WO2010149238A1 - Führungsvorrichtung für eine bohrvorrichtung - Google Patents

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WO2010149238A1
WO2010149238A1 PCT/EP2010/002318 EP2010002318W WO2010149238A1 WO 2010149238 A1 WO2010149238 A1 WO 2010149238A1 EP 2010002318 W EP2010002318 W EP 2010002318W WO 2010149238 A1 WO2010149238 A1 WO 2010149238A1
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WO
WIPO (PCT)
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housing
shaft
guide device
drilling
section
Prior art date
Application number
PCT/EP2010/002318
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English (en)
French (fr)
Inventor
Frank GÖCKE
Joachim Schmidt
Elmar Koch
Sebastian Fischer
Original Assignee
Tracto-Technik Gmbh & Co. Kg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to DE112010002712.9T priority patent/DE112010002712B4/de
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    • 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
    • E21B7/04—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
    • 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
    • E21B7/04—Directional drilling
    • E21B7/046—Directional drilling horizontal drilling
    • 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
    • E21B7/067—Deflecting the direction of boreholes with means for locking sections of a pipe or of a guide for a shaft in angular relation, e.g. adjustable bent sub

Definitions

  • the invention relates to a guide device for a drilling device and a drilling device having such a guide device.
  • Drilling devices are known from the prior art with which a reversal of the drilling direction during the introduction of the bore is possible.
  • a control function may be achieved in such drilling apparatuses, for example, by providing the drill head with an asymmetrically bevelled end face which causes a lateral force to act on the drill head as it moves through the soil resulting in a deflection of the drill head from the straight drilling direction , If such an inclined drilling head is driven exclusively statically or dynamically, but not rotating, this leads to an arcuate course of the bore within the soil.
  • Straight boring is possible with such a boring device in that the inclined boring head is not only propelled under pressure but is simultaneously driven in rotation, whereby the deflecting side forces are compensated over the course of one complete revolution of the inclined boring head, so that on average straight bore results.
  • DCCTATIfil IM / iCLTADIC Such drilling devices are well suited for drilling in soils that can be well deformed as the drilling action is essentially due to radial displacement and compaction of the soil. For use in harder soil and in stone, however, such drilling devices are not suitable, because this is required to degrade the soil or the rock, that is, first to crush and then to remove from the borehole.
  • Drilling devices are based on an in-hole motor, that is, a motor which is arranged in the region of the drill head of a drilling device and is driven with it through the soil.
  • the Imloch engine acts directly on the drill head and drives it rotating.
  • the pressure forces required for propulsion of the drill head are transmitted via a drill string from a drive device arranged on the earth's surface to the drilling unit, consisting of an in-hole motor and drill head.
  • Imloch motors are regularly called "mud motors", which are engines that operate on the "Moineau" principle or are based on turbines and are hydraulically driven.
  • a controllability can be achieved in such drilling devices in that the housing of the in-hole motor or a portion of the linkage, which is preferably located as close as possible in the region of the drill head, provided with deflection means which generate a lateral force, which leads to a corresponding deflection of the straight bore course leads.
  • a deflection means a so-called deflection shoe, which is mounted on one side on the housing of the in-hole motor or a portion of the drill string and thereby causes the lateral deflection.
  • the same effect can alternatively be achieved by a corresponding asymmetrical design of the housing of the in-hole motor or a portion of the drill string.
  • a third possibility is also known to provide the housing of the in-hole motor or a portion of the drill string with a curvature or an angular course through which the desired deflection is achieved.
  • the drill head itself with the drive shaft of the Imloch- Motors connect that the axis of rotation of the drill head is not coaxial with the longitudinal axis of the in-hole motor and the adjoining portion of the drill string.
  • a straight bore is achieved with such drilling devices in that the deflection means having housing of the in-hole motor or the linkage is driven in rotation, whereby the side force effect of
  • Inner rod at the front end of the actual drill head is arranged.
  • the Doppelbohrgestlinde is driven by a arranged on the surface of the earth drive unit both rotating and under pressure. Regularly, it is provided here to perform synchronously the feed for the outer tube and the inner rod, but to drive the outer tube and the inner rod independently rotating.
  • the inner linkage is driven at a rotational frequency, which is designed in terms of the best possible removal of the soil or rock.
  • the outer tube which is exposed to it due to its direct contact with the wall of the hole already created a considerable friction, however, is regularly driven at lower speeds to the
  • the rotation of the outer tube only serves to achieve the desired controllability of the drilling device.
  • the outer tube of the double pipe linkage in the region of the drill head provided with deflection means which generate a lateral force, which leads to an arcuate bore profile is obtained in a non-rotating outer tube.
  • the outer tube is continuously driven in rotation on the same principle as in the alternative drilling devices already described, resulting in a straight course of drilling on average.
  • the speed of the continuously rotating outer tube driven for this purpose can be considerably below that which makes sense for the inner rod carrying the drill head.
  • the present invention seeks to provide a structurally simple drilling device, which makes it possible to introduce holes in hard soil or rock.
  • a drilling device according to the invention according to claim 17.
  • a guide device used according to the invention is the subject matter of independent claim 1.
  • Advantageous embodiments of this guide device are the subject of the dependent claims and will become apparent from the following description of the invention.
  • a drilling device comprises a drill string, a drill head, preferably designed for drilling in hard soil or rock, as known from US Pat
  • a guide device comprises a housing with deflection means for generating a deflecting lateral force and a shaft rotatably mounted within the housing, said shaft having at a first end connecting means for connection to the drill string and at a second end connecting means for connection to the drill head. It is further provided that the guide device comprises coupling means, by the need, a rotationally fixed connection of the shaft can be generated with the housing.
  • the guide device makes it possible to drive the drill head directly via a (preferably simple) drill pipe, so that both on a
  • the deflecting means having housing of the guide device is rotatably connected as needed with the shaft of the guide device, so that the distraction effect caused by the deflection means can be neutralized by a specific co-rotation of the housing with the shaft to a To achieve straight-ahead drilling. Otherwise, the non-rotatable connection can be interrupted when a reversal of the drilling device is desired, whereby the then no longer rotating housing of the guide device generates the desired deflection effect with the deflection means.
  • the coupling means hydraulically in order to establish or release the as-needed rotationally fixed connection of the shaft to the housing.
  • hydraulic actuation can advantageously be resorted to a drilling fluid, which is supplied to the drilling device to let them emerge in particular in the region of the drill head to - as is known - to lubricate the drill head and the removed from the cuttings soil / rock through the Rinse out the hole.
  • the coupling means may comprise a coupling sleeve which is arranged between the shaft and the housing and which is displaceable to the shaft and / or the housing between a first and a second position, wherein the Coupling sleeve in the first position is rotatable relative to the shaft and / or the housing and is rotatably connected in the second position with the shaft and / or the housing.
  • the coupling sleeve it is not necessary that the coupling sleeve fully surrounds the shaft.
  • the rotationally fixed connection of the shaft to the housing of the guide device according to the invention can also be effected in that the shaft (or a part thereof) in the longitudinal axial direction relative to the housing or a portion thereof is displaceable, wherein in one of the relative positions Displacement the coupling means cause the rotationally fixed connection between the shaft and the housing;
  • the coupling means may be formed by a coupling element of the shaft, which engages in a coupling element of the housing. In a second relative position of this displacement can then be provided accordingly that the coupling means cause no rotationally fixed connection between the shaft and the housing more; this can be
  • a spring element may be provided, which is arranged between the housing or a portion thereof and the shaft and these in
  • Direction applied to one of the switching positions of the coupling means is the switching position, in which a rotationally fixed connection of the shaft is given to the housing.
  • pressure forces can be transmitted to the drill head via the drill string and the shaft which may be sufficient to achieve the desired drilling effect, but are not so high that they deform the spring element to such an extent that it causes the spring to shift Coupling agent leads.
  • Such switching of the coupling means can then take place by a targeted increase in the pressure forces.
  • the guide device according to the invention can be provided to provide at least one deflectable against the borehole wall supporting element, by the friction with the borehole wall can be increased if necessary, to prevent the housing of the
  • Guide device unintentionally rotates within the borehole.
  • the integration of the support element in the guide device is realized so that the support element is then deflected when there is no rotationally fixed connection of the housing with the shaft and the drilling device according to the invention is in control operation.
  • the deflection of the support element may preferably be hydraulically (of course, a pneumatic deflection is possible) and in particular by means of a drilling fluid.
  • the same advantages as in the hydraulic actuation of the coupling means can be achieved.
  • the height of the contact pressure of the support element can be controlled and thereby adapted to different conditions.
  • the support element is deflected against the force of a spring element.
  • This makes it possible to make the deflection of the support element only at a pressure which is higher than the pressure required or required for a discharge of a drilling fluid into the drilling ground.
  • both the coupling means and the support element are actuated against the force of a spring element and preferably by means of the same fluid (in particular by means of a drilling fluid), provision can furthermore be made to actuate the coupling means at a lower pressure than the deflection of the support element. Since it can be preferably provided to actuate the clutch already at a low (absolute) pressure, it can be achieved that the housing can be rotated together with the shaft and at the same time a drilling fluid is discharged, but without the support element being deflected.
  • the deflection of the support element by a relative displacement of the shaft to the housing in the longitudinal axial direction of the guide device can be achieved.
  • This makes it possible to perform the deflection of the support element in coordination with the switching of the coupling means, if they are actuated by a displacement in the longitudinal axial direction.
  • This allows that whenever the coupling elements of the coupling means are not engaged and a relative rotation between the shaft and the housing of the guide device is possible, the support elements are deflected. Accordingly, these are always not deflected when the coupling elements of the coupling means are engaged, wherein the rotationally fixed connection between the shaft and the housing is achieved.
  • a support element which is deflected by a relative displacement of the shaft in the longitudinal direction of the housing is to form this as a leaf spring, which is supported on one side to the housing and on an opposite side at least indirectly on the shaft. Due to the relative displacement of the shaft to the housing, the distance between the two articulation points of the leaf spring is shortened, whereby this, which is preferably biased radially outward, is deflected outwards.
  • the leaf spring is supported between two sections of the housing which are displaceable relative to each other in the longitudinal axial direction of the guide device.
  • One of these two sections of the housing is then supported directly or indirectly on the shaft in order to achieve the desired radial deflection of the leaf spring with a relative displacement of the shaft to the housing.
  • This embodiment has the significant advantage that the storage, which allows the required relative to the function of the drilling device relative rotation between the shaft and the housing, between the shaft and the corresponding portion of the housing can be arranged. Compared to an embodiment in which the leaf spring is supported directly on the storage, this can be structurally easier to implement.
  • this embodiment of the guide device according to the invention can be provided to form the shaft in a section which extends within the housing, telescopically. This makes it possible to effect the shifting of a first portion of the shaft via the telescopability of the shaft intended for switching the coupling means and / or for deflecting the section elements, whereby the second, non-displaced section of the telescopic shaft does not correspond to the corresponding one Section of the housing is relatively moved. As a result, if necessary, the storage of this non-displaceable portion of the shaft in the corresponding portion of the housing can be considerably simplified.
  • the guide device according to the invention can be provided, at least in the deflected state by means of a fluid and again preferably by means of a drilling fluid (at least partially) to flush, to prevent unwanted cuttings is placed under the support element and thereby retraction of the Supporting obstructed. The penetration of cuttings is effectively prevented by the
  • Fluid of the guide device with an overpressure (relative to the environment of the guide device) is supplied; This overpressure prevents penetration of the cuttings.
  • the support element is in one
  • the housing mounted it being possible to provide that the support element is still in the deflected state, at least with its outer edges within the guide.
  • the gap through which cuttings can penetrate under the support element can be reduced to a small degree.
  • a defined (smaller) part of the fluid, with which the support element is under-washed, is discharged through this gap, which in turn prevents penetration of cuttings and secure mobility of the support element can be ensured in the guide.
  • an asymmetrical cross-section can be achieved that the support element has a particularly good support of the housing in one direction of rotation in conjunction with easy retractability in the other direction.
  • a symmetrical cross-section can be distinguished by an easy retractability in both directions of rotation, which may necessitate sacrificing the ability to brace.
  • the deflection means of the guide device according to the invention are preferably formed in that a portion of the housing is formed bent.
  • bent portion of the housing is meant a portion in which the longitudinal axis of the portion does not form a continuous straight line but, for example, a constant curvature or two angularly spaced portions
  • the deflection means in the form of a portion of the housing with asymmetric cross-section or by the outside arranging a so-called Ablenkschuhs, wherein the asymmetrical design of the housing optionally with an increased manufacturing cost and the
  • Arrangement of a diversion shoe can be associated with increased maintenance.
  • the portion of the shaft which is arranged within the bent portion of the housing, is preferably flexurally flexible and in particular flexurally elastic, so that it can endure the bending alternating load generated by the relative rotation within the bent portion of the housing with a sufficient life.
  • This includes, in particular, a reduced outer diameter compared with the other sections of the shaft, by means of which the moment of resistance is reduced.
  • the reduced outer diameter can be compensated, for example, by an increased wall thickness of this section.
  • Such a section of the shaft would be flexurally elastic if the bending would result in a corresponding return action.
  • a bendable, but not flexurally elastic portion can be achieved by the formation of a link shaft.
  • This consists of a plurality of hingedly interconnected links, in which the connection is such that the individual small portions are not displaced in the longitudinal axial direction and not against each other (about the longitudinal axis of the link shaft) can be rotated, but each about an axis that is arranged perpendicular to the longitudinal axis of the link shaft, can be pivoted to each other, whereby the bending flexibility is achieved.
  • a portion of the flexurally flexible portion of the shaft is disposed in an eccentric bore of the housing.
  • space for a relatively large receptacle (opening) can be created on one side in the housing, which can in particular serve to accommodate a transmitter (for locating the drilling device in the ground and / or the rolling of the housing).
  • the bending flexible portion of the shaft is preferably positioned in the mounted state within the bore, that this is arranged centrally relative to the housing.
  • the eccentric bore of the housing must to have a larger diameter than the portion of the flexurally flexible portion of the shaft, which within this hole is arranged.
  • This larger diameter can then make it possible to mount the bend-flexible portion of the shaft, for example if it is designed as a separate component with end-side connecting means which is connected front and / or rear with rigid portions of the shaft.
  • these connecting means regularly have a larger diameter than the rest of the bend-flexible section, so that the relatively large diameter of the eccentric bore makes it possible to assemble the bend-flexible section despite larger connecting means in diameter.
  • the end of the guide device having the connection means for the drill string is provided with cutting elements and / or an expansion cone, which form a reamer, which cleans the bore during retraction of the drilling device. It can be provided to rotate the shaft and thus the reamer by means of the drill string, while the housing of the guide device is stationary or at least not coupled to the rotation of the shaft.
  • FIG. 1 shows a guide device according to the invention in a first embodiment in a side view
  • FIG. 2 shows the guide device of FIG. 1 in a sectional side view along the section plane II-II;
  • FIG. 3 shows a first section of FIG. 2 in an enlarged view
  • FIG. 4 shows a second detail of FIG. 2 in an enlarged view
  • FIG. 5 shows a drilling device according to the invention with a guide device in a second embodiment in a perspective view
  • FIG. 6 is an enlarged view of a portion of the shaft of the guide device of Figure 5 in a perspective view ..;
  • FIG. 11 shows a longitudinal section through a second section of the housing and the corresponding section of the shaft in a first operating position of the guide device of FIG. 5;
  • FIG. 12 shows a longitudinal section through the second section of the housing and the corresponding section of the shaft in a second operating position of the guide device of FIG. 5;
  • FIG. 13 shows a section of the shaft of the guide device of FIG. 5 in a perspective view
  • FIG. 14 shows a coupling sleeve of the guide device of FIG. 5 in a perspective view
  • Fig. 15 is a longitudinal section through a third portion of the housing and the corresponding portion of the shaft of the guide device of Fig. 5;
  • FIG. 16 shows a cross section through a guide device according to the invention with asymmetrical clamping strips
  • Fig. 17 a cross section through a guide device according to the invention with symmetrical terminal strips.
  • FIGS 1 to 4 show an embodiment of a guide device according to the invention.
  • the guide device comprises a multi-part housing and a likewise multi-part, rotatably mounted within the housing shaft.
  • the shaft is in each case provided with an internal thread 1, 2 into which a corresponding external thread of a drill head (not shown) (front side) and a corresponding external thread of a drill pipe (not shown) (end) can be screwed.
  • the shaft consists of a total of seven sections, which are connected to each other via screw connections.
  • a first section 3 of the shaft has on one side the already described internal thread for connection to the drill pipe and at the opposite end also an internal thread into which an external thread of the second section 4 of the shaft can be screwed.
  • the second section 4 of the shaft is displaceably guided within a guide bush 5 of the third section 6 of the shaft in the longitudinal axial direction, wherein the guide is designed such that a torque is transmitted between the second and the third section of the shaft. can be.
  • the third section 6 of the shaft is connected to the fourth section 7 of
  • the housing consists of a total of eight sections, which are connected to each other in different ways.
  • the first portion 11 of the housing is supported via a thrust bearing 12 in the longitudinal axial direction on the first portion 3 of the shaft.
  • the first portion 11 of the housing is designed as a guide bush on which the second portion 13 of the housing is slidably disposed in the longitudinal axial direction.
  • a diaphragm spring pack 14 which is compressed by a displacement of the first 1 1 relative to the second portion 13 of the housing in a direction in which they move toward each other.
  • the third portion 15 of the housing is arranged so that both the first 11 and the second
  • Section 13 of the housing can be moved relative to this in the longitudinal axial direction.
  • a connection between the third 15 and the second section 13 of the housing takes place via a total of 5 leaf springs 16, which are biased arcuately outward and each end to a fixing pin 17 of the second 13 and the third
  • Section 15 of the housing are wound. In a relative displacement of the second
  • the leaf springs 16 are deflected radially outwards, whereby they are pressed against the housing wall surrounding the borehole.
  • the fourth section 18 of the housing is connected via a screw connection with the third section 15.
  • a corresponding connection is provided between the fourth 18 and the fifth portion 19 of the housing.
  • a recess 20 is integrated, which serves to receive a roll-up sensor (not shown). About the roll sensor, the roll angle is determined, which occupies the housing within the soil.
  • the structural design and the operation of such Verrollungs- sensors are well known in the art.
  • the recess 20 for receiving the Verrollungssensors is closed by a cover 21 which is fixed by screws 22 on the housing.
  • the fifth section 19 is followed by a sixth section 23 of the housing, which is welded thereto.
  • the connection between the fifth 19 and the sixth portion 23 is angled, so that the longitudinal axis of the fifth 19 and the longitudinal axis of the sixth portion 23 of the housing are not coaxial or parallel, but include a (small acute) angle.
  • the fifth 19 and sixth portions 23 of the housing together form a "bent portion" over which a lateral force is created leading to a deflection used to control the drilling apparatus.
  • the sixth 23 and the subsequent seventh section 24 of the housing are in turn connected to one another via a screw connection. The same applies to the connection between the seventh 24 and the eighth section 25 of the housing.
  • the shaft driver 27 from a contact with corresponding drivers 28, which are provided on the inside of the fourth portion 18 of the housing, are brought.
  • These drivers 27, 28 of the second portion 4 of the shaft or of the fourth portion 18 of the housing serve to transmit a rotation of the shaft to the housing when the shaft is loaded with no or only low compressive forces.
  • the leaf springs 16 are deflected by the relative displacement of the first 3 and second section 4 of the shaft to the remaining sections of the shaft or to the third to eighth section of the housing.
  • the first section 11 of the housing supported in the longitudinal axial direction on the first section of the shaft is displaced in the direction of the drill head.
  • the resulting increased bias of the plate spring packing in turn causes a displacement of the second portion 13 of the housing in the direction of the drill head.
  • the distance between the second 13 and the third portion 15 of the housing is reduced, whereby the arcuately biased leaf springs 16 are deflected radially outward.
  • the drill head is rotationally driven in drilling operation via the shaft of the guide device and the drill pipe and loaded with a compressive force which causes the cylindrical coil springs 26, which support the second 4 and the third section 6 of the shaft against each other, are compressed so far that the drivers 27, 28 are no longer engaged.
  • the rotation of the shaft is not transmitted to the housing and there is a propulsion of the drilling device in an arcuate course through the soil or rock.
  • the rotation is interrupted after a short drilling progress and the pressure load on the drill head reduced so far that by the restoring forces of the cylindrical coil springs 26, the driver 27 of the second portion 4 of the shaft in engagement with the drivers 28 of the fourth section 18th be brought of the housing.
  • the shaft can then be rotated by means of the drive device, not shown, by a defined angle (for example, 90 °), wherein the housing is rotated by the engagement of the driver.
  • the housing is coupled by closing the coupling means to the rotation of the shaft and brought with respect to its bent portion in a defined, the new drilling direction corresponding position, which can be controlled via the roll sensor. Then the coupling agent are released again and the drilling device through a driven drive of the drill head driven so far until the desired new drilling direction is reached.
  • the individual sections of the shaft are each provided with a central bore. These serve to guide a drilling fluid, which can be fed via a likewise hollow drill pipe, to the drill head, where it can be discharged through corresponding openings in the soil.
  • the drilling fluid is primarily used to cool the wellhead, lubricate the contact of the wellhead with the wellbore, and flush out the cleared cuttings through the annular gap between the guide or drill pipe and the wellbore wall.
  • the fourth section 7 of the shaft is not provided with a central through-hole, but formed as a solid shaft. In this region of the guide device, the drilling fluid is guided through an annular gap 30 formed between the fourth section 7 of the shaft and the fifth 19 or sixth section 23 of the housing.
  • the third 6 and the fifth section 8 of the shaft are provided for this purpose with a plurality of transverse bores 29, via which the drilling fluid can be transferred from the central bore into the annular gap 30.
  • the special design of the fourth section 7 of the shaft serves to form this flexurally elastic, so that this caused by the arcuate course of the housing at the transition from the fifth 19 to the sixth section 23 of the housing and the relative rotation of the shaft to the housing bending stress in can endure to a sufficient degree.
  • the fourth portion 7 of the shaft is formed with a reduced outer diameter, through which in comparison to the cross sections of the remaining portions of the shaft, a reduced resistance moment is achieved.
  • FIGS. 5 to 15 show a guide device according to the invention in a second embodiment
  • Embodiment with a drill head attached thereto This guide device differs in the embodiments and functions described below from the first embodiment already described.
  • the guide device in turn comprises a multi-part shaft 100, which extends through a likewise multi-part housing.
  • a multi-part shaft 100 which extends through a likewise multi-part housing.
  • an internal thread 101 is provided which serves to connect to a drill string, not shown.
  • the front end of the shaft 100 is also provided with an internal thread, in which a drill head 131, which is designed as a so-called roller drill head, is screwed.
  • the rearmost portion of the shaft 100 is provided with a conical expanding element 132 (see also Fig. 6), which is additionally offset with a plurality of pin-shaped cutting elements 133. These are arranged in groups of three, wherein the three cutting elements 133 of each group are inclined (relative to the longitudinal axis of the
  • Guiding device are positioned one behind the other.
  • the conical expander 132 and the cutting elements 133 together form a rear reamer, which serves to clean the bore when retracting the drilling device.
  • a total of 5 support elements are integrated, which are designed as hydraulically actuated terminal blocks 134. Details of these terminal strips 134 and their integration in the guide device are shown in Figs. 7 to 10.
  • the terminal strips 134 have an asymmetrical cross section (relative to the longitudinal axis of the guide device), the function of which will be explained later.
  • Each of the clamping strips 134 is arranged in a separate recess of the first housing section 111, in which it is completely retractable (see Fig. 8).
  • Each of the clamping bars 134 is connected via bolts 135 with a total of five pistons 136, which are formed in correspondingly in the first housing portion 111
  • Cylinders are movably mounted.
  • the undersides of the pistons 135 are one common (for all clamping bars 134) pressure chamber 137 facing, is passed through the drilling fluid, which is supplied to the drilling device.
  • the pressure chamber 137 is a gap formed between the inside of the first housing portion 11 1 and the corresponding portion of the shaft 100. This portion of the shaft 100 is formed with a reduced diameter.
  • Drilling fluid is the pressure chamber via an oblique branch from a central bore of the shaft 100 to or discharged over a corresponding oblique branch again. Sealing rings 138 on both sides of the pressure chamber 137 thereby prevent accidental leakage of the drilling fluid. The undersides of the pistons 135 are thus subjected to the pressure of the drilling fluid.
  • Drilling fluid also prevents ingress of contaminants and also lubricates the movement of the clamping bars 134 in the recesses.
  • the coupling means comprise a coupling sleeve 142, which between the
  • Housing and the shaft 100 is disposed and is displaceable between a first and a second position in the longitudinal axial direction to both the housing and the shaft 100.
  • the coupling sleeve 142 has on its circumference in regular
  • the recording of each one serve ball 144, via which a rotationally fixed connection between the coupling sleeve 142 and the shaft 100 can be produced.
  • the balls 144 are pressed in the assembled state of the coupling sleeve 142 via a spacer ring 145 in a complex groove 146 in the outside of the shaft 100 (see Fig. 13).
  • This groove 146 is formed circumferentially on the one hand and has on the other hand a total of eight longitudinally axially aligned extensions, in which the balls can be engaged by a displacement of the coupling sleeve 142 on the shaft 100.
  • Coil spring 147 The drilling fluid is for this purpose guided over two transverse bores 149 from the central bore 150 in the shaft 100 in an annular space 151 which is formed between a portion of the inside of the housing and the rear end surface of the coupling sleeve 142.
  • the balls 144 In the second position of the coupling sleeve 142, the balls 144 are in the circumferential part of the groove 146, so that they do not prevent a relative rotation between the coupling sleeve 142 and the shaft 100.
  • the front portion of the coupling sleeve 142 is slidably guided (in the longitudinal axial direction) in a driver sleeve 152, which via screws 153 with the
  • the drive sleeve 152 forms in a section
  • Housing (via the driver sleeve 152) is given a rotationally fixed connection.
  • a rotation of the drill pipe connected to the shaft 100 is transmitted to the housing.
  • the second housing section 113 is adjoined by a third housing section 115 (transmitter housing) into which, on the one hand, a bendable section 107 of the shaft and, on the other hand, a recess 120 for receiving a roll sensor 123 is integrated.
  • Fig. 15 shows a longitudinal section through the corresponding portion of the guide device.
  • the groove for the roll sensor 123 is so deep stated that this can both the roll sensor 123 itself and a lid 121, with the recess 120 is closed to the outside, record. A protruding lid, which would lead to a narrowing in the bore, can be avoided.
  • Characterized in that the recess 120 for the roll sensor 123 extends deep into the housing, is the flexurally flexible portion
  • the dimensions of which essentially depend on the required bending and torsion properties and thus can not be changed as desired, are only separated from the rolling sensor 123 by a thin wall.
  • the flexible portion 107 of the shaft 100 has at its two ends in each case
  • connection between the third 115 and a fourth portion 118 of the housing is angled, as is apparent from Fig. 15. As a result, as in the embodiment according to FIGS. 1 to 4, the desired controllability of the drilling device can be achieved.
  • Drill 131 are transmitted to the shaft 100 can support.
  • FIGS. 16 and 17 show by way of example different cross sections for the clamping strips 234, 334, as they can be used in the guide device according to FIGS. 5 to 15.
  • Fig. 16 shows (as well as Figs. 5 and 7) terminal strips
  • the terminal strips 334 shown in FIG. 17 have a symmetrical cross section, in which the retractability of the terminal strips in both directions of rotation is easily possible.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Führungsvorrichtung für eine Bohrvorrichtung mit einem Gehäuse mit Ablenkmitteln zur Erzeugung einer Seitenkraft und einer innerhalb des Gehäuses drehbar gelagerten Welle, wobei die Welle an einem ersten Ende Anschlussmittel zur Verbindung mit einem Bohrgestänge und an einem zweiten Ende Anschlussmittel zur Verbindung mit einem Bohrkopf aufweist und wobei Kupplungsmittel zur bedarfsweisen drehfesten Verbindung der Welle mit dem Gehäuse vorgesehen sind.

Description

P A T E N T A N W Ä L T E • P A R T N E R S C H A F T
15. April 2010 51 502 K
TRACTO-TECHNIK GmbH & Co. KG
Reiherstraße 2, 57368 Lennestadt
„Führungsvorrichtung für eine Bohrvorrichtung"
Die Erfindung betrifft eine Führungsvorrichtung für eine Bohrvorrichtung sowie eine eine solche Führungsvorrichtung aufweisende Bohrvorrichtung.
Aus dem Stand der Technik sind Bohrvorrichtungen bekannt, mit denen ein Umsteuern der Bohrrichtung während des Einbringens der Bohrung möglich ist.
Beispielsweise sind aus dem Bereich der Horizontalbohrtechnik Bohrvorrichtungen bekannt, bei denen mittels einer an der Erdoberfläche angeordneten Antriebsvorrichtung ein über ein Bohrgestänge mit der Antriebsvorrichtung verbundener Bohrkopf sta- tisch und/oder dynamisch in das Erdreich vorgetrieben wird. Eine Steuerungsfunktion kann bei solchen Bohrvorrichtungen beispielsweise dadurch erzielt werden, dass der Bohrkopf mit einer asymmetrisch abgeschrägten Stirnfläche versehen ist, die bewirkt, dass auf den Bohrkopf bei dessen Vortrieb durch das Erdreich eine Seitenkraft wirkt, die zu einer Ablenkung des Bohrkopfs von der geraden Bohrrichtung führt. Wird ein solcher Schrägbohrkopf ausschließlich statisch oder dynamisch, jedoch nicht rotierend vorgetrieben, führt dies zu einem bogenförmigen Verlauf der Bohrung innerhalb des Erdreichs. Ein geradliniges Bohren ist mit einer solchen Bohrvorrichtung möglich, indem der Schrägbohrkopf nicht nur unter Druckbelastung vorgetrieben, sondern gleichzeitig rotierend angetrieben wird, wodurch die eine Ablenkung bewirkenden Sei- tenkräfte über dem Verlauf einer vollständigen Umdrehung des Schrägbohrkopfs ausgeglichen werden, so dass sich im Mittel ein geradliniger Bohrverlauf ergibt.
DCCTATIfil IM/iCLTADIC Derartige Bohrvorrichtungen eignen sich gut für ein Bohren in Böden, die gut deformiert werden können, da die Bohrwirkung im Wesentlichen auf einem radialen Verdrängen und Verdichten des Erdreichs beruht. Für einen Einsatz im härteren Erdreich sowie in Gestein sind derartige Bohrvorrichtungen dagegen nicht geeignet, weil hierbei erforderlich ist, das Erdreich bzw. das Gestein abzubauen, das heißt zunächst zu zerkleinern und dann aus dem Bohrloch zu entfernen.
Es gibt im wesentlichen zwei unterschiedliche Bauarten für Bohrvorrichtungen, die sich für ein Bohren in härterem Erdreich sowie in Gestein eignen.
Bohrvorrichtungen gemäß einer ersten dieser Bauarten beruhen auf einem Imloch- Motor, das heißt einem Motor, der im Bereich des Bohrkopfs einer Bohrvorrichtung angeordnet ist und mit diesem durch das Erdreich vorgetrieben wird. Der Imloch-Motor wirkt direkt auf den Bohrkopf und treibt diesen rotierend an. Die für einen Vortrieb des Bohrkopfs erforderlichen Druckkräfte werden dagegen über ein Bohrgestänge von einer an der Erdoberfläche angeordneten Antriebsvorrichtung auf die Bohreinheit, bestehend aus Imloch-Motor und Bohrkopf, übertragen. Als Imloch-Motoren kommen regelmäßig sogenannte „Mud-Motoren" zum Einsatz. Hierbei handelt es sich um Motoren, die nach dem „Moineau"-Prinzip arbeiten oder auf Turbinen beruhen und hydrau- lisch angetrieben werden. Regelmäßig ist dabei vorgesehen, die Mud-Motoren über eine Bohrflüssigkeit anzutreiben, die diesen unter hohem Druck durch das hohle Bohrgestänge oder eine sonstige Zuleitung zugeführt wird, und die Bohrflüssigkeit nach dem Entspannen in dem Mud-Motor über entsprechende Auslassöffnungen im Bereich des Bohrkopfs auszubringen, um die Front des Bohrkopfs zu schmieren und zu kühlen und um das abgetragene Erdreich oder Gestein aus dem Bohrloch auszuschwemmen.
Eine Steuerbarkeit kann bei derartigen Bohrvorrichtungen dadurch erreicht werden, dass das Gehäuse des Imloch-Motors oder ein Abschnitt des Gestänges, der vorzugsweise möglichst nah im Bereich des Bohrkopfs gelegen ist, mit Ablenkmitteln versehen ist, die eine Seitenkraft erzeugen, die zu einer entsprechenden Ablenkung von dem geraden Bohrverlauf führt.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, als Ablenkmittel einen sogenannten Ablenkschuh einzusetzen, der einseitig auf dem Gehäuse des Imloch-Motors oder einem Abschnitt des Bohrgestänges befestigt wird und dadurch die seitliche Ablenkung bewirkt. Die gleiche Wirkung kann alternativ auch durch eine entsprechende asymmetrische Ausbildung des Gehäuses des Imloch-Motors oder eines Abschnitts des Bohrgestänges erzielt werden. Als dritte Möglichkeit ist zudem bekannt, das Gehäuse des Imloch-Motors oder einen Abschnitt des Bohrgestänges mit einer Krümmung oder einem winkeligen Verlauf zu versehen, durch den die gewünschte Ablenkung erreicht wird. Zudem ist bekannt, den Bohrkopf selbst so mit der Antriebswelle des Imloch- Motors zu verbinden, dass die Rotationsachse des Bohrkopfs nicht koaxial zu der Längsachse des Imloch-Motors und des sich daran anschließenden Abschnitts des Bohrgestänges ist. Ein geradliniger Bohrverlauf wird mit solchen Bohrvorrichtungen dadurch erzielt, dass das die Ablenkmittel aufweisende Gehäuse des Imloch-Motors bzw. das Gestänge rotierend angetrieben wird, wodurch die Seitenkraftwirkung der
Ablenkungsmittel über den Verlauf einer vollständigen Umdrehung ausgeglichen wird. Für ein Umsteuern der Bohrrichtung wird dagegen die Rotation des Gehäuses bzw. des Bohrgestänges unterbrochen, bis die gewünschte neue Bohrrichtung erreicht ist.
Nachteilig an derartigen Bohrvorrichtungen ist, dass diese für den Antrieb der Mud-
Motoren große Mengen an Bohrflüssigkeit unter hohem Druck benötigen, was bedingt, dass große und teure Pumpen bereitgestellt werden müssen. Außerdem muss ein ausreichend großer Querschnitt innerhalb des Bohrgestänges bereitgestellt werden, durch den die Bohrflüssigkeit von der an der Oberfläche angeordneten Pumpe zu dem Mud- Motor transportiert werden kann, um zu verhindern, dass die Strömungswiderstände innerhalb des Bohrgestänges einen zu großen Druckverlust bewirken. Hinsichtlich der zu übertragenden Kräfte und Momente muss das Bohrgestänge somit „überdimensioniert" werden. Ein weiteres Problem besteht darin, dass die Entsorgung der verbrauchten Bohrflüssigkeit aufwendig und damit teuer ist. Da für den Antrieb der Mud- Motoren erheblich mehr Bohrflüssigkeit benötigt wird, als es für ein Kühlen und
Schmieren sowie ein Ausschwemmen des Bohrkleins erforderlich wäre, steigen entsprechend auch die Entsorgungskosten für die Bohrflüssigkeit.
Diese Nachteile, die mit auf Imloch-Motoren beruhenden Bohrvorrichtungen für hartes Erdreich und Gestein verbunden sind, haben dazu geführt, dass Bohrvorrichtungen entwickelt wurden, die ohne einen solchen Imloch-Motor auskommen, jedoch weiterhin für ein Bohren im harten Erdreich oder Gestein geeignet sind. Diese Bohrvorrichtungen beruhen auf einem Doppelbohrgestänge. Dieses besteht aus einem Außenrohr, dessen vorderes, dem Bohrgrund zugewandtes Ende regelmäßig mit einer ringförmigen Bohrkrone versehen ist, und einem innerhalb des Außenrohrs rotierbar gelagerten
Innengestänge, an dessen vorderem Ende der eigentliche Bohrkopf angeordnet ist. Das Doppelbohrgestänge wird von einer an der Erdoberfläche angeordneten Antriebseinheit sowohl rotierend als auch unter Druckbelastung vorgetrieben. Regelmäßig ist hierbei vorgesehen, den Vorschub für das Außenrohr und das Innengestänge synchron durchzuführen, das Außenrohr und das Innengestänge jedoch unabhängig voneinander rotierend anzutreiben. Das Innengestänge wird dabei mit einer Rotationsfrequenz angetrieben, die hinsichtlich eines möglichst optimalen Abtragens des Erdreichs oder Gesteins ausgelegt ist. Das Außenrohr, das aufgrund seines direkten Kontakts mit der Wandung der bereits erstellten Bohrung einer erheblichen Reibung mit dieser ausge- setzt ist, wird dagegen regelmäßig mit geringeren Drehzahlen angetrieben, um die
Reibungsverluste und den dadurch bedingten Verschleiß möglichst gering zu halten. - A -
Die Rotation des Außenrohrs dient vielmehr lediglich dazu, die gewünschte Steuerbarkeit der Bohrvorrichtung zu erreichen. Hierzu ist, ähnlich wie bei den Bohrvorrichtungen mit Imloch-Motor, das Außenrohr des Doppelrohrgestänges im Bereich des Bohrkopfs mit Ablenkmitteln versehen, die eine Seitenkraft erzeugen, die dazu führt, das bei einem nicht-rotierenden Außenrohr ein bogenförmiger Bohrverlauf erhalten wird. Für ein Geradeaus-Bohren wird dagegen nach demselben Prinzip wie bei den bereits beschriebenen alternativen Bohrvorrichtungen, das Außenrohr kontinuierlich rotierend angetrieben, wodurch sich im Mittel ein geradliniger Bohrverlauf ergibt. Die Drehzahl des hierfür kontinuierlich rotierend angetriebenen Außenrohrs kann dabei erheblich unterhalb derjenigen liegen, die für das den Bohrkopf tragende Innengestänge sinnvoll ist. Der wesentliche Nachteil derartiger Vorrichtungen mit Doppelbohrgestänge liegt in der aufwendigen und daher teuren Konstruktion des Doppelbohrgestänges selbst.
Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine konstruktiv einfache Bohrvorrichtung anzugeben, die es ermöglicht, Bohrungen in hartem Erdreich oder Gestein einzubringen.
Diese Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Bohrvorrichtung gemäß Patentanspruch 17 gelöst. Eine hierbei erfindungsgemäß zum Einsatz kommende Führungsvor- richtung ist Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen dieser Führungsvorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
Eine erfindungsgemäße Bohrvorrichtung weist ein Bohrgestänge, einen vorzugsweise für das Bohren in hartem Erdreich oder Gestein ausgelegten Bohrkopf, wie er aus dem
Stand der Technik hinreichend bekannt ist, und eine zwischen dem Bohrgestänge und dem Bohrkopf angeordnete, erfindungsgemäße Führungsvorrichtung auf, die so ausgebildet ist, dass sie die für eine Steuerbarkeit der Bohrvorrichtung erforderliche seitliche Ablenkung erzeugt.
Eine erfindungsgemäße Führungsvorrichtung umfasst ein Gehäuse mit Ablenkmitteln zur Erzeugung einer die Ablenkung bewirkenden Seitenkraft und eine innerhalb des Gehäuses drehbar gelagerte Welle, wobei die Welle an einem ersten Ende Anschlussmittel zur Verbindung mit dem Bohrgestänge und an einem zweiten Ende Anschlussmittel zur Verbindung mit dem Bohrkopf aufweist. Weiterhin ist vorgesehen, dass die Führungsvorrichtung Kupplungsmittel aufweist, durch die bedarfsweise eine drehfeste Verbindung der Welle mit dem Gehäuse erzeugt werden kann.
Die erfindungsgemäße Führungsvorrichtung ermöglicht, den Bohrkopf direkt über ein (vorzugsweise einfaches) Bohrgestänge anzutreiben, so dass sowohl auf einen Imloch-
Motor als auch auf ein aufwendiges Doppelbohrgestänge verzichtet werden kann. Die gewünschte Steuerbarkeit der Bohrvorrichtung wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, dass das die Ablenkmittel aufweisende Gehäuse der Führungsvorrichtung bedarfsweise mit der Welle der Führungsvorrichtung drehfest verbunden wird, so dass durch ein gezieltes Mitrotieren des Gehäuses mit der Welle die von den Ablenkmitteln bewirkte Ablenkungswirkung neutralisiert werden kann, um ein Geradeaus-Bohren zu erreichen. Anderenfalls kann die drehfeste Verbindung dann unterbrochen werden, wenn ein Umsteuern der Bohrvorrichtung gewünscht ist, wodurch das dann nicht mehr rotierende Gehäuse der Führungsvorrichtung mit den Ablenkmitteln die gewünschte Ablenkungswirkung erzeugt.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, die Kupplungsmittel hydraulisch zu betätigen, um die bedarfsweise drehfeste Verbindung der Welle mit dem Gehäuse herzustellen bzw. zu lösen. Zur hydraulischen Betätigung kann vorteilhafterweise auf eine Bohrflüssigkeit zurückgegriffen werden, die der Bohrvorrichtung zugeführt wird, um diese insbesondere im Bereich des Bohrkopfs austreten zu lassen, um - wie dies bekannt ist - den Bohrkopf zu schmieren und das von dem Bohrklein abgetragene Erdreich/Gestein durch die Bohrung auszuspülen.
Alternativ besteht selbstverständlich auch die Möglichkeit, die Kupplung pneumatisch, insbesondere mittels Drucklufts zu betätigen.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, die Kupplungsmittel entgegen der Federkraft (mindestens) eines Federelements zu betätigen, wodurch zum einen eine sichere Rückstellung in eine Ausgangsstellung erreicht werden kann und zum anderen - bei einer entsprechenden Auslegung insbesondere des Federelements und insbesondere bei einer hydraulischen Betätigung - das Betätigen der Kupplung von der Höhe des hydraulischen Drucks abhängig gemacht werden kann. Dies ermöglicht beispielsweise, das Betätigen der Kupplung erst bei einem Druck erfolgen zu lassen, der höher ist als der Druck der für ein Ausbringen einer Bohrflüssigkeit in den Bohrgrund erforderlich bzw. vorgesehen ist.
In einer bevorzugten, weil konstruktiv einfachen und wenig Bauraum beanspruchenden Ausführungsform können die Kupplungsmittel eine Kupplungshülse umfassen, die zwischen der Welle und dem Gehäuse angeordnet ist und die zu der Welle und/oder dem Gehäuse zwischen einer ersten und einer zweiten Position verschiebbar ist, wobei die Kupplungshülse in der ersten Position relativ zu der Welle und/oder dem Gehäuse drehbar ist und in der zweiten Position mit der Welle und/oder dem Gehäuse drehfest verbunden ist. Erfindungsgemäß ist nicht erforderlich, dass die Kupplungshülse die Welle vollumfänglich umgreift. In einer alternativen Ausführungsform kann das drehfeste Verbinden der Welle mit dem Gehäuse der erfindungsgemäßen Führungsvorrichtung auch dadurch bewirkt werden, dass die Welle (oder ein Teil hiervon) in längsaxialer Richtung relativ zu dem Gehäuse oder einem Abschnitt hiervon verschiebbar ist, wobei in einer der Relativpositionen dieser Verschiebung die Kupplungsmittel die drehfeste Verbindung zwischen der Welle und dem Gehäuse bewirken; beispielsweise können die Kupplungsmittel durch ein Kupplungselement der Welle ausgebildet werden, das in ein Kupplungselement des Gehäuses eingreift. In einer zweiten Relativposition dieser Verschiebung kann dann entsprechend vorgesehen sein, dass die Kupplungsmittel keine drehfeste Verbindung zwischen der Welle und dem Gehäuse mehr bewirken; hierbei kann das
Kupplungselement der Welle aus dem Eingriff mit dem Kupplungselement des Gehäuses bewegt worden sein. Ein Schalten der Kupplungsmittel durch eine längsaxiale Relativverschiebung der Welle zu dem Gehäuse kann konstruktiv auf einfache Weise realisiert werden.
Bei einer solchen Ausgestaltung der Kupplungsmittel besteht weiterhin die Möglichkeit, ein Schalten der Kupplungsmittel durch eine Veränderung der Höhe der Druckkräfte, die über das Bohrgestänge auf die Welle und den Bohrkopf ausgeübt werden, zu steuern. Hierzu kann vorzugsweise ein Federelement vorgesehen werden, das zwischen dem Gehäuse oder einem Abschnitt hiervon und der Welle angeordnet ist und diese in
Richtung einer der Schaltpositionen der Kupplungsmittel beaufschlagt. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um die Schaltposition, bei der eine drehfeste Verbindung der Welle mit dem Gehäuse gegeben ist. Durch die Anordnung des Federelements können über das Bohrgestänge und die Welle Druckkräfte auf den Bohrkopf übertragen wer- den, die gegebenenfalls zur Erreichung der gewünschten Bohrwirkung ausreichend sind, jedoch nicht so hoch sind, dass sie das Federelement soweit deformieren, dass es zu einem Schalten der Kupplungsmittel führt. Ein solches Schalten der Kupplungsmittel kann dann durch ein gezieltes Erhöhen der Druckkräfte erfolgen.
Selbstverständlich ist es durch eine entsprechende Umkehrung des Prinzips auch möglich, beim Ausüben der für den Bohrvortrieb vorgesehenen Druckkräfte das Federelement soweit zu komprimieren, dass es zu einem Schalten der Kupplungsmittel kommt, und ein Umschalten dadurch vorzusehen, dass die Druckkräfte reduziert oder aufgehoben werden. Das Federelement unterstützt dann die Umschaltung, so dass keine Zugkräfte auf die Welle ausgeübt werden müssen.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Führungsvorrichtung kann vorgesehen sein, mindestens ein gegen die Bohrlochwandung auslenkbares Abstützelement vorzusehen, durch das bedarfsweise die Reibung mit der Bohrlochwandung erhöht werden kann, um zu verhindern, dass sich das Gehäuse der
Führungsvorrichtung unbeabsichtigt innerhalb des Bohrlochs dreht. Vorzugsweise ist die Integration des Abstützelements in die Führungsvorrichtung dabei so verwirklicht, dass das Abstützelement dann ausgelenkt ist, wenn keine drehfeste Verbindung des Gehäuses mit der Welle vorliegt und sich die erfindungsgemäße Bohrvorrichtung im Steuerbetrieb befindet.
Auch das Auslenken des Abstützelements kann vorzugsweise hydraulisch (selbstverständlich ist auch eine pneumatische Auslenkung möglich) und insbesondere mittels einer Bohrflüssigkeit erfolgen. Damit können die gleichen Vorteile wie bei der hydraulischen Betätigung der Kupplungsmittel erreicht werden. Zusätzlich kann durch eine Anpassung des hydraulischen Drucks bzw. bei der Verwendung einer Bohrflüssigkeit der geförderten Menge der Bohrflüssigkeit die Höhe des Anpressdrucks des Abstützelements gesteuert und dadurch an unterschiedliche Bedingungen angepasst werden.
Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das Abstützelement entgegen der Kraft eines Federelements ausgelenkt wird. Wie bei der Betätigung der Kupplungsmittel entgegen der Kraft einer Feder kann dadurch zum einen eine sichere Rückstellung in eine Ausgangsstellung des Abstützelements erreicht werden und zum anderen - bei einer entsprechenden Auslegung insbesondere des Federelements und insbesondere bei einer hydraulischen Betätigung - das Auslenken des Abstützelements von der Höhe des hydraulischen Drucks abhängig gemacht werden. Dies ermöglicht wiederum, das Auslenken des Abstützelements erst bei einem Druck erfolgen zu lassen, der höher ist als der Druck der für ein Ausbringen einer Bohrflüssigkeit in den Bohrgrund erforderlich bzw. vorgesehen ist.
Werden sowohl die Kupplungsmittel als auch das Abstützelement entgegen der Kraft eines Federelements und vorzugsweise mittels des gleichen Fluids (insbesondere mittels einer Bohrflüssigkeit) betätigt, kann weiterhin vorgesehen sein, die Betätigung der Kupplungsmittel bei einem niedrigeren Druck erfolgen zu lassen als das Auslenken des Abstützelements. Da vorzugsweise vorgesehen sein kann, die Kupplung bereits bei einem niedrigen (absoluten) Druck betätigen zu lassen, kann dadurch erreicht werden, dass das Gehäuse mit der Welle mitdrehbar ist und gleichzeitig eine Bohrflüssigkeit ausgebracht wird, ohne dass jedoch das Abstützelement ausgelenkt ist.
Selbstverständlich besteht die Möglichkeit, die Schaltzeitpunkte der Kupplungsmittel und des Abstützelements durch die Verwendung unterschiedlicher Federn z.B. an unterschiedliche Bodenverhältnisse anzupassen.
In einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Führungsvorrichtung kann das Auslenken des Abstützelements durch eine relative Verschiebung der Welle zu dem Gehäuse in längsaxialer Richtung der Führungsvorrichtung erreicht werden. Dies ermöglicht, das Auslenken des Abstützelements in Abstimmung mit dem Schalten der Kupplungsmittel durchzuführen, wenn diese durch ein Verschieben in längsaxialer Richtung betätigt werden. Dies ermöglicht, dass stets dann, wenn die Kupplungselemente der Kupplungsmittel nicht im Eingriff sind und eine Relativdrehung zwischen der Welle und dem Gehäuse der Führungsvorrichtung möglich ist, die Abstützelemente ausgelenkt sind. Dementsprechend sind diese stets dann nicht ausgelenkt, wenn die Kupplungselemente der Kupplungsmittel im Eingriff sind, wobei die drehfeste Verbindung zwischen der Welle und dem Gehäuse erreicht wird.
Eine Möglichkeit, ein Abstützelement auszubilden, das durch eine relative Verschiebung der Welle in Längsrichtung zu dem Gehäuse ausgelenkt wird, besteht darin, dieses als Blattfeder auszubilden, die an einer Seite an dem Gehäuse und an einer gegenüberliegenden Seite zumindest indirekt an der Welle abgestützt ist. Durch die Relativverschiebung der Welle zu dem Gehäuse wird der Abstand zwischen den beiden Anlenkpunkten der Blattfeder verkürzt, wodurch diese, die vorzugsweise bogenförmig radial nach außen vorgespannt ist, nach außen ausgelenkt wird. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, eine entsprechende Auslenkung des Abstützelements durch eine rotatorische Relativbewegung des Gehäuses (oder eines Abschnitts hiervon) zu der Welle (oder eines Abschnitts hiervon) zu bewirken.
In einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass sich die Blattfeder zwischen zwei Abschnitten des Gehäuses, die in längsaxialer Richtung der Führungsvorrichtung relativ zueinander verschiebbar sind, abstützt. Einer dieser zwei Abschnitte des Gehäuses stützt sich dann direkt oder indirekt an der Welle ab, um bei einer Relativverschiebung der Welle zu dem Gehäuse die gewünschte radiale Auslenkung der Blattfeder zu erzielen. Diese Ausführungsform weist den wesentlichen Vorteil auf, dass die Lagerung, die die für die Funktion der erfindungsgemäßen Bohrvorrichtung erforderliche Relativrotation zwischen der Welle und dem Gehäuse ermöglicht, zwischen der Welle und dem entsprechenden Abschnitt des Gehäuses angeordnet werden kann. Im Vergleich zu einer Ausführungsform, bei der sich die Blattfeder direkt an der Lagerung abstützt, kann dies konstruktiv einfacher umsetzbar sein.
In einer weiterhin bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Führungsvorrichtung kann vorgesehen sein, die Welle in einem Abschnitt, der sich innerhalb des Gehäuses erstreckt, teleskopierbar auszubilden. Dadurch wird ermöglicht, das für ein Schalten der Kupplungsmittel und/oder für ein Auslenken der Abschnittselemente vorgesehene Verschieben eines ersten Abschnitts der Welle über die Teleskopierbarkeit der Welle zu bewirken, wodurch der zweite, nicht verschobene Abschnitt der teleskopierbaren Welle nicht zu dem entsprechenden Abschnitt des Gehäuses relativ verschoben wird. Dadurch kann gegebenenfalls die Lagerung dieses nicht verschiebbaren Abschnitts der Welle in dem entsprechenden Abschnitt des Gehäuses erheblich vereinfacht werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Führungsvorrichtung kann vorgesehen sein, das Abstützelement zumindest im ausgelenkten Zustand mittels eines Fluids und wiederum vorzugsweise mittels einer Bohrflüssigkeit (zumindest teilweise) zu unterspülen, um zu verhindern, dass sich ungewollterweise Bohrklein unter das Abstützelement setzt und dadurch ein Einfahren des Abstützelements behindert. Das Eindringen von Bohrklein wird dadurch wirksam verhindert, dass das
Fluid der Führungsvorrichtung mit einem Überdruck (gegenüber der Umgebung der Führungsvorrichtung) zugeleitet wird; dieser Überdruck verhindert ein Eindringen des Bohrkleins.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform ist das Abstützelement in einer
Führung des Gehäuses gelagert, wobei vorgesehen sein kann, dass sich das Abstützelement im ausgelenkten Zustand zumindest mit seinen Außenkanten noch innerhalb der Führung befindet. Der Spalt, durch den Bohrklein unter das Abstützelement dringen kann, kann dadurch auf ein geringes Maß reduziert werden. Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass ein definierter (kleiner) Teil des Fluids, mit dem das Abstützelement unterspült wird, durch diesen Spalt ausgetragen wird, wodurch wiederum ein Eindringen von Bohrklein verhindert und eine sichere Beweglichkeit des Abstützelements in der Führung gewährleistet werden kann.
Durch eine geeignete Wahl des Querschnitts (bezogen auf die Längsrichtung der
Führungsvorrichtung bzw. der Bohrvorrichtung) des Abstützelements können verschiedene Vorteile erreicht werden. Bei einem asymmetrischen Querschnitt kann erreicht werden, dass das Abstützelement eine besonders gute Abstützung des Gehäuses in einer Drehrichtung in Verbindung mit einer leichten Einfahrbarkeit in der anderen Drehrichtung aufweist. Ein symmetrischer Querschnitt kann sich durch eine einfache Einfahrbarkeit in beide Drehrichtung auszeichnen, wobei gegebenenfalls Einbußen bei der Abstützungsfähigkeit in Kauf genommen werden müssen.
Die Ablenkmittel der erfindungsgemäßen Führungsvorrichtung werden vorzugsweise dadurch ausgebildet, dass ein Abschnitt des Gehäuses gebogen ausgebildet ist.
Unter „gebogenem Abschnitt" des Gehäuses wird ein Abschnitt verstanden, bei dem die Längsachse des Abschnitts keine durchgängige Gerade ausbildet, sondern beispielsweise eine konstante Krümmung oder zwei in einem Winkel zueinander ange- ordnete Abschnitte. Ein solcher gebogener Abschnitt des Gehäuses kann - im
Vergleich zu anderen Ablenkmitteln - einfach herstellbar und wartungsarm sein. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Ablenkmittel in Form eines Abschnitts des Gehäuses mit asymmetrischem Querschnitt oder durch das außenseitige Anordnen eines sogenannten Ablenkschuhs auszubilden, wobei die asymmetrische Ausbildung des Gehäuses gegebenenfalls mit einem erhöhten Herstellungsaufwand und die
Anordnung eines Ablenkungsschuhs mit einem erhöhten Wartungsaufwand verbunden sein kann.
Der Abschnitt der Welle, der innerhalb des gebogenen Abschnitts des Gehäuses angeordnet ist, ist vorzugsweise biegeflexibel und insbesondere biegeelastisch ausgebildet, so dass dieser die durch die Relativrotation innerhalb des gebogenen Abschnitts des Gehäuses erzeugte Biege-Wechselbelastung mit einer ausreichenden Lebensdauer ertragen kann.
Zur biegeflexiblen Ausbildung des Abschnitts der Welle können sämtliche aus dem
Stand der Technik bekannten Maßnahmen herangezogen werden. Hierunter fällt insbesondere ein im Vergleich zu den übrigen Abschnitten der Welle reduzierter Außendurchmesser, durch den das Widerstandsmoment reduziert wird. Um auch über diesen Abschnitt der Welle weiterhin die erforderlichen Druckkräfte und Drehmomente über- tragen zu können, kann dabei der reduzierte Außendurchmesser beispielsweise durch eine erhöhte Wandstärke dieses Abschnitts ausgeglichen werden. Ein solcher Abschnitt der Welle wäre biegeelastisch, wenn durch die Biegung eine entsprechende Rückstellwirkung bewirkt würde. Ein biegeflexibler, jedoch nicht biegeelastischer Abschnitts kann durch die Ausbildung einer Gliederwelle erzielt werden. Diese besteht aus einer Vielzahl von gelenkig miteinander verbundenen Gliedern, bei denen die Verbindung so ist, dass die einzelnen kleinen Abschnitte nicht in längsaxialer Richtung zueinander verschoben und nicht gegeneinander (um die Längsachse der Gliederwelle) verdreht werden können, jedoch jeweils um eine Achse, die senkrecht zu der Längsachse der Gliederwelle angeordnet ist, zueinander verschwenkt werden können, wodurch die Biegeflexibilität erreicht wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Führungsvorrichtung kann vorgesehen sein, dass zumindest ein Abschnitt des biegeflexiblen Abschnitts der Welle in einer exzentrischen Bohrung des Gehäuses angeordnet ist. Dadurch kann einseitig in dem Gehäuse Platz für eine relativ große Aufnahme(öffnung) geschaffen werden, die insbesondere der Aufnahme eines Senders (zur Lokalisierung der Bohrvorrichtung im Erdreich und/oder der Verrollung des Gehäuses) dienen kann. Der biegeflexible Abschnitt der Welle ist im montierten Zustand vorzugsweise so innerhalb der Bohrung positioniert, dass dieser bezogen auf das Gehäuse zentrisch angeordnet ist. Die exzentrische Bohrung des Gehäuses muss dazu einen größeren Durchmesser als der Abschnitt des biegeflexiblen Abschnitts der Welle aufweisen, der innerhalb dieser Bohrung angeordnet ist. Dieser größere Durchmesser kann dann eine Montierbarkeit des biegeflexiblen Abschnitts der Welle ermöglichen, beispielsweise wenn dieser als separates Bauteil mit endseitigen Verbindungsmitteln ausgebildet ist, der vorder- und/oder rückseitig mit biegesteifen Abschnitten der Welle verbunden wird. Diese Verbindungsmittel weisen aus konstruktiven oder Haltbarkeitsgründen regelmäßig einen größeren Durchmesser auf, als der Rest des biegeflexiblen Abschnitts, so dass durch den relativ großen Durchmesser der exzentrischen Bohrung eine Montage des biegeflexiblen Abschnitts trotz im Durchmesser größerer Verbindungsmittel möglich ist.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, das die Anschlussmittel für das Bohrgestänge aufweisende Ende der Führungsvorrichtung mit Schneidelementen und/oder einem Aufweitkonus zu versehen, die einen Räumer ausbilden, der die Bohrung beim Zurückziehen der Bohrvorrichtung säubert. Dabei kann vorgesehen sein, die Welle und somit den Räumer mittels des Bohrgestänges zu rotieren, während das Gehäuse der Führungsvorrichtung still steht oder zumindest nicht an die Rotation der Welle gekoppelt ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Aus- führungsbeispiels näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 : eine erfindungsgemäße Führungsvorrichtung in einer ersten Ausführungsform in einer Seitenansicht;
Fig. 2: die Führungsvorrichtung der Fig. 1 in einer geschnittenen Seitenansicht entlang der Schnittebene Il - II;
Fig. 3: einen ersten Ausschnitt der Fig. 2 in einer vergrößerten Darstellung;
Fig. 4: einen zweiten Ausschnitt der Fig. 2 in einer vergrößerten Darstellung;
Fig. 5: eine erfindungsgemäße Bohrvorrichtung mit einer Führungsvorrichtung in einer zweiten Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht;
Fig. 6: eine vergrößerte Darstellung eines Abschnitts der Welle der Führungsvorrichtung der Fig. 5 in einer perspektivischen Ansicht;
Fig. 7: eine vergrößerte Darstellung eines ersten Abschnitts des Gehäuses der
Führungsvorrichtung der Fig. 5 in einer perspektivischen Ansicht; Fig. 8: einen Längsschnitt durch den ersten Abschnitt des Gehäuses und den entsprechenden Abschnitt der Welle in einer ersten Betriebsstellung der
Führungsvorrichtung der Fig. 5;
Fig. 9: einen Längsschnitt durch den ersten Abschnitt des Gehäuses und den entsprechenden Abschnitt der Welle in einer zweiten Betriebsstellung der
Führungsvorrichtung der Fig. 5;
Fig. 10: einen Teilquerschnitt durch den ersten Abschnitt des Gehäuses der
Führungsvorrichtung der Fig. 5;
Fig. 11 : einen Längsschnitt durch einen zweiten Abschnitt des Gehäuses und den entsprechenden Abschnitt der Welle in einer ersten Betriebsstellung der Führungsvorrichtung der Fig. 5;
Fig. 12: einen Längsschnitt durch den zweiten Abschnitt des Gehäuses und den entsprechenden Abschnitt der Welle in einer zweiten Betriebsstellung der Führungsvorrichtung der Fig. 5;
Fig. 13: einen Abschnitt der Welle der Führungsvorrichtung der Fig. 5 in einer perspektivischen Ansicht;
Fig. 14: eine Kupplungshülse der Führungsvorrichtung der Fig. 5 in einer perspektivischen Ansicht;
Fig. 15: einen Längsschnitt durch einen dritten Abschnitt des Gehäuses und den entsprechenden Abschnitt der Welle der Führungsvorrichtung der Fig. 5;
Fig. 16: einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Führungsvorrichtung mit asymmetrischen Klemmleisten; und
Fig. 17: einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Führungsvorrichtung mit symmetrischen Klemmleisten.
Die Figuren 1 bis 4 zeigen eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Führungsvorrichtung. Die Führungsvorrichtung umfasst ein mehrteiliges Gehäuse und eine ebenfalls mehrteilige, rotierbar innerhalb des Gehäuses gelagerte Welle. Vorder- und endseitig ist die Welle jeweils mit einem Innengewinde 1 , 2 versehen, in das ein ent- sprechendes Außengewinde eines nicht dargestellten Bohrkopfs (vorderseitig) und ein entsprechendes Außengewinde eines nicht dargestellten Bohrgestänges (endseitig) eingeschraubt werden kann. Die Welle besteht aus insgesamt sieben Abschnitten, die über Schraubverbindungen miteinander verbunden sind. Ein erster Abschnitt 3 der Welle weist einseitig das bereits beschriebene Innengewinde zur Verbindung mit dem Bohrgestänge und an dem gegenüberliegenden Ende ebenfalls ein Innengewinde auf, in das ein Außengewinde des zweiten Abschnitts 4 der Welle eingeschraubt werden kann. An dem dem Außengewinde gegenüberliegenden Ende ist der zweite Abschnitt 4 der Welle innerhalb einer Führungsbuchse 5 des dritten Abschnitts 6 der Welle in längsaxialer Richtung verschiebbar geführt, wobei die Führung so ausgebildet ist, dass ein Drehmoment zwischen dem zweiten und dem dritten Abschnitt der Welle übertra- gen werden kann. Der dritte Abschnitt 6 der Welle ist mit dem vierten Abschnitt 7 der
Welle wiederum über eine Schraubverbindung verbunden. Eine ebensolche Verbindung besteht zwischen dem vierten 7 und dem fünften Abschnitt 8, dem fünften 8 und dem sechsten Abschnitt 9, und dem sechsten 9 und dem siebten Abschnitt 10 der Welle.
Das Gehäuse besteht aus insgesamt acht Abschnitten, die auf unterschiedliche Art und Weise miteinander verbunden sind. Der erste Abschnitt 11 des Gehäuses stützt sich über ein Axiallager 12 in längsaxialer Richtung an dem ersten Abschnitt 3 der Welle ab. Der erste Abschnitt 11 des Gehäuses ist als Führungsbuchse ausgebildet, auf der der zweite Abschnitt 13 des Gehäuses in längsaxialer Richtung verschiebbar angeordnet ist. In einem von dem ersten und dem zweiten Abschnitt des Gehäuses ausgebildeten ringförmigen Raum befindet sich eine Tellerfederpackung 14, die durch ein Verschieben des ersten 1 1 gegenüber dem zweiten Abschnitt 13 des Gehäuses in einer Richtung, bei der sich diese aufeinander zu bewegen, komprimiert wird. Der dritte Abschnitt 15 des Gehäuses ist so angeordnet, dass sowohl der erste 11 als auch der zweite
Abschnitt 13 des Gehäuses relativ zu diesem in längsaxialer Richtung verschoben werden können.
Eine Verbindung zwischen dem dritten 15 und dem zweiten Abschnitt 13 des Gehäu- ses erfolgt über insgesamt 5 Blattfedern 16, die bogenförmig nach außen vorgespannt sind und jeweils endseitig um einen Befestigungsstift 17 des zweiten 13 und des dritten
Abschnitts 15 des Gehäuses gewickelt sind. Bei einer Relativverschiebung des zweiten
13 gegenüber dem dritten Abschnitt 15 des Gehäuses, bei der diese aufeinander zu bewegt werden, werden die Blattfedern 16 radial nach außen ausgelenkt, wodurch diese gegen die das Gehäuse umgebende Bohrlochwandung gedrückt werden.
Der vierte Abschnitt 18 des Gehäuses ist über eine Schraubverbindung mit dem dritten Abschnitt 15 verbunden. Eine entsprechende Verbindung ist zwischen dem vierten 18 und dem fünften Abschnitt 19 des Gehäuses vorgesehen. In den fünften Abschnitt 19 des Gehäuses ist eine Vertiefung 20 integriert, die der Aufnahme eines Verrollungssensors (nicht dargestellt) dient. Über den Verrollungssensor soll der Rollwinkel bestimmt werden, den das Gehäuse innerhalb des Erdreichs einnimmt. Die konstruktive Ausgestaltung und die Funktionsweise derartiger Verrollungs- sensoren sind im Stand der Technik hinreichend bekannt. Die Vertiefung 20 zur Aufnahme des Verrollungssensors wird über einen Deckel 21 verschlossen, der über Schrauben 22 an dem Gehäuse fixiert wird.
An den fünften Abschnitt 19 schließt sich ein sechster Abschnitt 23 des Gehäuses an, der mit diesem verschweißt ist. Die Verbindung zwischen dem fünften 19 und dem sechsten Abschnitt 23 ist winkelig ausgebildet, so dass die Längsachse des fünften 19 und die Längsachse des sechsten Abschnitts 23 des Gehäuses nicht koaxial bzw. parallel sind, sondern einen (kleinen spitzen) Winkel einschließen. Der fünfte 19 und der sechste Abschnitt 23 des Gehäuses bilden zusammen einen „gebogenen Abschnitt" aus, über den eine Seitenkraft erzeugt wird, die zu einer für eine Steuerung der Bohrvorrichtung genutzten Ablenkung führt.
Der sechste 23 und der sich daran anschließende siebte Abschnitt 24 des Gehäuses sind wiederum über eine Schraubverbindung miteinander verbunden. Gleiches gilt für die Verbindung zwischen dem siebten 24 und dem achten Abschnitt 25 des Gehäuses.
Die Funktionsweise der in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Führungsvorrichtung ist folgendermaßen. Über ein mit dem ersten Abschnitt 3 der Welle verbundenes Bohrgestänge und die Welle selbst wird ein an dem siebten Abschnitt 9 der Welle befestigter Bohrkopf rotierend angetrieben und mit den für ein Vortrieb im Erdreich oder Gestein erforderlichen Druckkräften belastet. Die von der mehrteiligen Welle übertragenen Druckkräfte führen dazu, dass zwei zylindrische Schraubenfedern 26, über die sich der zweite Abschnitt 4 der Welle an dem dritten Abschnitt 6 der Welle abstützt, komprimiert werden, wodurch es zu einer Relativverschiebung dieser zwei Abschnitte der Welle zueinander kommt. Diese Relativverschiebung bewirkt, dass an dem zweiten Abschnitt
4 der Welle angeordnete Mitnehmer 27 aus einem Kontakt mit korrespondierenden Mitnehmern 28, die innenseitig an dem vierten Abschnitt 18 des Gehäuses vorgesehen sind, gebracht werden. Diese Mitnehmer 27, 28 des zweiten Abschnitts 4 der Welle bzw. des vierten Abschnitts 18 des Gehäuses dienen dazu, eine Rotation der Welle auf das Gehäuse zu übertragen, wenn die Welle mit keinen oder lediglich geringen Druckkräften belastet wird. Sobald die Mitnehmer 27, 28 der Welle bzw. des Gehäuses aus ihrem Eingriff gebracht worden sind, besteht keine drehfeste Verbindung zwischen der Welle und dem Gehäuse mehr, so dass die Welle und der daran befestigte Bohrkopf rotierend angetrieben werden können, ohne dass es zu einer entsprechenden Rotation des Gehäuses kommt. Durch die Relativverschiebung des ersten 3 und zweiten Abschnitts 4 der Welle zu den übrigen Abschnitten der Welle bzw. zu dem dritten bis achten Abschnitt des Gehäuses werden zudem die Blattfedern 16 ausgelenkt. Entgegen der Rückstellkräfte der Tellerfederpackung 14 wird der in längsaxialer Richtung an dem ersten Abschnitt der Welle abgestützte erste Abschnitt 11 des Gehäuses in Richtung des Bohrkopfs verschoben. Die dadurch erhöhte Vorspannung der Tellerfederpackung bewirkt wiederum ein Verschieben des zweiten Abschnitts 13 des Gehäuses in Richtung des Bohrkopfs. Dadurch wird der Abstand zwischen dem zweiten 13 und dem dritten Abschnitt 15 des Gehäuses verringert, wodurch die bogenförmig vorgespannten Blattfedern 16 radial nach außen ausgelenkt werden.
Wie bereits beschrieben wurde, wird der Bohrkopf im Bohrbetrieb über die Welle der Führungsvorrichtung und das Bohrgestänge rotierend angetrieben und mit einer Druckkraft belastet, die dazu führt, dass die zylindrischen Schraubenfedern 26, die den zweiten 4 und den dritten Abschnitt 6 der Welle gegeneinander abstützen, soweit komprimiert werden, dass die Mitnehmer 27, 28 sich nicht mehr im Eingriff befinden. Dadurch wird die Rotation der Welle nicht auf das Gehäuse übertragen und es folgt ein Vortrieb der Bohrvorrichtung in einem bogenförmigen Verlauf durch das Erdreich oder Gestein. Für ein Geradeaus-Bohren wird die Rotation bereits nach einem kurzen Bohrfortschritt unterbrochen und die Druckbelastung auf den Bohrkopf soweit reduziert, dass durch die Rückstellkräfte der zylindrischen Schraubenfedern 26 die Mitnehmer 27 des zweiten Abschnitts 4 der Welle in Eingriff mit den Mitnehmern 28 des vierten Abschnitts 18 des Gehäuses gebracht werden. Die Welle kann mittels der nicht dargestellten Antriebsvorrichtung daraufhin um einen definierten Winkel (beispielsweise 90°) rotiert werden, wobei das Gehäuse durch den Eingriff der Mitnehmer mitrotiert wird.
Daraufhin werden die Druckkräfte auf den Bohrkopf wieder erhöht, wodurch die von den Mitnehmern 27, 28 ausgebildeten Kupplungsmittel gelöst werden. Der Bohrkopf kann daraufhin wieder rotierend um eine geringe Distanz vorgetrieben werden, ohne dass das Gehäuse mitrotiert wird. Daraufhin folgt eine erneute Unterbrechung des Bohrvortriebs und ein erneutes Rotieren des Gehäuses um weitere 90°. Diese zyklische Vorgehensweise wird entsprechend fortgesetzt. Die Abweichungen von dem geraden Bohrverlauf, die sich jeweils während des Bohrvortriebs ergeben, werden durch das zyklische Mitrotieren des Gehäuses ausgeglichen; dadurch ergibt sich ein im Mittel gerader Bohrverlauf.
Sofern eine Umsteuerung der Bohrrichtung vorgesehen ist, wird das Gehäuse durch ein Schließen der Kupplungsmittel an die Rotation der Welle gekoppelt und bezüglich seines gebogenen Abschnitts in eine definierte, der neuen Bohrrichtung entsprechenden Position gebracht, die über den Verrollungssensor kontrolliert werden kann. Daraufhin werden die Kupplungsmittel wieder gelöst und die Bohrvorrichtung durch einen rotierenden Antrieb des Bohrkopfs soweit vorgetrieben, bis die gewünschte neue Bohrrichtung erreicht ist.
Die einzelnen Abschnitte der Welle, mit Ausnahme des vierten Abschnitts 7, sind jeweils mit einer zentralen Bohrung versehen. Diese dienen dazu, eine Bohrflüssigkeit, die über ein ebenfalls hohles Bohrgestänge zugeführt werden kann, bis zu dem Bohrkopf zu leiten, wo diese durch entsprechende Öffnungen in das Erdreich ausgebracht werden kann. Die Bohrflüssigkeit dient hauptsächlich dazu, den Bohrkopf zu kühlen, den Kontakt des Bohrkopfs mit dem Bohrgrund zu schmieren und das abgetragene Bohrklein durch den ringförmigen Spalt zwischen der Führungsvorrichtung beziehungsweise dem Bohrgestänge und der Bohrlochwandung auszuschwemmen. Der vierte Abschnitt 7 der Welle ist nicht mit einer zentralen Durchgangsbohrung versehen, sondern als Vollwelle ausgebildet. In diesem Bereich der Führungsvorrichtung wird die Bohrflüssigkeit durch einen zwischen dem vierten Abschnitt 7 der Welle und dem fünf- ten 19 beziehungsweise sechsten Abschnitt 23 des Gehäuses ausgebildeten ringförmigen Spalt 30 geführt. Der dritte 6 und der fünfte Abschnitt 8 der Welle sind hierfür mit mehreren Querbohrungen 29 versehen, über die die Bohrflüssigkeit von der zentralen Bohrung in den ringförmigen Spalt 30 überführt werden kann.
Die besondere Ausbildung des vierten Abschnitts 7 der Welle dient dazu, diesen biegeelastisch auszubilden, so dass dieser die durch den bogenförmigen Verlauf des Gehäuses beim Übergang von dem fünften 19 zu dem sechsten Abschnitt 23 des Gehäuses und die Relativrotation der Welle zu dem Gehäuse bedingte Biegewechselbelastung in ausreichendem Maße ertragen kann. Hierzu ist der vierte Abschnitt 7 der Welle mit einem reduzierten Außendurchmesser ausgebildet, durch den im Vergleich zu den Querschnitten der übrigen Abschnitten der Welle ein reduziertes Widerstandsmoment erreicht wird.
In einer alternativen, in den Figuren nicht dargestellten Ausführungsform kann vorge- sehen sein, einen geradlinigen Bohrvortrieb dadurch zu erreichen, dass durch ein
Schließen der Kupplungsmittel die Rotation der Welle permanent (d.h. solange geradeaus gebohrt werden soll) auf das Gehäuse übertragen wird. Dann wird lediglich zum Umsteuern der Bohrrichtung die Rotation der Welle und des damit gekoppelten Gehäuses in der definierten Ausrichtung unterbrochen und die Kupplungsmittel gelöst. Daraufhin werden ausschließlich die Welle und der Bohrkopf solange rotierend angetrieben, bis die gewünschte neue Bohrrichtung erreicht wurde. Gegenüber der anhand der Figuren 1 bis 4 beschriebenen Ausführungsform weist diese alternative Ausführungsform den Nachteil auf, dass durch die Mitnahme des Gehäuses durch die Welle während des Geradeausbohrens, wobei hohe Drehzahlen des Bohrkopfs erforderlich sind, große Relativgeschwindigkeiten zwischen dem Gehäuse und der Bohrlochwandung vorliegen, die zu einem erheblichen Verschleiß führen können. Gegebenenfalls ist es jedoch möglich, durch eine entsprechende Ausgestaltung und/oder das Vorsehen reibungsmindernder Zusätze den dadurch bedingten Verschleiß auf ein tolerierbares Maß zu senken.
Die Fig. 5 bis 15 zeigen eine erfindungsgemäße Führungsvorrichtung in einer zweiten
Ausführungsform mit einem daran befestigten Bohrkopf. Diese Führungsvorrichtung unterscheidet sich in den nachfolgend beschriebenen Ausgestaltungen und Funktionen von der bereits beschriebenen ersten Ausführungsform.
Die Führungsvorrichtung umfasst wiederum eine mehrteilige Welle 100, die sich durch ein ebenfalls mehrteiliges Gehäuse erstreckt. Am hinteren Ende der Welle 100 ist ein Innengewinde 101 vorgesehen, das der Verbindung mit einem nicht dargestellten Bohrgestänge dient. Das vordere Ende der Welle 100 ist ebenfalls mit einem Innengewinde versehen, in das ein Bohrkopf 131 , der als sogenannter Rollenbohrkopf ausgebildet ist, eingeschraubt ist.
Der hinterste Abschnitt der Welle 100 ist mit einem konischen Aufweitelement 132 versehen (vgl. auch Fig. 6), das zusätzlich mit einer Vielzahl von stiftförmigen Schneidelementen 133 versetzt ist. Diese sind in Gruppen von drei angeordnet, wobei die drei Schneidelemente 133 jeder Gruppe schräg (bezogen auf die Längsachse der
Führungsvorrichtung) hintereinander positioniert sind. Das konische Aufweitelement 132 und die Schneidelemente 133 bilden zusammen einen rückseitigen Räumer aus, der dazu dient, die Bohrung beim Zurückziehen der Bohrvorrichtung zu säubern. Dadurch, dass der Räumer an der Welle 100 befestigt ist, kann dieser - zusammen mit der Welle - durch das Bohrgestänge während des Zurückziehens rotierend angetrieben werden, ohne dass das Gehäuse der Führungsvorrichtung mitrotiert wird.
In den sich an den Räumer anschließenden ersten Abschnitt 111 des Gehäuses (Klemmeinheit) sind insgesamt 5 Abstützelemente integriert, die als hydraulisch betätigte Klemmleisten 134 ausgebildet sind. Details zu diesen Klemmleisten 134 sowie zu deren Integration in die Führungsvorrichtung sind in den Fig. 7 bis 10 dargestellt.
Die Klemmleisten 134 weisen einen asymmetrischen Querschnitt (bezogen auf die Längsachse der Führungsvorrichtung) auf, dessen Funktion noch erläutert werden wird.
Jede der Klemmleisten 134 ist in einer eigenen Vertiefung des ersten Gehäuseabschnitts 111 angeordnet, in der diese vollständig versenkbar ist (vgl. Fig. 8). Jede der Klemmleisten 134 ist über Bolzen 135 mit insgesamt fünf Kolben 136 verbunden, die in entsprechend in dem ersten Gehäuseabschnitt 111 ausgeformten
Zylindern beweglich gelagert sind. Die Unterseiten der Kolben 135 sind einer gemeinsamen (für alle Klemmleisten 134) Druckkammer 137 zugewandt, durch die Bohrflüssigkeit, die der Bohrvorrichtung zugeführt wird, geleitet wird. Die Druckkammer 137 ist ein Zwischenraum, der zwischen der Innenseite des ersten Gehäuseabschnitts 11 1 und dem entsprechenden Abschnitt der Welle 100 gebildet ist. Dieser Abschnitt der Welle 100 ist dazu mit einem verringerten Durchmesser ausgebildet. Die
Bohrflüssigkeit wird der Druckkammer über eine schräge Abzweigung von einer zentralen Bohrung der Welle 100 zu- bzw. auf über eine entsprechende schräge Abzweigung wieder abgeführt. Dichtringe 138 zu beiden Seiten der Druckkammer 137 verhindern dabei ein ungewolltes Austreten der Bohrflüssigkeit. Die Unterseiten der Kolben 135 werden demnach mit dem Druck der Bohrflüssigkeit beaufschlagt. Dieser
Druck erzeugt eine Kraft, die - eine ausreichende Höhe vorausgesetzt - ein Ausfahren der Klemmleisten 134 bis zu der in der Fig. 9 dargestellten Endlage bewirkt. Das Ausfahren der Klemmleisten 134 erfolgt dabei entgegen der Kraft von zwei Tellerfederpackungen 139 (je Klemmleiste), deren Vorspannung der Auslenkbewegung der Klemmleiste entgegenwirkt.
In dem Teilquerschnitt der Fig. 10 ist erkennbar, dass über jeweils einen Kanal 140 eine Verbindung zwischen der Druckkammer und jedem der Freiräume 141 , der zwischen dem Grund jeder der Vertiefungen und der Unterseite der entsprechenden Klemmleiste 134 gebildet ist. Das Volumen dieser Freiräume 141 ändert sich in
Abhängigkeit von der jeweiligen Auslenkung der Klemmleisten 134. Über die Kanäle 140 (zu jeder Klemmleiste existieren zwei Kanäle 140) wird ein Teil der Bohrflüssigkeit auch in die Freiräume 141 geleitet. Durch den relativ hohen Druck der Bohrflüssigkeit wird so verhindert, dass Bohrklein oder sonstige Verschmutzungen durch den zwischen den Klemmleisten 134 in den Rändern der Vertiefungen ausgebildeten
Spalten eindringt; dadurch könnte ansonsten die Bewegung der Klemmleisten 134 behindert werden. Zudem wird durch eine entsprechend tolerante Fertigung der Klemmleisten 134 bzw. der Vertiefungen erreicht, dass ein kleiner Teil der den Freiraum 141 durchströmenden Bohrflüssigkeit durch den Spalt zwischen den Klemmleisten 134 und der jeweiligen Vertiefung austritt; diese „Leckage" von
Bohrflüssigkeit verhindert ebenfalls ein Eindringen von Verschmutzungen und schmiert zudem die Bewegung der Klemmleisten 134 in den Vertiefungen.
In den sich an den ersten Abschnitt anschließenden zweiten Gehäuseabschnitt 113 (Kupplungsgehäuse) sind Kupplungsmittel integriert, mittels denen bedarfsweise eine drehfeste Verbindung zwischen der Welle 100 und dem Gehäuse hergestellt werden kann. Die Kupplungsmittel umfassen eine Kupplungshülse 142, die zwischen dem
Gehäuse und der Welle 100 angeordnet ist und zwischen einer ersten und einer zweiten Position in längsaxialer Richtung zu sowohl dem Gehäuse als auch der Welle 100 verschiebbar ist. Die Kupplungshülse 142 weist auf ihrem Umfang in regelmäßiger
Teilung insgesamt acht Radialbohrungen 143 auf, die der Aufnahme jeweils einer (Stahl-)Kugel 144 dienen, über die eine drehfeste Verbindung zwischen der Kupplungshülse 142 und der Welle 100 herstellbar ist. Die Kugeln 144 werden im montierten Zustand der Kupplungshülse 142 über einen Distanzring 145 in eine komplexe Nut 146 in der Außenseite der Welle 100 (vgl. Fig. 13) gedrückt. Diese Nut 146 ist zum einen umlaufend ausgebildet und weist zum anderen insgesamt acht längsaxial ausgerichtete Fortsätze auf, in die die Kugeln durch ein Verschieben der Kupplungshülse 142 auf der Welle 100 eingerückt werden können. Wenn die Kugeln 144 in die Fortsätze eingerückt sind (erste Position - vgl. Fig. 11), verhindern diese eine Drehung der Kupplungshülse 142 relativ zu der Welle 100. Das Einrücken der Kugeln 144 wird durch eine vorgespannte zylindrische Schraubenfeder 147 bewirkt, die sich über einen Adapterring 148 an dem vorderen Ende der Kupplungshülse 142 abstützt.
Das Verschieben der Kupplungshülse 142 von der ersten Position in die zweite Position (vgl. Fig. 12) erfolgt über den Druck der Bohrflüssigkeit entgegen der Kraft der
Schraubenfeder 147. Die Bohrflüssigkeit wird hierzu über zwei Querbohrungen 149 von der zentralen Bohrung 150 in der Welle 100 in einen Ringraum 151 geführt, der zwischen einem Abschnitt der Innenseite des Gehäuses und der hinteren Endfläche der Kupplungshülse 142 ausgebildet ist. In der zweiten Position der Kupplungshülse 142 befinden sich die Kugeln 144 in dem umlaufenden Teil der Nut 146, so dass diese eine Relativdrehung zwischen der Kupplungshülse 142 und der Welle 100 nicht verhindern.
Der vordere Abschnitt der Kupplungshülse 142 ist (in längsaxialer Richtung) verschiebbar in einer Mitnehmerhülse 152 geführt, die über Schrauben 153 mit dem
Gehäuse fest verbunden ist. Die Mitnehmerhülse 152 bildet in einem Abschnitt ein
Innen-Sechskantprofil und die Kupplungshülse 142 in einem Abschnitt ein Außen-
Sechskantprofil (vgl. Fig. 14) aus. Die Sechskantprofil-Abschnitte der Kupplungs- 142 und der Mitnehmerhülse 152 greifen in den beiden Betriebspositionen der Kupplungshülse 142 ineinander, so dass zwischen der Kupplungshülse 142 und dem
Gehäuse (über die Mitnehmerhülse 152) eine drehfeste Verbindung gegeben ist. In der ersten Betriebsposition der Kupplungshülse 142, in der über die Kugeln 144 auch eine drehfeste Verbindung zwischen der Kupplungshülse 142 und der Welle 100 gegeben ist, wird somit eine Drehung der mit dem Bohrgestänge verbundenen Welle 100 auf das Gehäuse übertragen.
An den zweiten Gehäuseabschnitt 113 schließt sich ein dritter Gehäuseabschnitt 115 (Sendergehäuse) an, in den zum einen ein biegeflexibler Abschnitt 107 der Welle und zum anderen eine Vertiefung 120 zur Aufnahme eines Verrollungssensors 123 integriert ist. Die Fig. 15 zeigt einen Längsschnitt durch den entsprechenden Abschnitt der Führungsvorrichtung. Die Vertiefung für den Verrollungssensor 123 ist so tief ausgeführt, dass diese sowohl den Verrollungssensor 123 selbst als auch einen Deckel 121 , mit dem die Vertiefung 120 nach außen verschlossen wird, aufnehmen kann. Ein überstehender Deckel, der zu einer Verengung in der Bohrung führen würde, kann dadurch vermieden werden. Dadurch, dass sich die Vertiefung 120 für den Verrollungssensor 123 bis tief in das Gehäuse erstreckt, ist der biegeflexible Abschnitt
107 der Welle 100, dessen Abmessungen im Wesentlichen von den erforderlichen Biege- und Torsionseigenschaften abhängen und somit nicht beliebig veränderbar sind, nur durch eine dünne Wand von dem Verrollungssensor 123 getrennt.
Der biegeflexible Abschnitt 107 der Welle 100 weist an seinen beiden Ende jeweils ein
Außengewinde auf, über die dieser mit den benachbarten Abschnitten der Welle 100, die vergleichsweise biegesteif ausgebildet sind, verschraubt ist. Aus Haltbarkeitsgründen muss der Durchmesser dieser Gewindeenden größer sein als der mittlere Teil des biegeflexiblen Abschnitts. Dies erfordert einen entsprechend großen Durchmesser der in dem Gehäuse zur Aufnahme des biegeflexiblen Abschnitts 107 vorgesehenen Längsbohrung 154, um den biegeflexiblen Abschnitt 107 montieren zu können. Eine zentrische Anordnung dieser Längsbohrung 154 hätte zu einer Überschneidung mit der Vertiefung 120 für den Verrollungssensor 123 geführt, so dass die Längsbohrung 154 leicht exzentrisch angeordnet ist. Der biegeflexible Abschnitt 107 der Welle 100 ist im montierten Zustand jedoch zentrisch innerhalb des Gehäuses angeordnet.
Die Verbindung zwischen dem dritten 115 und einem vierten Abschnitt 118 des Gehäuses ist winkelig ausgeführt, wie es sich aus der Fig. 15 ergibt. Dadurch kann - wie bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 1 bis 4 - die gewünschte Steuerbarkeit der Bohrvorrichtung erreicht werden.
In den sich an den vierten Abschnitt 118 anschließenden fünften Abschnitt 119 des Gehäuses (vordere Lagereinheit) ist eine Lagerung für die Welle integriert, die so ausgelegt ist, dass sie die teils erheblichen Biegemomente, die von dem benachbarten
Bohrkopf 131 auf die Welle 100 übertragen werden, abstützen kann.
Die Fig. 16 und 17 zeigen exemplarisch unterschiedliche Querschnitte für die Klemmleisten 234, 334, wie sie bei der Führungsvorrichtung gemäß den Fig. 5 bis 15 eingesetzt werden können. Die Fig. 16 zeigt (wie auch die Fig. 5 und 7) Klemmleisten
234, die einen asymmetrischen Querschnitt aufweisen. Durch einen solchen Querschnitt kann in einer Drehrichtung eine besonders gute Abstützung des Gehäuses in der Bohrlochwandung erreicht werden, während in der entgegengesetzten Drehrichtung das Einfahren der Klemmleisten 234 unterstützt wird. Die in der Fig. 17 dargestellten Klemmleisten 334 weisen einen symmetrischen Querschnitt auf, bei dem die Einfahrbarkeit der Klemmleisten in beiden Drehrichtungen leicht möglich ist.

Claims

Patentansprüche:
1. Führungsvorrichtung für eine Bohrvorrichtung mit einem Gehäuse mit Ablenkmitteln zur Erzeugung einer Seitenkraft und einer innerhalb des Gehäuses drehbar gelagerten Welle (100), wobei die Welle (100) an einem ersten Ende Anschlussmittel zur Verbindung mit einem Bohrgestänge und an einem zweiten Ende Anschlussmittel zur Verbindung mit einem Bohrkopf (131) aufweist und wobei Kupplungsmittel zur bedarfsweisen drehfesten Verbindung der Welle (100) mit dem Gehäuse vorgesehen sind.
2. Führungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 , gekennzeichnet durch hydraulisch, vorzugsweise mittels einer Bohrspülung betätigte Kupplungsmittel.
3. Führungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungsmittel entgegen der Kraft eines Federelements betätigt werden.
4. Führungsvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zwischen der Welle (100) und dem Gehäuse angeordnete Kupplungshülse (142), die zu der Welle (100) und/oder dem
Gehäuse zwischen einer ersten und einer zweiten Position in längsaxialer Richtung verschiebbar ist, wobei die Kupplungshülse (142) in der ersten Position mit der Welle (100) und/oder dem Gehäuse drehfest verbunden ist und die Kupplungshülse (142) in der zweiten Position relativ zu der Welle (100) und/oder dem Gehäuse drehbar ist.
5. Führungsvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens ein gegen eine Bohrlochwandung auslenkbares Abstützelement.
6. Führungsvorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstützelement hydraulisch, vorzugsweise mittels einer Bohrspülung ausgelenkt wird.
7. Führungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstützelement entgegen der Kraft eines Federelements ausgelenkt wird.
8. Führungsvorrichtung gemäß Anspruch 3 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungsmittel und das Abstützelement mittels des gleichen Mediums gesteuert werden, wobei die Steuerung der Kupplungsmittel bei einem niedrigeren Druck erfolgt als die des Abstützelements.
9. Führungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstützelement zumindest im ausgelenkten
Zustand mittels eines Fluids, vorzugsweise mittels der Bohrflüssigkeit unterspült wird.
10. Führungsvorrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstützelement auch im ausgelenkten Zustand in einer Führung des Gehäuses angeordnet ist und dass ein definierter Teil des Fluids durch den zwischen dem Abstützelement und der Führung ausgebildeten Spalt ausgetragen wird.
11. Führungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstützelement einen asymmetrischen Querschnitt aufweist.
12. Führungsvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das die Ablenkmittel in Form eines gebogenen Abschnitts des Gehäuses ausgebildet sind.
13. Führungsvorrichtung gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Abschnitt (107) der Welle (100), der innerhalb des gebogenen Abschnitts verläuft, biegeflexibel ausgebildet ist.
14. Führungsvorrichtung gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Abschnitt des biegeflexiblen Abschnitts (107) der Welle (100) in einer exzentrischen Längsbohrung (154) angeordnet ist.
15. Führungsvorrichtung gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass im
Bereich der exzentrischen Längsbohrung (154) eine Aufnahme für einen Sender in das Gehäuse integriert ist.
16. Führungsvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Anschlussmittel zur Verbindung mit dem
Bohrgestänge aufweisende Ende der Welle (100) mit Schneidelementen (133) besetzt ist.
17. Bohrvorrichtung mit einem Bohrgestänge, einem Bohrkopf (131) und einer Führungsvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
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