DE2653185A1 - Gesteuertes richtungsbohrwerkzeug - Google Patents

Description

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PATENTANWÄLTE

DR. WOLFGANG MÜLLER-BORE CPATENTANWALTVON 1937-1975) DR. PAUL DEUFEL. DIPL.-CHEM. DR. ALFRED SCHÖN, DIPL.-CHEM. WERNER HERTEL, DIPL.-PHYS.

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I !-. Nov. i97i

Agency of Industrial Science & Technology 3-1 Kasumigaseki 1 chome, Chiyoda-Ku, Tokyo, Japan

Gesteuertes Richtungsbohrwerkzeug

Die Erfindung bezieht sich auf ein gesteuertes Richtungsbohrwerkzeug, bei welchem ein mit einem umlaufenden Drillbohrereinsatz und einer Antriebseintrichtung für diesen versehener Bohrkopf mit dem freien Ende einer Bohrstange frei biegbar verbunden ist.

In Kohlenflöze oder Gesteinsflöze werden zum Zwecke des Abzugs eingeschlossener Gase, zum Auskundschaften der Erdkruste und dergleichen Löcher gebohrt. Während eines derartigen Bohrvorgangs kann es notwendig werden, die Bohrrichtung zu ändern wegen geologischer Bedingungen oder Bohrbedingungen.

Im Falle, daß eine Änderung der Bohrrichtung während des Fortschreitens des Bohrens notwendig war, war es bisher üblich, die

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erforderliche Änderung herbeizuführen durch Herausziehen des Bohrwerkzeugs auf die Oberfläche, Trennen des Bohrrohrs und des Drillbohrereinsatzes, anschließendes Wiedervereinigen dieser mittels einer Hilfsabwinkelung um den für die Steuerung der Bohrrichtung erforderlichen Winkel und abschließende Wiederaufnahme des Bohrvorgangs ·

Die US-Patentschriften 2 796 234- und 2 891 769 beschreiben Richtungsbohrvierkzeuge. Das Werkzeug der älteren Veröffentlichung basiert auf einem derartigen Verfahren, daß das geforderte Richtungsbohren erzielt wird, indem man hydraulisch Arme und Rollen bis zu einem gesteuerten Ausmaß vom Bohrrohr vorstehen läßt. Das Werkzeug der jüngeren Veröffentlichung weist ein Bohrrohr auf, welches in verschiedenen Höhen mit zwei Führungseinrichtungen versehen ist, von denen jede aus vier Führungsrollen besteht, wobei die gewünschte Steuerung der Bohrrichtung dadurch herbeigeführt wird, daß man die einzelnen Führungsrollen von ihrer jeweiligen Ruhestellung um ein durch geeignete hydraulische Einrichtungen gesteuertes Ausmaß vorstehen läßt.

Bei diesen Richtungsbohrwerkzeugen kommt jedoch der hydraulische Druck zur Erzeugung der Drehungen des Drillbohrereinsatzes und der zur Herbeiführung des Vorstehens der Arme, Rollen oder Führungsrollen von einer gemeinsamen Quelle. Infolgedessen sind die Hydrauliksysteme in den bekannten Werkzeugen unvermeidbar kompliziert. Da die Arme, Rollen oder Führungsrollen immer von der Oberfläche des Bohrrohrs herausragen, besteht ferner die Gefahr von deren Zerstörung in dem Fall, wenn die durch die Werkzeuge geborten Löcher einen kleinen Durchmesser haben. Darüber hinaus besteht wegen des Vorhandenseins von derartigen herausragenden Teilen nicht nur die Möglichkeit einer Funktionsstörung, sondern auch die Gefahr einer Verhinderung eines Biegens, wenn dieses erwünscht ist, und eines Herbeifuhrens. eines Biegens, wenn dieses nicht erwünscht ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und wirksames Richtungsbohrwerkzeug zu schaffen, welches nicht die

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Nachteile der bekannten Bohrwerkzeuge aufweist und insbesondere eine sichere Änderung der Bohrrichtung in eine neue gewünschte Richtung mittels eines einfachen Mechanismus ermöglicht·

Diese Aufgabe wird bei einem gesteuerten Richtungsbohrwerkzeug der eingangs beschriebenen Gattung erfindungsgemäß durch die Kennzeichenmerkmale des Anspruchs 1 gelöst. Ein weiteres besonders vorteilhaftes Erfindungsmerkmal ergibt sich aus dem Anspruch 2.

Demnach schafft die Erfindung ein gesteuertes Richtungsbohrwerkzeug, welches den grundsätzlichen Aufbau eines Bohrwerkzeugs aufweist, das aus einem Bohrkopf mit einem umlaufenden Drillbohrereinsatz und einer Antriebseinrichtung für diesen sowie einer Bohrstange besteht,

, · * π -u ■, * * τ-- ,_ /insbesondere gelenkig, wobei der Bohrkopf frei biegbar/am vorderen Ende der Bohrstange angebracht ist. Das Bohrwerkzeug enthält ferner ein Paar von pneumatisch betätigbaren Zylinderanordnungen, ein Paar von Kolbenanordnungen, an deren vorderen Enden jeweils ein geneigter Abschnitt vorgesehen ist, sowie ein Paar von Rollen, welche mit den geneigten Abschnitten des Paars von Kolbenanordnungen in Kontakt gehalten werden und frei heraustretbar innerhalb der Umfangsflache zurückgehalten werden in vorgegebenem Abstand voneinander in den quer zur Achse des Bohrkopfs einander gegenüberliegenden Seiten dieses, wobei das Paar von Zylinderanordnungen und das Paar von Kolbenanordnungen im Bohrkopf angeordnet sind.

Durch Zufuhr der Druckluft für das Bohren durch die Bohrstange zur Antriebseinrichtung für den Drillbohrereinsatz rotiert der an der vorderen Spitze des Bohrkopfs angeordnete Drillbohrereinsatz und bohrt ein Loch in das Mineralflöz· Wenn im Verlauf des Bohrvorgangs die Bohrrichtung geändert werden muß, wird die erforderliche .Änderung der Bohrrichtung herbeigeführt durch Zufuhr von Druckluft zur Steue- ■ rung der Bohrrichtung zu dem Paar von Zylinderanordnungen, wodurch die Kolbenanordnungen vorwärts bewegt werden und folglich die geneigten Abschnitte an deren vorderen Enden das Paar von Rollen aus ihrer eingeklappten Stellung in den Seiten des Bohrkopf ausrücken, wobei die jeweiligen Rollen in Druckkontakt mit der inneren Wand des bereits gebohrten Lochs gebracht werden derart, daß der Bohrkopf

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um einen für die gewünschte Änderung der Drehrichtung geeigneten Winkel geneigt wird.

Das gesteuerte Richtungsbohrwerkzeug gemäß der vorliegenden Erfindung ist derart aufgebaut, daß das Paar von Rollen an gegenseitig versetzten Stellen von den gegenüberliegenden Seiten des Bohrkopfs herausgedrückt werden durch Betätigung des Paars von Zylinderanordnungen und des Paars von Kolbenanordnungen wie oben beschrieben. Darüber hinaus werden die Druckluft für das Bohren und die für die Steuerung der Drehrichtung separat zueinander zugeführt,

Somit hat das erfindungsgemäße Bohrwerkzeug einen einfachen Aufbau und gewährleistet eine sichere Funktionsweise,

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen gesteuerten Richtungsbohrwerkzeugs ,

Fig. 2 eine teilweise geschnittene vergrößerte Ansicht eines Bohrkopfs des Bohrwerkzeugs gemäß Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt IV-IY aus Fig. 2 und

Fig. 4- eine erläuternde Darstellung des Zustandes, in welchem die Bohrrichtung während des Bohrens mit dem erfindungsgemäßen Bohrwerkzeug geändert wird.

Bei dem gesteuerten Richtungsbohrwerkzeug gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Bohrkopf 1 mit dem vorderen Ende einer Bohrstange 2 verbunden mittels eines Universalgelenks 3» welches durch einen Stift 4- in jeder Richtung frei beweglich gehalten wird, in welcher der Bohrkopf Λ geneigt werden soll. Der Bohrkopf 1 ist am vorderen

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Ende seines Hauptkörpers 5 mit einem Drillbohrereinsatz 6 und an dem hinteren Ende des Hauptkörpers 5 mit hinteren Backen versehen. Der Hauptkörper 5 weist in seinem Inneren eine pneumatische Antriebseinrichtung 8, wie beispielsweise einen durch Druckluft betriebenen Luftmotor, zum Bohren sowie eine Geschwindigkeitsreduktionseinrichtung 9 auf, welche zur Verlangsamung der Drehung der pneumatischen Antriebseinrichtung 8 dient. Der Drillbohrereinsatz 6 ist stationär befestigt am vorderen Ende einer umlaufenden Welle 10, welche über die Geschwindigkeitsreduktionseinrichtung 9 mit der Antriebseinrichtung 8 verbunden ist.

Wie in Fig. 2 dargestellt, ist an einer Seite des Bohrkopfs 1 eine erste Richtungssteuereinrichtung 11 für die Herbeiführung einer erforderlichen Richtungsänderung des Bohrens während des Bohrvorgangs angeordnet und eine zweite ähnlich ausgebildete Richtungssteuereinrichtung 11' ist an der gegenüberliegenden Seite des Bohrkopfs 1 angeordnet, und zwar um eine feste Entfernung von der ersten Richtungssteuereinrichtung 11 versetzt. Das Paar von RichtungsSteuereinrichtungen 11, 11' weist Rollen 14·, 14' auf, welche frei herausragbar innerhalb von Aushöhlungen 13, 13' angeordnet sind, die an gegenüberliegenden Seiten des Bohrkopfs 1 ausgebildet sind, und zwar von einer einen Teil des Hauptkörpers 5 des Bohrkopfs 1 bildenden Mittelwand 12 aus in entgegengesetzten Richtungen um eine feste Entfernung voneinander getrennt. Der Bohrkopf 5 weist ferner Zylinderanordnungen 15, 15' auf, welche dazu dienen, die Rollen 14 bzw. 14' aus den Aushöhlungen 13 bzw. 13' herauszudrücken. Die der ersten Richtungssteuereinrichtung 11 zugeordnete Zylinderanordnung 15 enthält einen Zylinder 17j welcher frei gleitend in einen kolbenartigen Teil 16 eingesetzt ist. Ein Zuführrohr 19 für ein komprimiertes Fluid zur Richtungssteuerung mündet in eine Zylinderkammer 18₉ welche den kolbenartigen Teil 16 und den Zylinder 17 umfaßt. Am vorderen Ende des Zylinders 17 ist ein Druckteil 21 angebracht, welcher mit einem geneigten Abschnitt 22 versehen ist, der so ausgebildet ist, daß bei Bewegung des Zylinders 17 in Pfeilrichtung durch den Druck der unter Druck in die Zylinderkammer 18 zugeführtenLuft der geneigte Abschnitt 22 gegen an beiden Seiten der Rolle 14 ange-

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ordnete Hilfsrollen 20 anstößt und einen Druck ausübt, durch welchen die Rolle 14- aus der Aushöhlung 13 herausgedrückt wird.

Die Zylinderanordnung 15' der zweiten Richtungssteuereinrichtung 11' und die Zylinderanordnung 15 sind bezüglich der Mittelwand 12 symmetrisch angeordnet und die Zylinderanordnung 15' weist einen dem der Rolle 14 ähnlichen Mechanismus auf, wie auch der Druckteil 21' mit seinem einen Ende an der umlaufenden Welle 10 gelagert und an seinem anderen Ende mit einem geneigten Abschnitt 22* versehen ist derart, daß der geneigte Abschnitt 22^f an Hilfsrollen 20' der Rolle 14-· anstößt· Die Rollenachsen 23, 23' der vorstehend erwähnten Richtungssteuerrollen 14-, 14·' sind in ihrer Anordnung jeweils durch Rückstellfedern 24-, 24·' abgestützt, welche gegen den Hauptkörper 5 des Bohrkopfs 1 gespannt anliegen. Die komprimierte Luft zur Richtungssteuerung wird unabhängig von der komprimierten Luft für den Bohrvorgang von einer längs der Bohrstange 2 angeordneten Zuführleitung geringen Durchmessers (nicht dargestellt) zugeführt durch eine in einem seitlichen Abschnitt des Hauptkörpers 5 des Bohrkopfs 1 ausgebildete Öffnung in das Zuführrohr 19·

Am vorderen Ende des Bohrkopfs 11 mündet eine Ausströmöffnung 26 (Pig. 1) zum Ausströmenlassen von Wasser, welches von einem nicht dargestellten längs der Bohrstange 2 und über die umlaufende Welle 10 gelegten nicht dargestellten Wasserzufuhrrohr zugeführt wird.An der Außenfläche des Hauptkörpers 5 cLes Bohrkopfs 1 ist eine längliche Nut 27 vorgesehen, welche einen Kanal zum Wegströmenlassen des Wassers bildet, das aus der Ausströmöffnung 26 ausströmte, zur Kühlung des Drillbohrereinsatzes 6 während des Bohrvorgangs diente und jetzt den Bohrschlamm trägt.

Bei dem erfindungsgemäßen gesteuerten Richtungsbohrwerkzeug mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau wird der gewünschte Bohrvorgang durchgeführt durch Betätigung der Antriebseinrichtung 8 mittels Zufuhr der komprimierten Luft unter Druck für das Bohren über die Bohrstange 2, wodurch die Antriebseinrichtung 8 die umlaufende Welle 10 und folglich den an deren vorderer Spitze angebrachten Drillbohrer-

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einsatz 6 dreht· Wenn eine Änderung der Bohrrichtung erforderlich ist, wird die komprimierte Luft zur Steuerung der Richtung unter Druck vom Zuführrohr 19 zn den Zylinderkammern 18, 18' zugeführt· Das so zugeführte komprimierte Fluid bewirkt, daß die Zylinder 17» 17' sich jeweils in durch Pfeile angedeutete Richtungen bewegen mit dem Ergebnis, daß die geneigten Abschnitte 22, 22' der Druckteile 21, 21' gegen die Hilfsrollen 20, 20' anstoßen und diese wegdrücken. Infolgedessen werden die Richtungssteuerungsrollen 14·, 14·' aus ihren geweiligen Aushöhlungen 13, 13' herausgedrückt, bis sie mit der Oberfläche des gerade gebohrten Bohrlochs in Kontakt kommen. Die Kraft, mit welcher die Steuerrollen 14-, 14-' sich gegen die Oberfläche des Bohrlochs andrücken, bewirkt, daß die vordere Spitze des Bohrkopfs 1 ein Moment in durch den Pfeil angedeutete Richtung erzeugen, was eine gewünschte Änderung in der Drehrichtung herbeiführt . 4-).

In diesem Fall wird die Drehung des Bohrkopfs 1 während der Änderung der Drehrichtung unterbrochen, da der Bohrkopf 1 durch ein Gelenk 3 derart angeschlossen ist, daß er in jeder Richtung frei beweglich ist, in welcher die Änderung der Drehrichtung erfolgt, und gleichzeitig der Drillbohrereinsatz 6 mittels der innerhalb des Drillkopfs 1 angeordneten Antriebseinrichtung 8 gedreht wird. Somit kann die Bohrrichtung des Bohrkopfs 1 aufgrund des Hervorragens der Richtungssteuerrollen 14·, 14-' in eine vorgegebene Richtung geändert werden.

Wenn die Zufuhr der Druckluft zur Richtungssteuerung abgebrochen wird, werden die Zylinder 17, 17' in ihre ursprünglichen Positionen durch die Rückstellkraft der Rückstellfedern 24·, 24-' zurückgebracht und die Richtungssteuerungrollen 14-, 14·' werden ebenfalls in ihre eingezogenen Positionen innerhalb der Aushöhlungen 13, 13' durch die Rückstellfedern 24-, 24-' zurückgebracht. Somit kann der Bohrkopf 1 in der neu festgelegten Richtung wieder vorwärtsschreiten.

Wie oben beschrieben, kann das gesteuerte Richtungsbohrwerkzeug gemäß der vorliegenden Erfindung eine geforderte Änderung der Bohr-

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rich-feting mittels der lichtmigssteuereijarichtiing eines sehr einfachen Mechanismus aasgeführt werden. Ferner ermöglicht das Bohrwerkzeug eine sichere Funktionsweise der Eichttingsstetiereinrich— tunge, da die BrticklTsft für den Bohrvorgang und die Brackliift für die KichttingsstetterKEEg über separate Strönnmgswege zugeführt werden«

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Claims (2)

Patentansprüche

1. Gesteuertes Richtungsbohrwerkzeug, bei welchem ein mit einem umlaufenden Drillbohrereinsatz und eine Antriebseinrichtung für diesen versehener Bohrkopf mit dem freien Ende einer Bohrstange frei biegbar verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrkopf (1) mit einem Paar von Zylinderanordnungen (-15* 15') j einem Paar von Kolbenanordnungen (16, 16') mit {jeweils einem geneigten Abschnitt (22, 22') am vorderen Ende dieser und einem Paar von Rollen (14-, 14-') versehen ist, welche von der Umfangsflache des Bohrkopfs (1) an gegenüberliegenden Seiten quer zur Achse dieses in einer vorgegebenen Entfernung voneinander frei herausragend ausklappbar sind, wobei Hilfsrollen (20, 20') mit den geneigten Abschnitten (22, 22') der Kolbenanordnungen (16, 16') in Kontakt gehalten werden, und wobei zu den Zylinderanordnungen (15, 15') zugeführte Druckluft bewirkt, daß das Paar von Rollen (14-, 14') aus dem Bohrkopf (1) herausragt.

2. Richtungsbohrwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckluft zur Betätigung der Antriebseinrichtung (8) für den Bohrereinsatz (6) und die Druckluft zur Verwendung in den Zylinderanordnungen (15, 1I5¹) {jeweils durch voneinander unabhängig ausgebildete Strömungswege zugeführt werden.

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