) bezeichnet sind. Über eine mit einem Rückschlagventil abgesicherte Bypasleitung (42) wird das hydrostatische System abgesichert.
  • Im mittleren Teil der Fig. 3 ist der Impulsgeber (25) als Doppelkolben dargestellt, der radial beweglich in der Bohrwelle (2) gelagert ist. Die Weichdichtungen der Drehdurchführungen (43-45) dienen zur Absicherung der beiden hydraulischen Leitungen (46 und 47), die den Kolben des Impuls­gebers beaufschlagen. Das geschieht über ein dem Ventil (39) entsprechendes 2/3-Wegeventil (48), welches von einem Federdruckspeicher (49) mit der sauberen Spülflüssigkeit beaufschlagt wird, die über eine Zweigleitung (50) und ein Überdruckventil (51) von dem hydraulischen Druckerzeuger beaufschlagt ist.
  • Wie sich aus der Fig. 3 ferner ergibt, sind die Rückschlagventile (28, 29) einheitlich ausgebil­det. Sie sitzen auch gemäß der vergrößerten Dar­stellung in Fig. 1 in je einem Radialspalt (53, 54) zwischen der Stirnfläche (55, 56) des Gehäuses (10) und je einem Bund (58, 59) der Bohrwelle (2). Dabei ist jedes Ventil mit durch eine in einer Bohrung (64) sitzende Druckfeder (65) einem axial vorgespannten Gleitring (66) verwirklicht, der in einer Nut (61) des Gehäuses (10) untergebracht ist. Als Ventilsitz dient die Ringfläche (62) eines Metall­ringes (63), der in jeden Bund (58, 59) der Bohr­welle (2) in einer dort angebrachten Nute (67) unbe­weglich festgesetzt ist.
  • Die aufeinanderragenden Flächen der Ringe dienen wegen des von innen nach außen gerichteten Druck­gefälles als Schmutzabweiser. Durch die Keilform des Dichtspaltes sind die Flächenverhältnisse der Ringe so gewählt, daß die Ringflächen von dem Innendruck, der im Ringraum herrscht vornein­ander abgehoben werden, sobald der Innendruck größer als der Außendruck ist. Deshalb kann Bohr­gestängespülung die Ringflächen von außen über­winden, jedoch ist der Rückfluß ausgeschlossen.

Claims (5)

1. Selbststeuerndes Gestängerohr für rotierende Bohrgestänge von Gesteins­bohrmaschinen, welches eine mit dem Bohrgestänge und dem Bohrwerkzeug (7) verbindbare innere Bohrwelle (2) mit Spülkanal (4) und ein drehbeweglich um die Bohrwelle (2) auf dieser gelager­tes Gehäuse (10) aufweist, an dem außen ausschwenkbare Steuerleisten (11-14) angeordnet und in dem die Teile der auf die Steuerleiste wirkenden hydrostati­schen Antriebe (40, 41), sowie die Steuereleketronik (20) und -elektrik (23) untergebracht sind, wobei der Ener­giebedarf durch die Drehbewegung beim Bohrvorgang erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Bohr­welle (2) und dem Gehäuse (10) ein Ring­raum (11) vorhanden ist, der eine radiale Verbindung (27) zum Spülkanal (4) der Bohrwelle (2) aufweist und an beiden Enden mit je einem gegen die Bohrloch­spülung abdichtenden Rotationsrück­schlagventil (28, 29) abgeschlossen ist, und daß der Ringraum (26) als Tank für die von der Bohrwellenspülung gebildete Arbeitsflüssigkeit des hydraulischen Systems dient.
2. Selbststeuerndes Gestängerohr mit einem Druckimpulsgeber, dadurch gekennzeichnet, daß als hydraulisches Arbeitsmedium des Druckimpulsgebers (25) die Bohrgestänge­spülung dient, wobei der hydraulische Arbeitsdruck von dem hydraulischen System zum Ausschwenken der Steuerleisten (11-14) abgeleitet ist.
3. Selbststeuerndes Gestängerohr nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn­zeichnet, daß die radiale Verbindung (27) eine bis zum Spülkanal reichende Bohrung (27) ist, in die ein Filter (33) eingebaut ist, das mit der Spülung aus dem Spül­kanal (4) der Bohrwelle (2) beaufschlagt ist.
4. Selbststeuerndes Gestängerohr nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Rückschlagventile (28, 29) an den Enden des Außenrohres in je einem Radialspalt (53, 54) zwischen den Stirnflächen (55, 56) des Gehäuses (10) und je einem Bund (58, 59) der Bohrwelle (2) untergebracht sind, wobei als Ventil ein axial vorgespannter Gleitring (60) in einer Nut (61) des Gehäuses (10) und als Ventilsitz die Ringfläche (62) eines im Bund (58, 59) der Bohrwelle (2) untergebrachten, axial festliegenden Metallringes (63) dient.
5. Selbststeuerndes Gestängerohr nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­zeichnet, daß der Impulsgeber (25) über eine mit Weichdichtungen (43-45) versehene Drehdurchführung aus einem Druckspeicher (49) beaufschlagt ist, der von einem hydraulischen Druckerzeuger (36) beauf­schlagt ist.
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