EP2634363B1 - Antriebsvorrichtung und Verfahren zum Antreiben eines Bohrgestänges - Google Patents

Antriebsvorrichtung und Verfahren zum Antreiben eines Bohrgestänges Download PDF

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EP2634363B1
EP2634363B1 EP12001319.8A EP12001319A EP2634363B1 EP 2634363 B1 EP2634363 B1 EP 2634363B1 EP 12001319 A EP12001319 A EP 12001319A EP 2634363 B1 EP2634363 B1 EP 2634363B1
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EP
European Patent Office
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vibration
drive shaft
drive
unit
transmission unit
Prior art date
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EP12001319.8A
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English (en)
French (fr)
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EP2634363A1 (de
Inventor
Andreas Pikowski
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Eurodrill GmbH
Original Assignee
Eurodrill GmbH
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Publication date
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Priority to CA2791201A priority patent/CA2791201C/en
Priority to US13/667,803 priority patent/US20130292179A1/en
Priority to CN201210502147.1A priority patent/CN103291215B/zh
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • 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
    • E21B7/24—Drilling using vibrating or oscillating means, e.g. out-of-balance masses
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B6/00—Drives for drilling with combined rotary and percussive action
    • E21B6/02—Drives for drilling with combined rotary and percussive action the rotation being continuous
    • E21B6/04—Separate drives for percussion and rotation

Definitions

  • the invention relates to a drive device for driving a drill rod having an outer rod and an inner rod, according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for driving a drill string according to the preamble of claim 12.
  • the drive device comprises a first rotary drive unit with which the outer linkage is rotationally drivable via an outer drive shaft, a second rotary drive unit with which the inner linkage can be rotationally driven independently of the outer linkage via an inner drive shaft, and a vibration unit for generating a vibration, which is a vibratory drivable Has vibration element.
  • the outer linkage is rotationally driven by means of a first rotary drive unit via an outer drive shaft
  • the inner linkage is rotationally driven by a second rotary drive unit via an inner drive shaft independent of the outer linkage and that vibration is generated by means of a vibration unit.
  • the drive device is provided in particular for the so-called double-head drilling, in which an outer linkage and an inner linkage accommodated therein are driven by two independent rotary drive units.
  • the drive device comprises an outer drive shaft, which can be coupled to the outer linkage.
  • the drive device For driving the inner linkage, the drive device comprises an inner drive shaft, which can be coupled to the inner linkage.
  • the outer rod may be a drill pipe which supports the soil surrounding the borehole as casing.
  • the inner stringing extends within the outer casing and may include soil working tools for soil removal and / or a conveying spiral for conveying soil material.
  • the invention has for its object to provide a drive device and a method for driving a drill pipe, which allow a particularly economic creation of a borehole.
  • the object is achieved by a drive device with the features of claim 1 and by a method having the features of claim 12.
  • the vibration element for transmitting the vibration to the outer drive shaft via a first transmission unit to the outer drive shaft is connected and that the vibration element for transmitting the vibration to the inner drive shaft via a second transmission unit with the inner drive shaft is connected ,
  • the inventive method is characterized in that the vibration generated at the vibration unit is transmitted via a first transmission unit to the outer drive shaft and via a second transmission unit to the inner drive shaft.
  • a basic idea of the invention is to provide, in a drive device with independent rotary drill drives for the outer linkage and the inner linkage, a common vibration unit which generates a vibration or vibration which is applied both to the outer linkage and to the inner linkage is transmitted.
  • a common vibration unit which generates a vibration or vibration which is applied both to the outer linkage and to the inner linkage is transmitted.
  • the invention saves a second vibration unit.
  • the drive device is compact and has a low power requirement.
  • the vibratory drilling is also quieter compared to a beating drilling and the skin friction is overcome more easily.
  • the vibration unit comprises a vibrating element or a vibrating body, which is moved up and down in the longitudinal direction of the drill string, that is vibrates or vibrates.
  • transmission units which transmit the vibration or vibration of the vibrating element, the vibrating body is effectively connected to both linkages or both drive shafts.
  • the drive shafts of the drive device are preferably drivable at different speeds and / or in different directions.
  • the first rotary drive unit drives only the outer linkage and the second rotary drive unit exclusively drives the inner linkage.
  • the vibration unit comprises a non-rotating vibration element whose axial vibration is transmitted via the transmission units to the rotating drive shafts.
  • the first transmission unit has at least one first pivot bearing, via which the outer drive shaft is rotatably mounted relative to the vibrating element
  • the second transmission unit has at least one second pivot bearing, over which the inner drive shaft is rotatably mounted relative to the vibrating element.
  • the transmission units designed as pivot bearings make it possible for the vibration element to be non-rotatably provided in a housing of the drive device.
  • the pivot bearings are preferably designed as thrust bearings, which ensure the transmission of axial forces.
  • the outer drive shaft and / or the inner drive shaft via a driver element, in particular a driver toothing, axially displaceably mounted on a drive element which rotatably drives the drive shaft.
  • the outer drive shaft and / or the inner drive shaft has, for example, an outer toothing, which is in engagement with a toothing of the drive element.
  • the drive element may in particular be designed as a hollow shaft with an internal toothing. About the driving teeth, the outer drive shaft and / or the inner drive shaft relative to the drive element is mounted axially displaceable.
  • the driving teeth thus ensure on the one hand the transmission of torque to the drive shaft and on the other hand a decoupling of the drive shaft in the axial direction relative to the drive element, so that the vibration of the drive shaft is not transmitted to the drive element or the rotary drive unit.
  • a particularly compact and stable drive device is achieved in that at least one of the rotary drive units and the vibration unit are arranged on a common receptacle or support and that the vibration unit is mounted axially movable on the common receptacle or support.
  • the rotary drive unit preferably comprises a frame or a housing, which is firmly connected to the receptacle.
  • an elastic element for example a rubber bearing, can be arranged between the vibration unit, in particular the vibration element, and the receptacle.
  • An advantageous coupling of the vibration unit with both drive shafts can be achieved by arranging the vibration unit between the first rotary drive unit and the second rotary drive unit.
  • the first transmission unit is arranged on a first axial side of the vibration element, and that the second transmission unit is arranged on a second axial side of the vibration element.
  • the inner drive shaft is passed through the vibrating element. This allows the arrangement of the second transmission unit and / or the second rotary drive unit on a side facing away from the drill string of the vibration unit.
  • the vibration element comprises a, for example cylindrical, bearing seat, on whose outer circumference the first transmission unit and / or the second transmission unit is arranged.
  • the inner drive shaft or the outer drive shaft preferably have a bearing seat on whose inner circumference the corresponding transmission unit is arranged.
  • an actuator is provided with which the outer drive shaft is axially adjustable relative to the inner drive shaft.
  • the actuator is preferably arranged between one of the transmission units and the vibration body. With the actuator, the position of the transmission unit relative to the vibrating body can be adjusted. As a result, the corresponding drive shaft is moved or adjusted axially with respect to the vibration body.
  • the actuator has an actuating cylinder and / or a rack.
  • the actuating cylinder may in particular be hydraulically and / or electrically actuated. It can also be arranged circumferentially distributed around the drive shaft several actuators.
  • a compact drive device may be provided by configuring the first transmission unit and / or the second transmission unit to transmit both the vibration and a torque.
  • the vibration of the vibration element via the first rotary drive unit and / or the second rotary drive unit to the outer or the inner drive shaft is transferable.
  • the vibration of the vibrating element is transmitted via a common receptacle on the rotary drive unit and from there via a rotary drive element as a transmission unit to the corresponding drive shaft.
  • the drive element as Transmission unit therefore transmits both the torque and the vibration to the drive shaft.
  • Fig. 1 shows a drive device 10 for driving a drill string, not shown, which comprises an outer rod and an inner rod received therein.
  • the drive device 10 has a first outer drive rotary drive unit 20 and a second inner lift rotary drive unit 30.
  • the first rotary drive unit 20 includes an outer drive shaft 22 which can be rotatably coupled to the outer rod.
  • a coupling device is provided in a basically known manner.
  • the outer drive shaft 22 is driven by a drive motor 28 via a drive element 24.
  • the drive element 24 is designed as a hollow shaft with an internal toothing 25.
  • the outer drive shaft 22 is received in the hollow shaft and comprises designed as an outer toothing driving teeth 23, which meshes with the internal teeth 25 of the drive member 24, so that a torque on the outer drive shaft 22 is transferable.
  • the driver toothing 23 ensures an axial displacement of the outer drive shaft 22 relative to the drive element 24.
  • the drive element 24 is mounted by means of one or more pivot bearings 29 in a housing 21 of the first rotary drive unit 20. Between the drive motor 28 and the drive element 24, a drive pinion 26 is arranged, which meshes with an external toothing of the drive element 24.
  • an inner drive shaft 32 is rotationally driven by means of the second rotary drive unit 30, which can be rotatably coupled to the inner rod.
  • a drive motor 38 drives via a drive pinion 36 as a hollow shaft designed drive element 34 at.
  • the drive element 34 is mounted by means of one or more pivot bearings 39 in a housing 31 of the second rotary drive unit 30 and includes a toothing 35, via which a torque on the inner drive shaft 32 is transferable.
  • the inner drive shaft 32 has a driving toothing 33, which is in engagement with the toothing 35.
  • the driver toothing 33 and the toothing 35 allow an axial displacement of the inner drive shaft 32 relative to the drive element 34.
  • the vibration unit 40 comprises at least two rotational masses 41 which can be driven in opposite directions and which displace a vibrating element 42 into an oscillation oscillating axially relative to the boring or longitudinal axis 12.
  • the rotational masses 41 each have a shaft 43 with an eccentric weight 44.
  • the shafts 43 with the eccentric weights 44 are brought into a synchronized rotational movement, so that unbalanced portions acting radially to the longitudinal axis 12 are mutually compensated and an axially directed up and down movement of the vibrating element 42 is generated.
  • a rotary bearing 52 as a first transmission unit 50 is disposed between the vibration unit 40 and the outer drive shaft 22.
  • the inner drive shaft 32 is connected to the vibration element 42 via a second transmission unit 60, which is designed as a pivot bearing 62.
  • the pivot bearings 52, 62 are designed for the transmission of axial forces.
  • the vibration unit 40 is thus fixedly connected axially to both drive shafts 22, 32 so that both drive shafts 22, 32 are simultaneously vibrated by the vibration element 42.
  • the first rotary bearing 52 is located on a drill rod facing the first axial side of the vibrating element 42 and the second pivot bearing 62 on a side facing away from the drill pipe second axial side of the vibrating element 42.
  • the outer drive shaft 22 has an end bearing flange 54 with a bearing seat 56, which is formed by a cylindrical inner circumferential surface.
  • the inner drive shaft 32 is passed through a cylindrical passage opening of the vibrating element 42 and comprises between its driving teeth 33 and the vibrating element 42 has a bearing flange 64 with a bearing seat 66 for the pivot bearing 62nd
  • the pivot bearings 52, 62 are arranged in the longitudinal direction of the drive shafts 22, 32 between the driver toothings 23, 33 and in each case fastened to a bearing seat 46 of the vibrating element 42.
  • the bearing seat 46 is formed by a cylinder outer shell.
  • the rotary drive units 20, 30 and the vibration unit 40 are connected to each other via a common receptacle 70, which may also be referred to as a frame, support or housing.
  • the vibration unit 40 is mounted on the receptacle 70 via an elastic element 72.
  • Fig. 2 shows an alternative embodiment of a drive device 10.
  • the outer drive shaft 22 and the inner drive shaft 32 to each other axially adjustable.
  • an adjusting unit with an actuator 48 is provided between the inner drive shaft 32 and the vibrating element 42.
  • the bearing seat 46 for the transmission unit 60 is in this case arranged on a relative to the vibrating element 42 movable bearing ring 47.
  • the actuator 48 By means of the actuator 48, the bearing ring 47 or the transmission unit 60 can be adjusted axially relative to the vibrating element 42 vibrating.
  • the inner drive shaft 32 can be moved in the axial direction relative to the vibrating element 42.
  • the actuator 48 which is designed as an actuating cylinder by way of example, can set a predetermined distance of the second transmission unit 60 with respect to the vibration element 42. In the same way, it would be possible to adjust the outer drive shaft 22 on the vibrating element 42 via an actuator 48.
  • the up and down movement of the vibrating element 42 is transmitted to the outer drive shaft 22 and the inner drive shaft 32 independently of the two rotary drive units 20, 30.
  • the complete drive device 10 with Rotary drive units 20, 30 and vibration unit 40 jointly swings and the vibration movement is transmitted via the rotary drive units 20, 30 to the outer drive shaft 22 and the inner drive shaft 32.
  • This can be achieved in particular by the fact that the drive elements 24, 34 not only transmit torque to the outer drive shaft 22 or the inner drive shaft 32, but additionally also the vibration movement.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung zum Antreiben eines Bohrgestänges, welches ein Außengestänge und ein Innengestänge aufweist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Antreiben eines Bohrgestänges gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
  • Die Antriebsvorrichtung umfasst eine erste Drehantriebseinheit, mit welcher über eine äußere Antriebswelle das Außengestänge drehend antreibbar ist, eine zweite Drehantriebseinheit, mit welcher über eine innere Antriebswelle das Innengestänge unabhängig vom Außengestänge drehend antreibbar ist, und eine Vibrationseinheit zum Erzeugen einer Vibration, welche ein vibrierend antreibbares Vibrationselement aufweist.
  • Bei dem Verfahren ist vorgesehen, dass das Außengestänge mittels einer ersten Drehantriebseinheit über eine äußere Antriebswelle drehend angetrieben wird, dass das Innengestänge mittels einer zweiten Drehantriebseinheit über eine innere Antriebswelle unabhängig vom Außengestänge drehend angetrieben wird und dass mittels einer Vibrationseinheit eine Vibration erzeugt wird.
  • Die Antriebsvorrichtung ist insbesondere für das sogenannte Doppelkopfbohren, bei welchem ein Außengestänge und ein darin aufgenommenes Innengestänge durch zwei unabhängige Drehantriebseinheiten angetrieben werden, vorgesehen.
  • Zum Antreiben des Außengestänges umfasst die Antriebsvorrichtung eine äußere Antriebswelle, welche mit dem Außengestänge koppelbar ist. Zum Antreiben des Innengestänges umfasst die Antriebsvorrichtung eine innere Antriebswelle, welche mit dem Innengestänge koppelbar ist.
  • Bei dem Außengestänge kann es sich insbesondere um ein Bohrrohr handeln, welches als Verrohrung den das Bohrloch umgebenden Boden abstützt. Das Innengestänge verläuft innerhalb der Außenverrohrung und kann Bodenbearbeitungswerkzeuge zum Abtragen von Bodenmaterial und/oder eine Förderwendel zum Fördern von Bodenmaterial aufweisen.
  • Zur Verbesserung des Bohrfortschritts ist es bekannt, zusätzlich zu den Drehantrieben einen Vibrationsantrieb vorzusehen, mit welchem eine Vibration oder Schwingung auf das Außengestänge oder das Innengestänge übertragen werden kann.
  • In der DE 20 2010 014 478 U1 ist eine Antriebsvorrichtung für ein Bohrgestänge beschrieben, welche eine Vibrationseinheit zum Übertragen einer Schwingung auf das Bohrgestänge aufweist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsvorrichtung und ein Verfahren zum Antreiben eines Bohrgestänges anzugeben, welche eine besonders wirtschaftliche Erstellung eines Bohrloches ermöglichen.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Antriebsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.
  • Bei der Antriebsvorrichtung ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Vibrationselement zum Übertragen der Vibration auf die äußere Antriebswelle über eine erste Übertragungseinheit mit der äußeren Antriebswelle verbunden ist und dass das Vibrationselement zum Übertragen der Vibration auf die innere Antriebswelle über eine zweite Übertragungseinheit mit der inneren Antriebswelle verbunden ist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die an der Vibrationseinheit erzeugte Vibration über eine erste Übertragungseinheit auf die äußere Antriebswelle und über eine zweite Übertragungseinheit auf die innere Antriebswelle übertragen wird.
  • Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, bei einer Antriebsvorrichtung mit voneinander unabhängigen Drehbohrantrieben für das Außengestänge und das Innengestänge eine gemeinsame Vibrationseinheit vorzusehen, welche eine Vibration oder Schwingung erzeugt, die sowohl auf das Außengestänge als auch auf das Innengestänge übertragen wird. Erfindungsgemäß wird also ein und dieselbe Vibration beziehungsweise Schwingung einerseits auf das Außengestänge und andererseits auf das Innengestänge übertragen.
  • Durch die Erfindung wird eine zweite Vibrationseinheit eingespart. Dadurch wird die Antriebsvorrichtung kompakt und hat einen geringen Leistungsbedarf. Das vibrierende Bohren ist zudem im Vergleich zu einem schlagenden Bohren leiser und die Mantelreibung wird einfacher überwunden.
  • Die Vibrationseinheit umfasst ein Vibrationselement oder einen Vibrationskörper, welcher in Längsrichtung des Bohrgestänges auf- und abbewegt wird, also schwingt oder vibriert. Mittels Übertragungseinheiten, die die Schwingung oder Vibration des Vibrationselements übertragen, ist der Vibrationskörper wirkmäßig mit beiden Gestängen beziehungsweise beiden Antriebswellen verbunden.
  • Die Antriebswellen der Antriebsvorrichtung sind vorzugsweise mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und/oder in unterschiedliche Richtungen antreibbar. Die erste Drehantriebseinheit treibt ausschließlich das Außengestänge und die zweite Drehantriebseinheit ausschließlich das Innengestänge an.
  • Vorzugsweise umfasst die Vibrationseinheit ein nicht-rotierendes Vibrationselement, dessen axiale Schwingung über die Übertragungseinheiten auf die rotierenden Antriebswellen übertragen wird. Zur Übertragung der Schwingung des Vibrationselements auf das Außengestänge und das Innengestänge ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass die erste Übertragungseinheit mindestens ein erstes Drehlager aufweist, über welches die äußere Antriebswelle gegenüber dem Vibrationselement drehbar gelagert ist, und dass die zweite Übertragungseinheit mindestens ein zweites Drehlager aufweist, über welches die innere Antriebswelle gegenüber dem Vibrationselement drehbar gelagert ist. Die als Drehlager ausgestalteten Übertragungseinheiten ermöglichen es, dass das Vibrationselement nicht-rotierend in einem Gehäuse der Antriebsvorrichtung vorgesehen sein kann. Zur Übertragung der Vibration sind die Drehlager vorzugsweise als Axiallager ausgeführt, welche die Übertragung von Axialkräften gewährleisten.
  • Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass die äußere Antriebswelle und/oder die innere Antriebswelle über ein Mitnehmerelement, insbesondere eine Mitnehmerverzahnung, axial verschiebbar an einem Antriebselement gelagert ist, welches die Antriebswelle drehend antreibt. Die äußere Antriebswelle und/oder die innere Antriebswelle weist beispielsweise eine Außenverzahnung auf, welche mit einer Verzahnung des Antriebselements in Eingriff ist. Das Antriebselement kann insbesondere als Hohlwelle mit einer Innenverzahnung ausgestaltet sein. Über die Mitnehmerverzahnung ist die äußere Antriebswelle und/oder die innere Antriebswelle gegenüber dem Antriebselement axial verschiebbar gelagert. Die Mitnehmerverzahnung gewährleistet somit einerseits die Übertragung eines Drehmoments auf die Antriebswelle und andererseits eine Entkopplung der Antriebswelle in axialer Richtung gegenüber dem Antriebselement, so dass die Vibration der Antriebswelle nicht auf das Antriebselement beziehungsweise die Drehantriebseinheit übertragen wird.
  • Eine besonders kompakte und stabile Antriebsvorrichtung wird dadurch erzielt, dass zumindest eine der Drehantriebseinheiten und die Vibrationseinheit an einer gemeinsamen Aufnahme oder Stütze angeordnet sind und dass die Vibrationseinheit an der gemeinsamen Aufnahme oder Stütze axial bewegbar gelagert ist. Die Drehantriebseinheit umfasst vorzugsweise einen Rahmen oder ein Gehäuse, welches fest mit der Aufnahme verbunden ist. Zwischen der Vibrationseinheit, insbesondere dem Vibrationselement, und der Aufnahme kann beispielsweise ein elastisches Element, zum Beispiel ein Gummilager, angeordnet sein. Durch diese Entkoppelung der Vibrationseinheit von der Aufnahme wird eine Übertragung der Vibration auf die Drehantriebseinheit über die Aufnahme weitgehend unterbunden.
  • Eine vorteilhafte Koppelung der Vibrationseinheit mit beiden Antriebswellen lässt sich dadurch erzielen, dass die Vibrationseinheit zwischen der ersten Drehantriebseinheit und der zweiten Drehantriebseinheit angeordnet ist.
  • Des Weiteren ist es bevorzugt, dass die erste Übertragungseinheit an einer ersten axialen Seite des Vibrationselements angeordnet ist, und dass die zweite Übertragungseinheit an einer zweiten axialen Seite des Vibrationselements angeordnet ist. Hierdurch werden eine gleichmäßige Belastung der Vibrationseinheit und eine gute Übertragung der Vibration auf die Antriebswellen erreicht.
  • Vorzugsweise ist die innere Antriebswelle durch das Vibrationselement hindurchgeführt. Dies ermöglicht die Anordnung der zweiten Übertragungseinheit und/oder der zweiten Drehantriebseinheit an einer dem Bohrgestänge abgewandten Seite der Vibrationseinheit.
  • Zur Übertragung der Axialkräfte auf die innere und/oder die äußere Antriebswelle ist es bevorzugt, dass das Vibrationselement einen, beispielsweise zylinderförmigen, Lagersitz umfasst, an dessen Außenumfang die erste Übertragungseinheit und/oder die zweite Übertragungseinheit angeordnet ist. Die innere Antriebswelle beziehungsweise die äußere Antriebswelle weisen dementsprechend vorzugsweise einen Lagersitz auf, an dessen Innenumfang die entsprechende Übertragungseinheit angeordnet ist.
  • Zur Verstellung einer axialen Relativposition zwischen Innengestänge und Außengestänge und/oder zur Veränderung einer Vibrationscharakteristik ist es bevorzugt, dass ein Aktuator vorgesehen ist, mit welchem die äußere Antriebswelle gegenüber der inneren Antriebswelle axial verstellbar ist. Der Aktuator ist vorzugsweise zwischen einer der Übertragungseinheiten und dem Vibrationskörper angeordnet. Mit dem Aktuator lässt sich die Position der Übertragungseinheit gegenüber dem Vibrationskörper verstellen. Hierdurch wird die entsprechende Antriebswelle gegenüber dem Vibrationskörper axial verfahren beziehungsweise verstellt.
  • Eine präzise und wirtschaftliche Einstellung der Relativposition zwischen äußerer und innerer Antriebswelle lässt sich dadurch erreichen, dass der Aktuator einen Stellzylinder und/oder eine Zahnstange aufweist. Der Stellzylinder kann insbesondere hydraulisch und/oder elektrisch betätigbar sein. Es können auch mehrere Aktuatoren in Umfangsrichtung um die Antriebswelle herum verteilt angeordnet sein.
  • Eine kompakte Antriebsvorrichtung kann dadurch bereitgestellt werden, dass die erste Übertragungseinheit und/oder die zweite Übertragungseinheit zum Übertragen sowohl der Vibration als auch eines Drehmomentes ausgestaltet ist. Insbesondere ist es bevorzugt, dass die Vibration des Vibrationselements über die erste Drehantriebseinheit und/oder die zweite Drehantriebseinheit auf die äußere beziehungsweise die innere Antriebswelle übertragbar ist. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Vibration des Vibrationselements über eine gemeinsame Aufnahme auf die Drehantriebseinheit und von dort über ein Drehantriebselement als Übertragungseinheit auf die entsprechende Antriebswelle übertragen wird. Das Antriebselement als Übertragungseinheit überträgt demnach sowohl das Drehmoment als auch die Vibration auf die Antriebswelle.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen weiter beschrieben. Hierin zeigt:
    • Fig. 1
    eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung; und
    Fig. 2
    eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung.
  • Gleiche oder einander entsprechende Komponenten sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • Fig. 1 zeigt eine Antriebsvorrichtung 10 zum Antreiben eines nicht dargestellten Bohrgestänges, welches ein Außengestänge und ein darin aufgenommenes Innengestänge umfasst.
  • Die Antriebsvorrichtung 10 weist eine erste Drehantriebseinheit 20 für das Außengestänge und eine zweite Drehantriebseinheit 30 für das Innengestänge auf. Die erste Drehantriebseinheit 20 umfasst eine äußere Antriebswelle 22, die mit dem Außengestänge drehfest gekoppelt werden kann. Hierzu ist in grundsätzlich bekannter Weise eine Kopplungseinrichtung vorgesehen. Die äußere Antriebswelle 22 wird über ein Antriebselement 24 von einem Antriebsmotor 28 angetrieben. Das Antriebselement 24 ist als eine Hohlwelle mit einer Innenverzahnung 25 ausgeführt. Die äußere Antriebswelle 22 ist in der Hohlwelle aufgenommen und umfasst eine als Außenverzahnung ausgestaltete Mitnehmerverzahnung 23, welche mit der Innenverzahnung 25 des Antriebselements 24 kämmt, so dass ein Drehmoment auf die äußere Antriebswelle 22 übertragbar ist. Die Mitnehmerverzahnung 23 gewährleistet eine axiale Verschiebung der äußeren Antriebswelle 22 gegenüber dem Antriebselement 24.
  • Das Antriebselement 24 ist mittels einem oder mehrerer Drehlager 29 in einem Gehäuse 21 der ersten Drehantriebseinheit 20 gelagert. Zwischen dem Antriebsmotor 28 und dem Antriebselement 24 ist ein Antriebsritzel 26 angeordnet, welches mit einer Außenverzahnung des Antriebselements 24 kämmt.
  • In entsprechender Weise wird mittels der zweiten Drehantriebseinheit 30 eine innere Antriebswelle 32 drehend angetrieben, die mit dem Innengestänge drehfest gekoppelt werden kann. Ein Antriebsmotor 38 treibt über ein Antriebsritzel 36 ein als Hohlwelle ausgeführtes Antriebselement 34 an. Das Antriebselement 34 ist mittels einem oder mehrerer Drehlager 39 in einem Gehäuse 31 der zweiten Drehantriebseinheit 30 gelagert und umfasst eine Verzahnung 35, über die ein Drehmoment auf die innere Antriebswelle 32 übertragbar ist. Die innere Antriebswelle 32 weist eine Mitnehmerverzahnung 33 auf, die mit der Verzahnung 35 in Eingriff ist. Die Mitnehmerverzahnung 33 und die Verzahnung 35 ermöglichen eine axiale Verschiebung der inneren Antriebswelle 32 gegenüber dem Antriebselement 34.
  • In axialer Richtung zwischen der ersten Drehantriebseinheit 20 und der zweiten Drehantriebseinheit 30 ist eine Vibrationseinheit 40 angeordnet. Die Vibrationseinheit 40 umfasst mindestens zwei gegenläufig antreibbare Rotationsmassen 41, welche ein Vibrationselement 42 in eine axial zur Bohr- beziehungsweise Längsachse 12 schwingende Bewegung versetzen. Die Rotationsmassen 41 weisen jeweils eine Welle 43 mit einem Exzentergewicht 44 auf. Die Wellen 43 mit den Exzentergewichten 44 werden in eine synchronisierte Drehbewegung gebracht, so dass radial zur Längsachse 12 wirkende Unwuchtanteile gegenseitig kompensiert werden und eine axial gerichtete Auf- und Abbewegung des Vibrationselements 42 erzeugt wird.
  • Zur Übertragung der von der Vibrationseinheit 40 erzeugten Schwingung auf die äußere Antriebswelle 22 ist zwischen der Vibrationseinheit 40 und der äußeren Antriebswelle 22 ein Drehlager 52 als eine erste Übertragungseinheit 50 angeordnet. Die innere Antriebswelle 32 ist über eine zweite Übertragungseinheit 60, welche als Drehlager 62 ausgeführt ist, mit dem Vibrationselement 42 verbunden. Die Drehlager 52, 62 sind zur Übertragung von Axialkräften ausgelegt. Die Vibrationseinheit 40 ist also mit beiden Antriebswellen 22, 32 axial fest verbunden, so dass beide Antriebswellen 22, 32 gleichzeitig durch das Vibrationselement 42 in Schwingung versetzt werden.
  • Das erste Drehlager 52 befindet sich auf einer dem Bohrgestänge zugewandten ersten axialen Seite des Vibrationselements 42 und das zweite Drehlager 62 auf einer dem Bohrgestänge abgewandten zweiten axialen Seite des Vibrationselements 42. Die äußere Antriebswelle 22 weist einen endseitigen Lagerflansch 54 mit einem Lagersitz 56 auf, der durch eine zylinderförmige Innenmantelfläche gebildet wird. Die innere Antriebswelle 32 ist durch eine zylinderförmige Durchgangsöffnung des Vibrationselements 42 hindurchgeführt und umfasst zwischen seiner Mitnehmerverzahnung 33 und dem Vibrationselement 42 einen Lagerflansch 64 mit einem Lagersitz 66 für das Drehlager 62.
  • Die Drehlager 52, 62 sind in Längsrichtung der Antriebswellen 22, 32 zwischen den Mitnehmerverzahnungen 23, 33 angeordnet und jeweils an einem Lagersitz 46 des Vibrationselements 42 befestigt. Der Lagersitz 46 wird durch einen Zylinderaußenmantel gebildet.
  • Die Drehantriebseinheiten 20, 30 sowie die Vibrationseinheit 40 sind über eine gemeinsame Aufnahme 70, welche auch als Rahmen, Stütze oder Gehäuse bezeichnet werden kann, miteinander verbunden. Die Vibrationseinheit 40 ist über ein elastisches Element 72 an der Aufnahme 70 gelagert.
  • Fig. 2 zeigt eine alternative Ausgestaltung einer Antriebsvorrichtung 10. Im Unterschied zu der Ausgestaltung gemäß Fig. 1 sind die äußere Antriebswelle 22 und die innere Antriebswelle 32 zueinander axial verstellbar. Hierzu ist zwischen der inneren Antriebswelle 32 und dem Vibrationselement 42 eine Verstelleinheit mit einem Aktuator 48 vorgesehen. Der Lagersitz 46 für die Übertragungseinheit 60 ist hierbei an einem gegenüber dem Vibrationselement 42 bewegbaren Lagerring 47 angeordnet. Mittels des Aktuators 48 lässt sich der Lagerring 47 beziehungsweise die Übertragungseinheit 60 axial relativ zu dem vibrierend angetriebenen Vibrationselement 42 verstellen. Somit kann die innere Antriebswelle 32 in axialer Richtung gegenüber dem Vibrationselement 42 verfahren werden. Der Aktuator 48, welcher beispielhaft als Stellzylinder ausgeführt ist, kann einen vorbestimmten Abstand der zweiten Übertragungseinheit 60 gegenüber dem Vibrationselement 42 einstellen. In gleicher Weise wäre es möglich, die äußere Antriebswelle 22 an dem Vibrationselement 42 über einen Aktuator 48 zu verstellen.
  • In den in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen der Antriebsvorrichtung 10 wird die Auf- und Abbewegung des Vibrationselementes 42 unabhängig von den beiden Drehantriebseinheiten 20, 30 auf die äußere Antriebswelle 22 und die innere Antriebswelle 32 übertragen. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die komplette Antriebsvorrichtung 10 mit Drehantriebseinheiten 20, 30 und Vibrationseinheit 40 gemeinschaftlich schwingt und die Vibrationsbewegung über die Drehantriebseinheiten 20, 30 auf die äußere Antriebswelle 22 beziehungsweise die innere Antriebswelle 32 übertragen wird. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Antriebselemente 24, 34 nicht nur ein Drehmoment auf die äußere Antriebswelle 22 beziehungsweise die innere Antriebswelle 32 übertragen, sondern zusätzlich auch die Vibrationsbewegung.

Claims (12)

  1. Antriebsvorrichtung (10) zum Antreiben eines Bohrgestänges, welches ein Außengestänge und ein Innengestänge aufweist, mit
    - einer ersten Drehantriebseinheit (20), mit welcher über eine äußere Antriebswelle (22) das Außengestänge drehend antreibbar ist,
    - einer zweiten Drehantriebseinheit (30), mit welcher über eine innere Antriebswelle (32) das Innengestänge unabhängig vom Außengestänge drehend antreibbar ist, und
    - einer Vibrationseinheit (40) zum Erzeugen einer Vibration, welche ein vibrierend antreibbares Vibrationselement (42) aufweist,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass das Vibrationselement (42) zum Übertragen der Vibration auf die äußere Antriebswelle (22) über eine erste Übertragungseinheit (50) mit der äußeren Antriebswelle (22) verbunden ist und
    - dass das Vibrationselement (42) zum Übertragen der Vibration auf die innere Antriebswelle (32) über eine zweite Übertragungseinheit (60) mit der inneren Antriebswelle (32) verbunden ist.
  2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die erste Übertragungseinheit (50) mindestens ein erstes Drehlager (52) aufweist, über welches die äußere Antriebswelle (22) gegenüber dem Vibrationselement (42) drehbar gelagert ist, und
    dass die zweite Übertragungseinheit (60) mindestens ein zweites Drehlager (62) aufweist, über welches die innere Antriebswelle (32) gegenüber dem Vibrationselement (42) drehbar gelagert ist.
  3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die äußere Antriebswelle (22) und/oder die innere Antriebswelle (32) über eine Mitnehmerverzahnung (23, 33) axial verschiebbar an einem Antriebselement (24, 34) gelagert ist.
  4. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zumindest eine der Drehantriebseinheiten (20, 30) und die Vibrationseinheit (40) an einer gemeinsamen Aufnahme (70) angeordnet sind und dass die Vibrationseinheit (40) an der gemeinsamen Aufnahme (70) axial bewegbar gelagert ist.
  5. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Vibrationseinheit (40) zwischen der ersten Drehantriebseinheit (20) und der zweiten Drehantriebseinheit (30) angeordnet ist.
  6. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die erste Übertragungseinheit (50) an einer ersten axialen Seite des Vibrationselements (42) angeordnet ist und
    dass die zweite Übertragungseinheit (60) an einer zweiten axialen Seite des Vibrationselements (42) angeordnet ist.
  7. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die innere Antriebswelle (32) durch das Vibrationselement (42) hindurchgeführt ist.
  8. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Vibrationselement (42) einen Lagersitz (46) umfasst, an dessen Außenumfang die erste Übertragungseinheit (50) und/oder die zweite Übertragungseinheit (60) angeordnet ist.
  9. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass ein Aktuator (48) vorgesehen ist, mit welchem die äußere Antriebswelle (22) gegenüber der inneren Antriebswelle (32) axial verstellbar ist.
  10. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Aktuator (48) einen Stellzylinder und/oder eine Zahnstange aufweist.
  11. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die erste Übertragungseinheit (50) und/oder die zweite Übertragungseinheit (60) zum Übertragen sowohl der Vibration als auch eines Drehmomentes ausgestaltet ist.
  12. Verfahren zum Antreiben eines Bohrgestänges, welches ein Außengestänge und ein Innengestänge aufweist, insbesondere mittels einer Antriebsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei welchem
    - das Außengestänge mittels einer ersten Drehantriebseinheit (20) über eine äußere Antriebswelle (22) drehend angetrieben wird,
    - das Innengestänge mittels einer zweiten Drehantriebseinheit (30) über eine innere Antriebswelle (32) unabhängig vom Außengestänge drehend angetrieben wird, und
    - mittels einer Vibrationseinheit (40) eine Vibration erzeugt wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die an der Vibrationseinheit (40) erzeugte Vibration über eine erste Übertragungseinheit (50) auf die äußere Antriebswelle (22) und über eine zweite Übertragungseinheit (60) auf die innere Antriebswelle (32) übertragen wird.
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