DE3008856C2

DE3008856C2 - Hydraulischer Bohrlochmotor

Info

Publication number: DE3008856C2
Application number: DE3008856A
Authority: DE
Inventors: Ödön Dipl.-Ing.Dr. Alliquander; Lajos Dipl.-Ing. Natkai; Elek Dipl.-Ing. Budapest Ujfalusi
Original assignee: ORSZAGOS KOEOLAJ ES GAZIPARI TROESZT 1111 BUDAPEST HU
Current assignee: ORSZAGOS KOEOLAJ ES GAZIPARI TROESZT 1111 BUDAPEST HU
Priority date: 1979-03-14
Filing date: 1980-03-07
Publication date: 1983-11-03
Also published as: DE3008856A1; CA1157848A; SU1616523A3; RO85342A; HU184664B; FR2451474B1; US4397619A; AT368600B; RO85342B; FR2451474A1; ATA140980A

Description

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Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Bohrlochmotor, insbesondere zum Bohren von Ölbohrungen und Brunnen, mit einer Kammer, deren Achse der Durchströmungsrichtung des Bohrgutes parallel läuft und deren innere Oberfläche eine zykloidenförmige Wendelfläche bildet, weiche eine in der Kammer geführte, rotierende Spindel mit ebenfalls zykloidenförmiger Wendeloberfläche umgibt.

Bei einem bekannten hydraulischen Bohrlochmotor dieser Art (US-PS 38 40 080) ist es nachteilig, daß die Mittellinie der Spindel nicht mit der Mittellinie der Kammer zusammenfällt, so daß sich während des Betriebs die Spindelmittellinie um die Kammermittellinie auf einer Kreisbahn bewegt. Demzufolge kann die Drehbewegung der Spindel nur mit Hilfe einer Kardanwelle auf den Bohrer bzw. auf die die Drehbewegung vermittelnde Antriebswelle übertragen werden. Die Kardanwelle schließt mit der Spindel bzw. der Antriebswelle einen Winkel ein, wodurch die Reibungskraft zwischen der Spindel und der Kammer um die sich aus der Schräge der Kardanwelle ergebende Radialkomponente der Reibungskraft, die von dem auf die Spindel einwirkenden hydraulischen Druck abhängt, vergrößert wird. Wirkungsgrad und Lebensdauer des Bohrlochmotors werden dadurch erheblich verringert. Darüber hinaus treten wegen der Exzentrizität der Spindelmittellinie in bezug auf die Kammermittellinie bei großen Spindeldrehzahlen erhebliche Massenkräfte auf, die die Oberflächen der Kammer und der Spindel beeinträchtigen, Schwingungen hervorrufen und zu Ermüdungsbrüchen des Bohrrohres führen können. Die erhöhte Reibungskraft vermindert des weiteren auch das zum Bohren zur Verfügung stehende Drehmoment.

Es sind auch Pumpenantriebsvorrichtungen bekannt (US-PS 18 92 217), bei denen Pumpenrotor und Pumpenstator aus zykloidenförmige Wendeloberflächen aufweisenden Körpern bestehen, die jedoch ebenfalls aufgrund der Tatsache, daß die Mittellinien von Stator und Rotor nicht zusammenfallen, die oben geschilderten Nachteile aufweisen, falls sie als Aggregate für hydraulische Bohrlochmotoren eingesetzt werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, den hydraulischen Bohrlochmotor der genannten Art hinsichtlich Leistung, Betriebssicherheit sowie Betriebsund Herstellungskosten so zu verbessern, daß nicht nur eine erhebliche Wirkungsgradsteigerung erreicht wird, sondern auch ein vibrationsfreier und langjähriger störungsfreier Betrieb.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kammer um die Längsachse der Spindel drehbar gelagert und exzentrisch zu dieser angeordnet ist, daß das Querprofil der Wendeloberfläche der Kammer oder das Querprofil der Wendeloberfläche der Spindel eine Orthozykloide oder eine verkürzte Zykloide ist, und daß die Spindel oder die Kammer zu einem sie umgebenden Außenmantel konzentrisch angeordnet sind.

Durch diese Konstruktion, bei der die Kammer des Bohrlochmotors drehbar gelagert ist ist ein statischer und dynamischer Massenausgleich der rotierenden Teile erreichbar, so daß der Bohrlochmotor im wesentlichen schwingungsfrei arbeitet, wobei seine Drehzahl und Leistung zur Geschwindigkeit bzw. zum Druck des ihn durchströmenden Mediums proportional ist, wodurch sich der Bohrlochmotor beispielsweise zum Niederbringen von Erdölbohrungen gut eignet und dabei vor allem zur Herstellung von tiefen Bohrlöchern und auch schräg verlaufenden Bohrlöchern. Letzteres ist darauf zurückzuführen, daß in derartigen Bohrlöchern das Bohrwerkzeug mit relativ kleinen Energieverlusten bei relativ großem Drehmoment antreibbar ist.

Der erfindungsgemäße hydraulische Bohrlochmotor besteht aus einer zur Richtung der Strömung parallelen und eine z*-gängige innere Wendelfläche aufweisenden Kammer und aus einer innerhalb der Kammer befindlichen, (z_o = z_k + l)-gängigen oder (z_o = z_k-1)-gängigen äußeren Wendelfläche mit einer Spindel, deren Gangrichtung mit derjenigen der Kammer übereinstimmt. Das Querprofil der Spindel oder der Kammer stellt eine Orthozykloide oder eine verkürzte Zykloide dar. Im Falle der Spindel mit einer Zykloide als Querprofil ist das in der gleichen Ebene liegende Querprofil der Kammer und im Falle der Kammer mit der Zykloide als Querprofil ist das in der gleichen Ebene liegende Querprofil der Spindel durch die äußere bzw. innere Hüllkurve der durch die Zykloide während der im folgenden beschriebenen Relativbewegung beschriebenen Fläche begrenzt. Die Achse der Spindel läuft in einem Abstand »e« parallel zur Kammerachse und fällt mit der Achse des zylindrischen äußeren Mantels zusammen. Die Gewindesteigung h_o der Spindel entspricht der z,/z*-fachen Gewindesteigung Λ* der Kammer. Jedes Querprofil der Spindel paßt sich an das in der gleichen Ebene liegende Querprofil der Kammer spielfrei oder mit einem nur minimalen Spiel an und teilt das lichte Raumprofil der Kammer infolge der veränderlichen Steigung entlang der Mittellinie in veränderliche, d. h. sich stetig vergrößernde oder verkleinernde Oberflächenteile auf, wodurch zwischen den Gewinden der Kammer und der Spindel geschlosse-

ne Volumenräume gleicher Länge und Form für das die Vorrichtung antreibende Medium, also im allgemeinen Spülflüssigkeit oder Gas, bleiben. Diese Raumteiler wiederholen sich entlang der Mittellinie in Abständen

phasengleich. Die Einlaßseite ist von der Auslaßseite getrennt. Dadurch wird gewährleistet, daß das Medium im Ruhezustand der Vorrichtung oder beispielsweise im Falle eines Festlaufens ohne Energieabgabe nicht durchfließen kann.

Bei der erfindungsgemäßen Drehkammerausführung ist die Kammer im druckfesten Gehäuse mit einer Exzentrizität »e« gelagert, wobei sich die Spindel in der Mittellinie des druckfesten Gehäuses befindet.

Bei dieser Ausführungsform drehen sich die Kammer mit einer Drehzahl n_k und die Spindel mit einer Drehzahl

unter Abbau der Druckenergie des strömenden Mediums, und zwar entsprechend der Men*e des geförderten Mediums und der Zwangsverbindung der Profile bzw. der Profiländerung, wobei sich jedes Volumenelement des Förderstroms mit einer Geschwindigkeit

V= nie ■ hk—Πο · h_o

ohne Form- und Volumenänderungen drallfrei in Achsrichtung vorwärts in Richtung auf die Niederciruckauslaßseite bewegt. Die Drehkammerausführung des erfindungsgemäßen hydraulischen Bohrlochmotors hat keine oszillierenden Bauteile. Die mehrgängige Kammer und Spindel drehen sich infolge der Symmetrie der Profile um die eigene Mittellinie, während sich die eingängige Kammer und Spindel, insbesondere im Falle von großen Drehzahlen, durch entsprechende Verjüngungen oder Ausnehmungen statisch und dynamisch auswuchten lassen.

Die Erfindun«? wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine schematische Längsschnittansicht einer Ausführungsform des hydraulischen Bohrlochmotors mit der rotierenden Kammer, die eine eingängige Wendelfläche mit einem einfachen Ef izykloidenprofil und eine zweigängige Spindel mit einem elliptischen Profil besitzt,

F i g. 2 eine waagerechte Schnittansicht längs der Linie A-A aus Fig. 1 sowie 'ängs der Linie B-B(dünne Linie)in Fig. 1,

F i g. 3 eine Längsschnittan«icht einer anderen Ausführungsform des Bohrlochmotors mit einer eine dreigängige Wendelfläche mit dreifachem Epizykloidenprofil aufweisenden Kammer und einer viergängigen Spindel mit vierfachem Hypozykloidenprofil und

Fig.4 eine waagerechte Querschnittsansicht längs der Linie C-Cin F i g. 3.

Der in F i g. 1 schematisch dargestellte hydraulische Bohrlochmotor arbeitet auch unter extremen Betriebsbedingungen vorteilhaft. Hierzu weist er eine exzentrische Hülse 2 auf, in der an beiden Enden ein mit Gewinden versehener Mantel 1 befestigt ist. Die exzentrische Hülse 2 bildet das radiale Lager der Kammer 3, die als Drehkammer mit einer eingängigen inneren Wendeloberfläche versehen ist. Die exzentrische Hülse 2 ist zur Zentrierung der Mittellinie sowie zur Gewährleistung des Nebenstroms des Mediums mit Verjüngungen oder Ausnehmungen und zur Schmierung mit spiralförmigen Nuten und radialen Bohrungen an der inneren Oberfläche versehen. Die Kammer 3 liegt in Axialrichtung zwischen dem Fußlager 4 und dem Obergang 5. Dieser Obergang ist mit einer oder mehreren Bohrungen versehen, die in die Nebengänge der exzentrischen Hülse 2 führen. Die Winkellage ist durch den Paßstift 6 gesichert. Die Zentrierung des

ίο Fußlagers 4 wird durch den exzentrischen Lagersitz, der in der oberen Ebene des in dem Mantel 1 in einem Paßsitz montierten Zwischenstückes 7 liegt, vorgenommen, und die entsprechende Richtung der Exzentrizität wird durch den Paßstift 8 gewährleistet Der asymmetrisehe innere Hohlraum des Zwischenstücks 7, der zur Durchleitung des Arbeitsmediums dient, ist über ein oder mehrere Bohrungen mit den Nebengängen der exzentrischen Hülse 2 verbunden. Die Bohrung bzw. Bohrungen, die im Übergang 5 ausgebildet sind und die in die Nebengange der exzentrischen Hülse 2 führen, sowie die Nsoengänge der exzentrischen Hülse 2 und die Bohrungen, die in den inneren Hohlraum des Zwischenstücks 7 führen, bilden ein UmgeLüngsrohrsystem. Dieses Umgehungsrohrsystem gewährleistet die Aufrechterhaltung eines verminderten Spülstroms >m Falle eines Festlaufens des Bohrwerkzeugs. Die durch den hydraulischen Druck während des Betriebs erzeugte und auf die Kammer 3 wirkende Axialkraft wird über das Fußlager 4 und das Zwischenstück 7 auf die obere Ebene des Lagergehäuses 9 übertragen, das an das ein Verjüngungsgewinde aufweisende untere Ende des Mantels 1 angeschlossen ist Die Antriebswelle 11, die die Drehbewegung der eine zweigängige Wendelobertiäche aufweisenden Spindel 10 auf das Bohrwerkzeug überträgt, ist in das Lagergehäuse 9 eingebettet. Die Antriebswelle 11 ist in Radialrichtung durch eine in das Lagergehäuse 9 eingepreßte Buchse 12 und in Axialrichtung durch ein Fußlager 13 und ein weiteres mit einer Lagermutter 14 befestigtes Fußlager 15 unterstützt. Das Gewicht der Spindel 10 und aie Kiaft. die während des Betriebs durch den hydraulischen Druck zeugt wird und auf die Spindel einwirkt, belasten das Füillager 15 über eine Kupplung 16, die Antriebswelle 11 und die Lagermutter 14. Die axiale Belastung des Bohrwerkzeugs wird über das Fußlager 13 und die Antriebswelle 11 übertragen. Das Spülmed'um gelangt aus dem asymmetrischen Hohlraum des Zwischenstücks 7 über die im Mantel der Antriebswelle 11 ausgebildeten Öffnungen und über die in Axialrichtung liegende zentrische Bohrung zu den Düsen des Bohrwerkzeugs bzw. zum Boden des Bohrloches. Der obere Zapfen der Spindel 10 ist in einem mit einer Obergangspassung in den Mantel 1 montierten Spindellager gelagert, dessen sich an den Mantel 1 anpassender äußerer Ring und die das Spindellager 17 bildende Nabe mit Hilfe von stromlinienförmigen Speichen verbunden sind. Dps Spindellager 17 ist durch den Paßstift 18 gegen Verdrehen gesichert. Ein Schieber 20, der durch eine Schraubenfeder 19 in seiner oberen Lage gehalten wird, kommt während Jes Betriebs unter Wirkung der Druckdifferenz, entgegen der Federkraft in die untere Lage und verschließt den ringförmigen Raum, der zu den am Mantel 1 ausgebildeten radialen Bohrungen führt. Wenn das Medium aufhört zu strömen, gelangt der Schieber 20 in die obere Lage, und das Spülmedium kann die Filter 21 und die Bohrungen, die im Ring des Spindellagers 17 ausgebildet sind, frei durchströmen. Somit gewährleistet der Schieber 20 während des

Betriebs die Aufrechterhaltung des zum Drehen der Spindel nötigen Überdrucks, ferner bei der Montage des Bohrlochmotors die Druckbeaufschlagung der Einrichtung und beim Aufholen des Bohrgestänges die Einleitung des im Bohrrohr befindlichen Spülmittels in das Bohrloch.

Die in F i g. 3 u. 4 dargestellte Ausführungsform weist eine Kammer 23 auf. die fest in den Mantel 22 eingepaßt ist und innere Wendeloberflächen besitzt. Das Querprofil der Kammer 23 stellt eine dreifache Epizykloide dar. Die mit einer äußeren Wendeloberfläche versehene Spindel 24 paßt sich an die Wcndeloberfläche der Kammer 23 an. Die Spindel 24 weist ein vierfaches I lypozykloidenprofil auf, das in der gleichen Ebene der Kammer 23 während der Relativbewegung durch die innere Hüllkurve der durch das Kammerprofil gebildeten Oberfläche begrenzt wird. Das durch den hydraulischen Druck hervorgerufene Drehmoment und die axiale Kraft werden durch die mit einem Elastomer-

scMutzrohr versehene Kardanwelle 25 über die SiCn iiü _ίι «es »»crrCECUg

24, wobei das Ventil 27 durch eine Schraubenfeder 26 abgestützt ist und während des Betriebs unter der Wirkung der Druckdifferenz und entgegen der Federkraft in die untere Lage gelangt.

Die Vorteile des hydraulischen Bohrlochmotors der oben beschriebenen Art bestehen darin, daß dieser Motor den technologischen Anforderungen des Rotary-Bohrens vollständig entspricht, wobei er mit einem großen Drehmoment und gutem Wirkungsgrad arbeitet und eine verhältnismäßig lange Lebensdauer besitzt, infolge des Volumenverdrängungsprinzips wird die Energie des Spiilmiltels ausgenützt. Die bei den bekannten nach dem Volumenverdrängungsprin/ip arbeilenden Bohrlochmotoren verwendete Kardanwel-Ie erübrigt sich, weil bei der erfindungsgemäßen Konstruktion Spindel und Werkzeug konzentrisch angeordnet sind. Im Falle eines Festlaufens wird automatisch ein verminderter Spülmittelstrom erzeugt, um die Ablagerung des Bohrgutes und das Festsetzen

I IIIIIUl.1

Lagergehäuse 9 drehende Antriebswelle Il auf das Bohrwerkzeug übertragen. Bei dieser Ausführungsform gewährleitstet das Ventil 27 den Nebenstrom der Spülflüssigkeit über die zentrische Bohrung der Spindel gegen Verunreinigungen weitgehend unempfindlich und weist eine gewisse Selbstsäubcrungsfähigkeit auf, wobei kleinkörnige Verunreinigungen ungehindert durch den Motorteil hindurchlaulen können.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Hydraulischer Bohrlochmotor, insbesondere zum Bohren von Ölbohrungen und Brunnen, mit einer Kammer, deren Achse der Durchströmungsrichtung des Bohrgutes parallel läuft und deren innere Oberfläche eine zykloidenförmige Wendelfläche bildet, welche eine in der Kammer geführte, rotierende Spindel mit ebenfalls zykloidenförmiger Wendeloberfläche umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (3, 23) um die Längsachse der Spindel (10, 24) drehbar gelagert und exzentrisch zu dieser angeordnet ist, daß das Querprofil der Wendeloberfläche der Kammer oder υ das Querprofil der Wendeloberfläche der Spindel eine Orthozykloide oder eine verkürzte Zykloide ist, und daß die Spindel oder die Kammer zu einem sie umgebenden Außenmantel konzentrisch angeordnet sind.

2. Bohrtochmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zykioidenförmige Wendelfläche der Kammer (3) das Profil einer Epizykloide und die Spindel (10) ein zweigängiges elliptisches Profil aufweisen.

3. Bohrlochmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zyk'.oidenförmige Wendelfläche der Kammer (23) als dreigängige Wendelfläche mit dreifachem Epizykloidenprofil und die Spindel (24) als viergängige Spindel mit vierfachem Hypozykloidenprofil ausgebildet sind.