DE4231025A1 - Deep drilling tool drive assembly of tubular form - in which a residual core can grow within a core pipe which extends through the pipe - Google Patents

Abstract

Drive assembly for a deep drilling tool is of tubular form so that, when using an annular drill bit (1), a residual core (2) can grow within a core pipe (3) which extends through the drive. Pref. the core pipe is replaceable by a plugging tube which closes the core pipe channel to permit full-section drilling. A harmonic drive transmission or a planetary transmission is pref. used as the torque transmission. The drive is pref. a turbine operated by drilling mud circulation. USE/ADVANTAGE - Used esp. in rotary core drilling using a downhole drive, e.g. for the German Continental Deep Drilling Programme. The design combines the advantages of the progressive core drilling technique with those of a downhole drill bit drive, while allowing directional drilling and even plugging of the core pipe channel for full-section drilling.

Description

Tiefbohrungen werden heute fast ausschließlich durch rotierende Bohrverfah­ ren abgeteuft. Bekannt und am weitesten verbreitet ist das sog. Rotary-Bohr­ verfahren, wobei der Meißel von der Bohranlage aus über das Bohrgestänge angetrieben wird.Today, deep drilling is done almost exclusively by rotating drilling sunk. The so-called rotary drill is known and most widespread proceed with the chisel from the drilling rig over the drill string is driven.

Beim Erbohren aufschlußreicher Gesteinspartien gestattet das Rotary-Ver­ fahren das Ziehen von Bohrkernen. Statt des gewöhnlichen Meißels wird ein Kernrohr und eine ringförmige Bohrkrone benutzt, in welche das Gestein beim Bohrfortgang stalagmitähnlich hineinwächst.The Rotary Ver drive the pulling of drill cores. Instead of the ordinary chisel, a Core tube and an annular drill bit used, in which the rock at Drill progress grows into it similar to stalagmite.

Bei Bohrgarnituren der neuesten Generation ist es möglich, die Kerne zu bergen, ohne daß dazu der Bohrstrang ausgebaut werden muß. Dazu wird eine sog. Fangvorrichtung an einem Seil zum Bohrlochgrund hinabgelassen, die das Kernrohr ankuppelt. Anschließend wird das Kernrohr mit dem Kern durch das hohle Bohrgestänge nach oben gezogen. Ist der Kern aus dem Rohr ent­ nommen, wird es wieder in das Bohrgestänge eingeführt und mit einer unter Druck stehenden Bohrspülung beaufschlagt. Dadurch wird das Kernrohr wie der zurück an die Bohrlochsole gedrückt, wo es erneut einen Kern aufnehmen kann. Entwickelt wurde diese Kerntechnik im Rahmen des Kontinentalen Tief­ bohrprogramms der Bundesrepublik Deutschland (KTB) in Windischeschen­ bach/Oberpfalz. With the latest generation of drilling sets, it is possible to close the cores salvage without having to remove the drill string. This will be a So-called safety gear lowered on a rope to the bottom of the borehole, which the Coupled core tube. Then the core tube with the core is through the hollow drill pipe pulled up. Is the core out of the tube taken, it is reinserted into the drill pipe and with an under Pressurized drilling fluid applied. This will make the core tube like the pressed back to the borehole brine, where it again take up a core can. This core technology was developed as part of the Continental Low drilling program of the Federal Republic of Germany (KTB) in Windischeschen bach / Upper Palatinate.  

Der Nachteil des Rotary-Verfahrens ist allerdings, daß mit zunehmender Bohrtiefe nicht nur die Leistung für die Gesteinszerstörung durch den Memel aufgebracht werden muß, sondern auch Verlustleistungen, die durch Reibung des Bohrgestänges an der Bohrlochwand oder durch Mitbewegen der viskosen Bohrspülung gegeben sind.The disadvantage of the Rotary process, however, is that with increasing Drilling depth not only the performance for the rock destruction by the Memel must be applied, but also power losses caused by friction the drill pipe on the borehole wall or by moving the viscous Drilling fluid are given.

Um diese Verluste zu umgehen, verlegt man den Meißelantrieb auf die Bohr­ lochsohle. Diese Technik erspart den langen Weg der Bewegungsübertragung über das Gestänge, und erfordert daher nur bis etwa zehn Prozent der am Drehtisch aufzubringenden Leistung.To avoid these losses, the chisel drive is relocated to the Bohr hole sole. This technology saves the long way of transmitting motion over the linkage, and therefore only requires up to about ten percent of the am Turntable performance.

Als Antriebsaggregate für den Meißel sind zwei Technologien bekannt und im Einsatz - der hydraulische Exzenterwellen-Motor (Moineau-Motor) und die Bohrturbine.As technologies for the chisel, two technologies are known and in use - the hydraulic eccentric shaft motor (Moineau motor) and the drilling turbine.

Beim Exzenterwellen-Motor ist der Bohrmeißel mit einer gekröpften Welle (Rotor) verbunden, die in einem Stator durch die zirkulierende Bohrspülung nach dem Verdrängerprinzip in Drehung versetzt wird. Der Bohrmotor genügt durch seine Konstruktion ideal den Anforderungen an einen Bohrantrieb, nämlich hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen. Allerdings ist es auch seine Kon­ struktion, die keine allzu hohen Temperaturen zuläßt, so daß die mit diesen Aggregaten erreichbare Teufe begrenzt ist.In the eccentric shaft motor, the drill bit has a cranked shaft (Rotor) connected in a stator by the circulating drilling fluid is rotated according to the displacement principle. The drill motor is sufficient by its construction ideally the requirements for a drilling drive, namely high torque at low speeds. However, it is also his con Structure that does not allow too high temperatures, so that with these Depths achievable for aggregates is limited.

Für höhere Temperaturen und damit größeren Teufen, bleibt als Antriebs­ mittel nur die Bohrturbine. Eine Turbine jedoch widerspricht durch ihre Funk­ tionsweise eher den Anforderungen an einen Bohrantrieb, da es ihrer Natur näher liegt, hohe Drehzahlen bei kleinen Drehmomenten zu liefern.For higher temperatures and thus greater depths, remains as the drive only the drilling turbine. A turbine, however, contradicts by its radio rather the requirements for a drill drive, since it is their nature is closer to delivering high speeds at low torques.

Um diesen Widerspruch zu egalisieren beschneidet man zwei Lösungswege. Entweder wird die Turbine mit sehr vielen - bis zu mehreren hundert - aus Leit- und Laufradern bestehenden Stufen ausgeführt, oder einer kleinen Tur­ bine wird ein Untersetzungsgetriebe nachgeschaltet. In order to equalize this contradiction, two solutions are cut. Either the turbine will be out with many - up to several hundred Guide and impeller existing steps, or a small door A reduction gear is installed downstream.  

Der Nachteil aller bisher bekannten Bohrantriebe ist, daß sie es nicht zu­ lassen, effizient Bohrkerne zu gewinnen, da sich ihre Konstruktion über den ganzen Lochquerschnitt erstreckt und es dadurch ausgeschlossen ist, Kerne am Antrieb vorbei zu bringen.The disadvantage of all previously known drilling drives is that they do not allow to extract drilling cores efficiently, since their construction extends over the entire cross-section of the hole and this excludes cores to get past the drive.

So haben bisherige Lösungen ein Kernrohr vor dem Antriebsagregat. Dieses Kernrohr hat eine bestimmte Länge und damit eine begrenzte Aufnahmeka­ pazität für den Kern. Ist diese Kapazität ausgeschöpft, so muß, um den Kern entnehmen zu können, der gesamte Bohrstrang ausgebaut werden.Previous solutions have a core tube in front of the drive unit. This Core tube has a certain length and thus a limited absorption keka capacity for the core. Once this capacity has been exhausted, the core must the entire drill string can be removed.

Das Einsparen von Antriebsleistung durch Verlegen des Antriebs in die Nähe der Bohrlochsohle muß also beim Kernen teuer durch lange Ein- und Ausbau­ zeiten und damit Bohrstillstandszeiten bezahlt werden. Denn Bohrantriebe werden aus den oben angeführten Gründen hauptsächlich bei großen Teufen eingesetzt, was aber bedeutet, daß der Bohrstrang entsprechend lang ist und damit aus vielen Gestängeteilen besteht.Saving drive power by moving the drive nearby The bottom of the borehole must therefore be expensive for cores due to long installation and removal times and thus downtimes are paid for. Because drilling drives are mainly for large depths for the reasons given above used, which means that the drill string is correspondingly long and so that it consists of many rod parts.

Am Beispiel des KTB-Projektes werden für den Aus- und Einbau eines 10000 m langendes Gestänges trotz eines automatischen Pipehandler-Systems, das das Ver- und Entschrauben sowie das Abstellen der Bohrstangen erledigt, rund 20 Stunden benötigt. Bei konventionellen Bohrtürmen ohne dieses Sy­ stem dauert diese Prozedur um ein Vielfaches länger. Diese Stillstandszeiten durch Aus- und Einbau sind ein enormer Kostenfaktor, dem häufig das Ge­ winnen von Kernen zum Opfer fällt, indem man sich auf Vollbohrungen und Probennahme aus der Bohrspülung beschränkt.Using the example of the KTB project for the removal and installation of a 10000 m long boom despite an automatic pipehandler system, that does the screwing and unscrewing as well as the parking of the boring bars, takes about 20 hours. With conventional drilling rigs without this sy stem this procedure takes many times longer. These downtimes due to removal and installation are an enormous cost factor that Ge win from cores by focusing on full holes and Sampling from the drilling fluid is limited.

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß mit dem bekannten Stand der Tech­ nik die Vorteile eines fortschrittlichen Kernbergesystems, wie es beim KTB im Einsatz ist, und die Vorteile eines Bohrmeißelantriebes an der Bohrlochsohle sich gegenseitig ausschließen. Aufgabe der Erfindung ist es nun, diese beiden Hauptvorteile in einem fortschrittlichen Bohrkonzept zu vereinen. In summary, it can be said that with the known state of the art nik the advantages of an advanced core mountain system, as is the case with the KTB in Use, and the advantages of a drill bit drive on the bottom of the borehole mutually exclusive. The object of the invention is now these two Combine main advantages in an advanced drilling concept.  

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Antriebsag­ gregat rohrförmig ausgebildet ist. So ist es möglich, wie beim Rotary-Verfahren eine ringförmige Bohrkrone 1 einzusetzen. Der Bohrkern 2, den eine derartige Bohrkrone stehen läßt, schiebt sich dabei in ein sog. Kernrohr 3 hinein. Am unteren Ende des Kernrohres befinden sich noch Klemmvorrichtungen, die den Kern festhalten, wenn er damit nach oben gezogen wird. Diese Klemmvorrich­ tungen ermöglichen außerdem, den Kern durch leichtes Anheben des gesamten Bohrstranges an der Sohle abzureißen. Da diese Vorrichtungen Stand der Tech­ nik sind, brauchen sie hier und insbesondere in den Zeichnungen nicht weiter berücksichtigt zu werden.This object is achieved in that the drive unit is tubular. It is thus possible to use an annular drill bit 1 as in the rotary method. The drill core 2 , which such a drill bit leaves standing, is pushed into a so-called core tube 3 . At the lower end of the core tube there are still clamping devices that hold the core when it is pulled upwards. These Klemmvorrich lines also make it possible to tear off the core by slightly lifting the entire drill string on the sole. Since these devices are state of the art, they do not need to be taken into account here and in particular in the drawings.

Bei dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel besteht das Ag­ gregat im wesentlichen aus drei Komponenten, der Turbine, dem Getriebe und dem Lastlager, das die Andruckkräfte für den Meißel überträgt, welche alle der Reihe nach in das Außenrohr 4 eingebaut werden.In the exemplary embodiment described below, the unit essentially consists of three components, the turbine, the gearbox and the load bearing, which transmit the pressing forces for the chisel, all of which are installed in the outer tube 4 in sequence.

In dieses Außenrohr 4 wird als erster Montageschritt der Abtriebskörper 5 eingeführt. Um Platz zu sparen, sind die Laufflächen für das Axial-Kegelrollenlager 6 direkt in die Stirnseite des Außenrohrs bzw. in einem Ring beim Abtriebskörper eingelassen. Eine Rollenlage erscheint hier besonders geeignet, da mit ihm große Andruckkräfte übertragen werden können.The output body 5 is introduced into this outer tube 4 as the first assembly step. In order to save space, the running surfaces for the axial tapered roller bearing 6 are embedded directly in the end face of the outer tube or in a ring on the output body. A roller position appears to be particularly suitable here, since it can be used to transmit large pressure forces.

Um auch Zugkräfte am Memel aufnehmen zu können, wie sie etwa beim Zurückziehen des Bohrgestänges durch Schleifen der Bohrkrone 1 an der Loch­ wand auftreten, den Abtrieb 5 im Außenrohr 4 zu zentrieren und drehbar zu fixieren, sind auf dem Innenumfang beim Außenrohr 4 und auf dem Außenum­ fang des Abtriebskörpers 5 Rillen eingelassen, die zusammen mit den Lager­ kugeln ein Rillenkugellager 7 bilden.To be able to absorb tensile forces on Memel, as wall as during withdrawal of the drill string by grinding the drill bit 1 at the hole occur to center the output 5 in the outer tube 4 and to fix it for rotation, are the on the inner periphery at the outer tube 4 and at Outside circumference of the output body 5 grooves embedded, which together with the bearing balls form a deep groove ball bearing 7 .

Diese Lagerkugeln werden erst wenn der Abtriebskörper 5 bereits in das Außenrohr 4 eingeführt ist, durch einen Einfüllkanal 8 in die Kugelbahn ein­ gefüllt. Dieser Einfüllkanal 8 wird anschließend mit einem Pfropfen 9 verschlos­ sen, der an der Stirnseite der Kugelbahn entsprechend geformt ist, durch eine Zapfen am Verdrehen gehindert und mit eine Federring 10 gesichert wird.These bearing balls are only filled when the driven body 5 is already inserted into the outer tube 4 through a filler channel 8 in the ball track. This filler channel 8 is then closed with a plug 9 sen, which is shaped on the end face of the ball track, prevented from rotating by a pin and secured with a spring ring 10 .

Für den Aufbau eines rohrförmigen Antriebes erscheint der Einsatz eines so­ genannten Harmonic-Drive-Getriebes in Verbindung mit einer Turbine als ganz besonders geeignet, da es - den Eigenschaften einer Tubine (hohe Drehzahl bei kleinem Drehmoment) entgegenkommend - hohe Untersetzungsverhält­ nisse erlaubt.For the construction of a tubular drive, the use of such appears called harmonic drive gearbox in combination with a turbine as a whole Particularly suitable because it - the properties of a tube (high speed with low torque) - high reduction ratio nisse allowed.

Ein derartiges Getriebe besteht im wesentlichen aus drei Komponenten, einem Wave-Generator 11, einem Flexspline 12 und einem Cicular-Spline 13.Such a transmission essentially consists of three components, a wave generator 11 , a flexspline 12 and a cicular spline 13 .

Die Funktionsweise dieses Getriebes erklärt sich folgendermaßen. Auf den elliptisch geformten Wave-Generater 11 ist über ein Kugel- oder Nadellager 14 der formelastische Flexspline 12 aufgezogen. Der außenverzahnte Flexspline 12, der aufgrund des kleineren Teilkreisdurchmessers zwei (4, 6, . . . ) Zähne weniger hat, wird durch den elliptischen Wave-Generator 11 verformt und befindet sich mit der Verzahnung des innenverzahnten, kreisrunden Circular-Splines 13 im Bereich der großen Ellipsenachse im Eingriff. Die Zahnteilung des Flexspline 12 muß dabei gleich der Zahnteilung des Circular-Splines 13 sein.The operation of this gearbox is explained as follows. The elastic flexspline 12 is mounted on the elliptically shaped wave generator 11 via a ball or needle bearing 14 . The externally toothed flexspline 12 , which has two (4, 6,...) Fewer teeth due to the smaller pitch circle diameter, is deformed by the elliptical wave generator 11 and is located in the area of the toothing of the internally toothed, circular circular spline 13 large ellipse axis in engagement. The tooth pitch of the Flexspline 12 must be equal to the tooth pitch of the circular spline 13 .

Sobald sich der Wave-Generator 11 weiterbewegt, wandert die Eingriffszone mit der großen Ellipsenachse. Das hat zur Folge, daß sich der Flex-Spline 12 bei einer halben Drehung des Wave-Generators 11 relativ zum Circular-Spline 13 in entgegengesetzter Richtung um einen Zahn, bei einer vollen Drehung um zwei Zähne verschiebt. Das bedeutet, nur die auf dem Flexspline 12 übertragene Form - nicht aber der Flexspline 12 selbst - dreht sich mit der Drehzahl des Wave-Generators 11.As soon as the wave generator 11 continues to move, the engagement zone with the large ellipse axis moves. As a result, the flex spline 12 shifts by one tooth relative to the circular spline 13 in the opposite direction when the wave generator 11 is rotated halfway, and by two teeth with a full rotation. This means that only the shape transferred to the Flexspline 12 - but not the Flexspline 12 itself - rotates with the speed of the wave generator 11 .

Da bei bei einem Harmonic-Drive-Getriebe eine Vielzahl von Zähnen - je nach Untersetzungsverhältnis zwischen 15 und 20% - zugleich im Eingriff stehen, übertragen sie sehr hohe Drehmomente.Since there are a large number of teeth in a harmonic drive gearbox - depending on the reduction ratio between 15 and 20% - at the same time in engagement stand, they transmit very high torques.

Weil der Antrieb anstelle von üblichen Zahnradern über reibungsarme Kugel- oder Nadellager 14 erfolgt, erreichen diese Getriebe einen hohen Wirkungsgrad. Because the drive is instead of conventional gear wheels via low-friction ball or needle bearings 14 , these gears achieve a high degree of efficiency.

Bei dem hier beschriebenen Antrieb ist das Harmonic-Drive-Getriebe aus Platzgründen vollständig in den einzelnen Komponenten integriert. So ist der Circular-Spline direkt im Außenrohr 4 integriert, was fertigungtechnisch dadurch realisiert werden kann, daß ein Rohr mit entsprechend kleineren In­ nendurchmesser innen so ausgedreht und aufgeweitet wird, daß ein Ring an der Stelle stehen bleibt, an der der Cirular-Spline 13 zu sein hat. Die Zahnteilung in diesem Ring kann anschließend durch Fräsen, Schleifen oder Stoßen erfolgen.In the drive described here, the Harmonic Drive gearbox is fully integrated in the individual components for reasons of space. Thus, the circular spline is integrated directly into the outer tube 4 , which can be achieved in terms of production technology in that a tube with a correspondingly smaller inner diameter is turned and expanded on the inside such that a ring remains at the point at which the circular spline 13 has to be. The tooth division in this ring can then be done by milling, grinding or shaping.

Günstiger ist es allerdings, ein Außenrohr 4 mit passenden Endabmessungen herzunehmen und den Ring für den Cirkular-Spline 13 durch Auftragschweißen einzubringen. Das hat den Vorteil, daß das Material der Zähne nicht aus dem Außenrohrmaterial bestehen muß und so den Anforderungen speziell angepaßt sein kann. Die Zahnteilung wird wie oben gebildet.However, it is more favorable to use an outer tube 4 with suitable end dimensions and to insert the ring for the circular spline 13 by cladding. This has the advantage that the material of the teeth does not have to consist of the outer tube material and can therefore be specially adapted to the requirements. The tooth pitch is formed as above.

Der Flexspline 12 hat die Form einer zylindrischen Büchse, die am unteren Ende starr und fest mit dem Abtriebskörper 5 verbunden ist. Da er deshalb wie oberen beschrieben beim ersten Montageschritt mit eingesetzt wird, muß er z. B. durch einen elliptischen Formkegel vorgeformt werden, damit die Zähne an der richtigen Stelle eingreifen. Nach diesem Schritt wird der Formkegel wieder entfernt und der Wave-Generator 11 eingesetzt.The Flexspline 12 has the shape of a cylindrical sleeve which is rigidly and firmly connected to the driven body 5 at the lower end. Since it is therefore used with the first assembly step as described above, it must, for. B. preformed by an elliptical cone so that the teeth engage in the right place. After this step, the mold cone is removed again and the wave generator 11 is inserted.

Der Wave-Generator 11, dessen Form aus den Zeichnungen 1, 2 und 4 her­ vorgeht, wird in einem zweiten Montageschritt mit Nadellagern 14 bestückt und anschließend von oben her in das Außenrohr 4 eingeführt.The wave generator 11 , the shape of which emerges from the drawings 1 , 2 and 4 , is fitted with needle bearings 14 in a second assembly step and then inserted into the outer tube 4 from above.

Die Nadellager 14 laufen in Bahnen, die in den Wave-Generator 11 einge­ lassen sind, und werden damit in ihrer vertikalen Position fixiert. Mit zweien dieser Lager, am oberen und unteren Ende, wird der Wave-Generator 11 ge­ lagert. Ein Drittes, welches auf der eliptischen Formbahn läuft sorgt für eine reibungsarme Übertragung der Form auf den Flexspline 12. Der Flexspline 12 ist am oberen Ende trichterförmig ausgeformt, so daß sich das Lager mit dem Wave-Generator 11 leicht einführen läßt.The needle bearings 14 run in tracks that are left in the wave generator 11 and are thus fixed in their vertical position. With two of these bearings, at the top and bottom, the wave generator 11 is stored ge. A third, which runs on the elliptical form path ensures a low-friction transfer of the form to the Flexspline 12 . The Flexspline 12 is funnel-shaped at the upper end, so that the bearing with the wave generator 11 can be easily inserted.

Der Rotor 15 der Turbine wird in einem dritten Montageschritt durch ein Gewinde 16 mit dem Wave-Generator 11 verschraubt. Da das Harmonic- Drive-Getriebe die Drehrichtung umkehrt, muß die Turbine entgegengesetzt der Bohrerdrehrichtung laufen, was auch für die Richtung des Gewindes 16 zu berücksichtigen ist.In a third assembly step, the rotor 15 of the turbine is screwed to the wave generator 11 by a thread 16 . Since the harmonic drive gear reverses the direction of rotation, the turbine must run counter to the direction of rotation of the drill, which must also be taken into account for the direction of the thread 16 .

Die Turbine muß vor dem dritten Montageschritt bereits vormontiert, d. h. Rotor 15 und Stator 17 müssen bereits ineinander gefügt sein.The turbine must already be preassembled before the third assembly step, ie rotor 15 and stator 17 must already be fitted into one another.

Werden die Lauf- und Leitschaufeln von Rotor und Stator so ausgebildet, daß sie sich durch eine schraubende Bewegung noch aneinander vorbeibewe­ gen lassen, dann kann der Rotor und Stator aus einem Stück gefräßt werden, wodurch sehr kompakte Abmessungen möglich sind. Werden der Rotor und Stator dagegen aus einzelnen Lauf- und Leitradern zusammengesetzt, so eng steht ein zusätzlicher Platzbedarf für entsprechende Verschraubungselemente.If the rotor and stator blades and vanes are designed that they are still moving past each other with a screwing movement then the rotor and stator can be milled from one piece, which enables very compact dimensions. Become the rotor and Stator, on the other hand, is composed of individual impellers and guide wheels, so narrow there is an additional space requirement for corresponding screwing elements.

Der Statorteil 17 der Turbine ist in diesem Ausführungsbeispiel innen an­ geordnet, was den Vorteil hat, daß es gleichzeitig die Funktion einer Führung und Stütze für das Kernrohr 3 erfüllt. Es ist röhrenförmig und hat am obe­ ren Ende eine Anordnung von Stützzapfen 18, die am Außenrohr 4 anliegen. Diese Stützzapfen 18 sind auf der Oberseite abgeschrägt, wodurch sich für das Kernrohr 3 ein Führungstrichter ergibt. Die Verschraubung des Statorteiles 17 mit dem Außenrohr 4 erfolgt mit Imbus-Senkkopfschrauben 19 , für die in den Stützzapfen 18 entsprechende Gewinde vorgesehen sind.The stator part 17 of the turbine is arranged on the inside in this embodiment, which has the advantage that it simultaneously fulfills the function of a guide and support for the core tube 3 . It is tubular and has an arrangement of support pins 18 at the upper end which rest against the outer tube 4 . These support pins 18 are chamfered on the top, which results in a guide funnel for the core tube 3 . The stator part 17 is screwed to the outer tube 4 using Allen countersunk screws 19 , for which corresponding threads are provided in the support pin 18 .

Der Fluß der Bohrspülung ist in Fig. 2 durch Pfeile verdeutlicht. Bei ein­ gesetztem Kernrohr bleibt der Bohrspülung, die mit hohem Druck im Innern des Bohrstranges heruntergepumpt wird, nur der Weg zwischen den Stützzap­ fen vorbei durch die Turbine, die dadurch in Dehnung versetzt wird und über das Getriebe die Bohrkrone 1 antreibt. Nach der Turbine strömt sie im Ka­ nal zwischen dem rotierenden Wave-Generator 11 und dem Kernrohr 3 weiter zur Bohrkrone 1, von wo sie mit Bohrklein beladen an der Außenseite des Bohrstranges wieder nach oben steigt.The flow of the drilling fluid is illustrated by arrows in FIG. 2. With a set core tube, the drilling fluid, which is pumped down with high pressure inside the drill string, only remains the way between the support spigots by the turbine, which is thereby stretched and drives the drill bit 1 via the gear. After the turbine, it flows in the channel between the rotating wave generator 11 and the core tube 3 to the drill bit 1 , from where it rises again loaded with cuttings on the outside of the drill string.

Die Schmierung des Antriebes, d. h. der Lager und der Splineverzahnung kann durch eine Fett- oder Ölschmierung erfolgen, was bedeutet, daß der Innenbereich des Antriebes durch Dichtungsringe 20 gegen die Bohrspülung außerhalb abgedichtet werden muß. Andererseits kann auch ein kleiner Teil der Bohrspülung zur Schmierung herangezogen werden, in dem sie z. B. durch einen Keramikfilter gereinigt, definiert das Innere des Antriebes durchströmt.The lubrication of the drive, ie the bearing and the spline toothing, can be done by grease or oil lubrication, which means that the inside of the drive must be sealed off from the drilling fluid by sealing rings 20 against the drilling fluid. On the other hand, a small part of the drilling fluid can be used for lubrication by z. B. cleaned by a ceramic filter, flows through the interior of the drive.

Anstatt des vorhergehend beschriebenen Harmonic-Drive-Getriebes kann auch ein sog. Planetengetriebe zum Einsatz kommen. Falls erforderlich, können auch zwei oder mehrere derartige Planetengetriebe hintereinander angeordnet, d. h. in Reihe geschaltet werden. Allerdings ist hier mit einem größeren Platzbedarf für das Getriebe zu rechnen.Instead of the harmonic drive gearbox described above, it can also a so-called planetary gear is used. If necessary, you can also two or more such planetary gears arranged one behind the other, d. H. can be connected in series. However, here is with a larger space requirement to be expected for the gearbox.

Das Außenzahnrad, das in Form und Herstellung dem Circular-Spline 13 identisch ist stellt im Außenrohr 4 eine Engstelle dar, weshalb der Plane­ tenträger aus zwei Teilen besteht, wovon der eine dem Abtriebskörper 21 iden­ tisch und der andere einen Gegenring 22 ist.The external gear, which is identical in shape and manufacture to the circular spline 13 , represents a constriction in the outer tube 4 , which is why the plane carrier consists of two parts, one of which is the output body 21 identical and the other a counter ring 22 .

Der erste Montageschritt ist dem bereits oben beschriebenen identisch. Anschließend werden die Planetenrader 23 eingesetzt, für die sowohl im Ab­ triebskörper 21, als auch im Gegenring 22 Nadellager 24 vorgesehen sind. Nun kann das röhrenförmige Sonnenrad 25 und danach der Gegenring 22 von oben eingesetzt werden. Auf dem Umfang des Abtriebskörpers 21 wechseln sich Pla­ netenräder 23 und Stege 26, die die Lagerkräfte des Gegenringes 22 aufnehmen, ab. In diesen Stegen 26 befinden sich noch Gewinde mit denen der Gegenring 22 durch Schrauben 27 am Abtriebskörper 21 angeschraubt wird. Die kraft­ schlüssige Verbindung mit der Turbine erfolgt wieder über ein Gewinde 28. The first assembly step is identical to that already described above. Then the planetary gear 23 are used, for which both in the drive body 21 and 22 in the counter ring 22 needle bearings 24 are provided. Now the tubular sun gear 25 and then the counter ring 22 can be inserted from above. On the circumference of the output body 21 Pla alternate wheels 23 and webs 26 , which absorb the bearing forces of the counter ring 22 from. In these webs 26 there are also threads with which the counter ring 22 is screwed onto the output body 21 by screws 27 . The force-locking connection to the turbine again takes place via a thread 28 .

Die Drehrichtung des Meißels ist in diesem Fall gleich der Drehrichtung der Turbine.In this case, the direction of rotation of the chisel is equal to the direction of rotation of the Turbine.

Eine weitere Abwandlung ist, daß die Bohrkrone direkt, ohne zwischen­ geschaltetes Getriebe durch die Turbine, die dafür selbstverständlich entspre­ chend dimensioniert sein muß, angetrieben wird (Fig. 7). Da eine derartige Tur­ bine mitunter sehr viele Stufen hat, wird sie auch entsprechend lang sein. Damit sie nicht instabil wird und womöglich ihre Leit- oder Laufrader an der Wan­ dung o. ä. anschleifen, können in zweckmäßigen Abständen Leit- oder Laufräder eingebaut werden, die einen zusätzlichen Außen- bzw. Innenring besitzen und über ein Nadel- oder Kugellager das Rotor- und Statorpaket gegeneinander abstützen.Another modification is that the drill bit is driven directly, without interposed gear by the turbine, which of course must be dimensioned accordingly accordingly ( Fig. 7). Since such a turbine sometimes has many stages, it will also be correspondingly long. So that it does not become unstable and possibly grind its idlers or impellers on the wall or the like, idlers or impellers can be installed at appropriate intervals, which have an additional outer or inner ring and that via a needle or ball bearing Support the rotor and stator packages against each other.

Die beschriebene Konstruktion des Bohrantriebes, weißt noch eine Reihe weiter Vorteile auf. Da sich das Gegenlager des Kernrohres nicht mit irgend welchen Teilen mitdreht, sondern relativ zum Bohrgestänge ruht, ist es möglich, sogenannte orientierte Bohrkerne zu gewinnen, die Aufschluß darüber geben, wie die Gesteinsschichten in der Tiefe ausgerichtet und geneigt sind.The described construction of the drill drive still knows a number further advantages. Since the counter bearing of the core tube does not match any which parts rotate with it but rest relative to the drill pipe, it is possible to obtain so-called oriented cores that provide information about how the layers of rock are aligned and inclined in depth.

Außerdem kann der Antrieb für Vollbohrungen eingesetzt werden, wenn z. B. anstelle der Bohrkrone ein Rollenmeißel als Werkzeug angesetzt wird. Satt des Kernrohres, das für die Bohrspülung den Weg durch die Turbine erzwingt, kann ein Pfropfenrohr 28 eingesetzt werden, das z. B. mit Krallen oder einer Klemmvorrichtung im Turbinenstator 17 befestigt wird. Es reicht also aus, für Kern- und Vollbohrungen nur diese eine Antriebsart einzusetzen, wodurch Kosten durch Ersatzteillagerhaltung für viele Antriebe auf nur einen zusam­ menschrumpft.In addition, the drive can be used for full bores if, for. B. instead of the drill bit, a roller chisel is used as a tool. Instead of the core tube, which forces the path through the turbine for the drilling fluid, a plug tube 28 can be used, which, for. B. is fastened with claws or a clamping device in the turbine stator 17 . It is therefore sufficient to use only this one type of drive for core and solid bores, which means that costs for many drives can be reduced to just one by keeping spare parts in stock.

Der Vollbohrungen im Innern des Pfropfenrohres 28 vorhandene Platz kann vorteilhaft für Hilfsgeräte genutzt werden. So kann z. B. am unteren Ende eines derartigen, zylindrischen Hilfsgerätepaketes ein Generator 29 für die elektri­ sche Versorgung der Hilfssysteme plaziert werden, der über sternförmig angeordnete Klauen 30 in dafür vorgesehene Aussparungen im Turbinenro­ tor 31 eingreift und somit Rotationsenergie abzapft. Damit die Hilfssysteme in Bohrpausen, z. B. wenn oben ein neues Bohrgestänge angesetzt wird, weiterar­ beiten können, ist noch ein Accu 32 vorgesehen, der diese Pausen überbrückt und beim Bohrbetrieb wieder vom Generator 29 nachgeladen wird.The full bores in the interior of the plug tube 28 can advantageously be used for auxiliary devices. So z. B. at the lower end of such a cylindrical auxiliary equipment package, a generator 29 for the electrical supply of auxiliary systems can be placed, which engages via star-shaped claws 30 in the provided recesses in the Turbinenro gate 31 and thus taps rotational energy. So that the auxiliary systems in drilling breaks, for. B. if a new drill pipe is attached above, continue processing, an accumulator 32 is also provided, which bridges these breaks and is reloaded by the generator 29 during drilling operation.

Die mit dem Generator 29 gewonnene elektrische Energie kann auch an weiter oben angeordnete Hilfsgeräte wie z. B. Richtungslenkvorrichtungen ab­ gegeben werden. Die Dedektoren 33 für den Neigungswinkel können ebenfalls im Hilfsgerätepaket untergebracht sein, und die Steuersignale wie die elektri­ sche Energie nach oben weitergeleitet werden.The electrical energy obtained with the generator 29 can also be arranged at auxiliary devices such as B. Directional steering devices are given. The detectors 33 for the angle of inclination can also be accommodated in the auxiliary equipment package, and the control signals, such as the electrical energy, can be forwarded upward.

Am oberen Ende des Hilfsgerätepaketes ist der beste Platz für ein Nach­ richtenübermittlungssystem 34 wie etwa einem Bohrspülungspulser.At the top of the auxiliary equipment package is the best place for a messaging system 34, such as a drilling fluid pulser.

Da diese Hilfsgeräte im Zentrum des Bohrquerschnittes sitzen, sind sie auch allseitig von der Bohrspülung umgeben. Bei sehr großen Teufen, wo hohe Temperaturen herrschen, hat das den Vorteil, daß die von oben kommende, im Vergleich zum umgebenden Bohrloch noch relativ kühle Spülung die elek­ tronischen und daher meißt temperaturempfindlichen Hilfsgeräte 33 kühlt und von schädlicher Wärmeeinwirkung schützt. Damit läßt sich mit Hilfsgeräten die bei normalen Bohrverfahren ihre Temperaturgrenze bereits erreicht hätten, um einiges tiefer bohren.Since these auxiliary devices are located in the center of the drill cross-section, they are also surrounded on all sides by the drilling fluid. At very large depths, where high temperatures prevail, this has the advantage that the coming from above, compared to the surrounding borehole still relatively cool flushing cools the electronic and therefore mostly temperature-sensitive auxiliary devices 33 and protects them from harmful heat. This means that auxiliary devices that would have already reached their temperature limit with normal drilling methods can be drilled much deeper.

Dieses Antriebsaggregat stellt also einen echten Universalantrieb dar. Der Einsatz eines Harmonic-Drive-Getriebes kann auch in normalen, nicht röhrenförmigen Aggregaten mit den gleichen Vorteilen eingesetzt werden. Was keiner weiteren Beschreibung bedarf, da man nur den Kerndurchmesser des beschriebenen Aggregats gegen Null gehen lassen muß. Allerdings ist es dabei sinnvoller, den Turbinen-Rotor nach innen und den Stator nach außen zu ver­ legen. This drive unit is a real universal drive. The use of a harmonic drive gear can also in normal, not tubular units can be used with the same advantages. What no further description is required, since only the core diameter of the described unit must go to zero. However, it is there it makes more sense to move the turbine rotor inwards and the stator outwards lay.  

Zu den Zeichnungen, es zeigen:To the drawings, it shows:

Fig. 1 Gesamtansicht des Bohrantriebes mit eingeführtem Kernrohr an der Bohrlochsohle. Die eingekreisten Stellen sind als Detailzeichnungen vergrößert. Fig. 1 General view of the drill drive with an inserted core tube on the bottom of the borehole. The circled areas are enlarged as detailed drawings.

Fig. 2 Gesamtansicht, nur daß hier der Wave-Generator 11 um 90° und das Außenrohr 4 um 45° gedreht sind. Dadurch werden der nichteingreifende Teil des Flexspline 12 und die Bohrspülungskanäle zwischen den Stützzapfen 18 sichtbar. Fig. 2 general view, only that here the wave generator 11 are rotated by 90 ° and the outer tube 4 by 45 °. This makes the non-engaging part of the Flexspline 12 and the drilling fluid channels between the support pins 18 visible.

Fig. 3 Detailzeichnung des Lastlagers. Fig. 3 detailed drawing of the load bearing.

Fig. 4 Detailzeichnung des Harmonic-Drive-Getriebes. Die strichpunktierten Linien geben die Lage der Querschnittszeichnungen b und c an. Fig. 4 detailed drawing of the harmonic drive gear. The dash-dotted lines indicate the position of the cross-sectional drawings b and c.

Fig. 5 Detailzeichnung der Turbinenstatorbefestigung. Fig. 5 detailed drawing of the turbine stator mounting.

Fig. 6 Detailzeichnung eines Planetengetriebes. Die strichpunktierte Linie in Bild a kennzeichnet die Lage des Querschnittes durch den Abtriebskörper 21 in Bild b. Fig. 6 detailed drawing of a planetary gear. The dash-dotted line in Figure a indicates the position of the cross section through the output body 21 in Figure b.

Fig. 7 Detailzeichnung eines Direktantriebes ohne Getriebe. Fig. 7 detailed drawing of a direct drive without gear.

Fig. 8 Ansicht eines Hilfsgerätepaketes. Fig. 8 view of an auxiliary device package.

Claims (9)

1. Antriebsaggregat für einen Bohrmeißel bei Tiefbohrungen, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebsaggregat rohrförmig ausgebildet ist, so daß bei Verwen­ dung einer ringförmigen Bohrkrone (1) ein stehenbleibender Bohrkern (2) in das Innere eines Kernrohres (3), das durch den Antrieb reicht hinein­ wachsen kann.1. Drive unit for a drill bit in deep drilling, characterized in that the drive unit is tubular, so that when using an annular drill bit ( 1 ) a standing core ( 2 ) in the interior of a core tube ( 3 ) which extends through the drive can grow into it. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als drehmomentübertragendes Getriebe ein sog. Harmonic-Drive-Getriebe verwendet wird.2. Device according to claim 1, characterized, that as a torque-transmitting gear, a so-called harmonic drive gear is used. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als drehmomentübertragendes Getriebe ein Planetengetriebe verwen­ det wird.3. Device according to claim 1, characterized, that use a planetary gear as a torque transmitting gear det. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Antriebsmittel eine Turbine vorgesehen ist, die durch die Bohrspülung in Bewegung gesetzt wird. 4. The device according to claim 1, characterized, that a turbine is provided as the drive means through the drilling fluid is set in motion.   5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Statorteil (Leiträder) der Turbine innen und der Rotorteil (Laufräder) außen angeordnet sind.5. The device according to claim 1 or 4, characterized, that the stator part (idler wheels) of the turbine inside and the rotor part (impellers) are arranged outside. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernrohrkanal anstatt mit einem Kernrohr mit einem Pfropfen­ rohr (28) verschlossen werden kann, wodurch auch Vollbohrungen möglich werden.6. The device according to claim 1, characterized in that the core tube channel instead of a core tube with a plug tube ( 28 ) can be closed, whereby solid bores are also possible. 7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Platz im Innern des Propfenrohres (28) oder im Innern des An­ triebes für die Unterbringung von Hilfsgeräten genutzt wird.7. The device according to claim 1 or 6, characterized in that the space inside the plug tube ( 28 ) or in the interior of the drive is used for the accommodation of auxiliary devices. 8. Vorrichtung nach Anspruch 1, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich am unteren Ende des Propfenrohres (28) ein Generator befindet, der über eine entsprechende Vorrichtung ein Drehmoment von der Turbine oder von einem sich drehenden Teil abzweigt.8. Apparatus according to claim 1, 6 or 7, characterized in that there is a generator at the lower end of the plug tube ( 28 ) which branches off a torque from the turbine or from a rotating part via a corresponding device. 9. Vorrichtung nach Anspruch 1, 6, 7, oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Accu vorgesehen ist, der in den Bohrpausen die Versorgung der Hilfsgeräte übernimmt und beim Bohrbetrieb durch den Generator auf­ geladen wird.9. The device according to claim 1, 6, 7, or 8, characterized, that an accumulator is provided, the supply of the in the drilling breaks Auxiliary equipment takes over and during drilling operations by the generator is loaded.