DE69309038T2 - Mehrgelenkarm-stabilisator für eine bohrloch- oder kernbohrvorrichtung - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen Antrieb für mindestens zwei Stabilisatorarme für eine Bohrloch- oder Kernbohrvorrichtung, insbesondere von Stabilisatorarmen in einem Bohr- oder Kernbohrkopf, wobei jeder Arm in bezug auf den anderen am Umfang des Kopfs versetzt ist und ein Ende aufweist, das um eine Achse parallel zur Achse des Bohrkopfs in solcher Weise verschwenkbar ist, dass das freie Ende des Arms stromaufwärts zur Schwenkachse in bezug auf die Drehrichtung des Kopfs im Verlauf eines Bohrvorgangs liegt. Ein derartiger Antrieb ist aus dem Dokument FR-A-1 554 959 bekannt.
• Die Verwendung von Stabilisatoren mit mehreren Stabilisatorarmen, die durch die Bohrflüssigkeit gesteuert werden, ist in der einschlägigen Technik üblich. Dennoch sind Verbesserungen erforderlich, um z. B. den Antrieb der Arme kompakter zu machen, wenn er in einen Bohr- oder Kernbohrkopf zu integrieren ist, und um die Anzahl der in diesem Antrieb verwendeten mechanischen Teile zu verringern, um die Kosten zu senkenund die Zuverlässigkeit zu erhöhen.
• Zu diesem Zweck weist der Antrieb gemäß der Erfindung pro Arm folgendes auf: einen Kolben, der so ausgebildet ist, dass er den Arm um die obengenannte Achse verschwenkt, damit das freie Ende des Arms zwei Extrempositionen einnimmt, nämlich eine erste Position, die als Ruheposition bezeichnet wird, in der der Arm im Kopfliegt, und eine zweite Position, die als aktive Position bezeichnet wird, in der das genannte freie Ende in bezug auf den Kopf vorspringt; Steuerungseinrichtungen und Synchronisiereinrichtungen, die jeweils so ausgebildet sind, dass sie die Kolben aufgrund der Bohrflüssigkeit verstellen, damit die Kolben im wesentlichen gleichzeitig in derselben Richtung und mit derselben Amplitude arbeiten.
• Ein für jeden Arm gesonderter Antrieb ermäglicht es, die Abmessungen des Kolbens zu verringern, damit dieser letztere im genannten Bohrkopf unergebracht werden kann und er direkt mit dem betreffenden Arm verbunden werden kann.
• Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung bilden die Längsachsen der Kolben Tangenten an einen fiktiven, koaxial zum Kopf liegenden Zylinder, wobei sie vorzugsweise in mindestens einer Ebene quer zur Achse des Bohrkopfs liegen.
• Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weisen die Steuereinrichtungen der Kolben einen koaxial zum Kopf liegenden Ringkolben auf, der so ausgebildet ist, dass er ihrer gemeinsamen Achse folgend in einem Zylinder verstellt werden kann, der im Kopf ausgebildet ist und einerseits so profiliert ist, dass er durch die Bohrflüssigkeit betätigt werden kann und andererseits, zum Einwirken auf eine Flüssigkeit, die jeden der obengenannten Kolben betätigt und die im Zylinder in Verbindung mit den Kammern der Kolben enthalten ist.
• Auf diese Weise tritt die Bohrflüssigkeit nur mit einem Minimum der den Antrieb bildenden Elemente in Kontakt, was die Gefahr einer Hemmung und einer Abnutzung des Antriebs durch Stoffe verringert oder ausschließt, die diese Bohrflüssigkeit bilden oder von ihr transportiert werden.
• Andere Einzelheiten und Besonderheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung der diesem Schriftsatz beigefügten Zeichnungen in beispielhafter, nicht beschränkender Weise zu einer besonderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Antriebs.
• Figur 1 zeigt, teilgebrochen, mit einem Längsschnitt entlang der Bruchlinie I-I in Figur 2, einen Bohrkopf, der mit einem erfindungsgemäßen Armantrieb versehen ist.
• Figur 2 ist, mit anderem Maßstab, ein Querschnitt des Antriebs gemäß Figur 1 entlang der Linie II-II.
• In den verschiedenen Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen identische oder analoge Elemente.
• Die Figuren veranschaulichen einen Antrieb 1 für drei Stabilisatorarme 2, die beispielhaft in einem Bohrkopf 3 angeordnet sind. Zum Vereinfachen der graphischen Wiedergabe sind die drei Arme 2, die regelmäßig über den Umfang des Kopfs 3 verteilt sind, auf derselben Ebene desselben in bezug auf das Vorderende des Kopfs 3, bezogen auf die Vorbewegung desselben in einem Loch während eines Bohrvorgangs positioniert. Dem Fachmann sind auf einfache Weise andere Verteilungen der Arme 2 ersichtlich, wie um den Kopf 3 herum, als auch entlang der Längsachse 4 desselben.
• Jeder Arm 2 ist an einem seiner Enden im Bohrkopf 3 so befestigt, dass er sich um einen Schwenkpunkt 5 einer Achse 6 parallel zur Längsachse 4 auf solche Weise drehen kann, dass das entgegengesetzte Ende 7 des Arms 2 an der Rückseite der Schwenkachse 6 in bezug auf die Drehrichtung 77 (Figur 2) des Kopf 5 3 im Verlauf eines Bohrvorgangs liegt.
• Gemäß der Erfindung umfasst der Antrieb 1 pro Stabilisatorarm 2 einen Kolben 8, der in einer passenden Kammer 9 angeordnet ist und der so ausgebildet ist, dass er den entsprechenden Arm 2 um seine Achse 6 zwischen zwei Extrempositionen verdreht. In einer ersten Extremposition, die als Ruheposition bezeichnet ist und die in den Figuren wiedergegeben ist, liegt der Arm 2 im Kopf 3 oder zumindest im Inneren eines Zylinders, der koaxial zum Kopf 3 verläuft und durch denjenigen Punkt oder diejenigen Punkte desselben geht, die am weitesten von der Längsachse 4 beabstandet sind. In der zweiten Extremposition (nicht dargestellt), die als aktive Position bezeichnet wird, stehen die Arme 2 mit einem Maximalwert vom Kopf 3 vor, der durch den Hub jedes Kolbens 8 bestimmt ist, wobei dieser Hub für alle drei Kolben 8 derselbe ist. Im Verlauf eines Bohrvorgangs stehen die drei Arme 2 vom Kopf 3 vor, wie es bekannt ist, um in einer aktiven Position, die zwischen den zwei obengenannten Extrempositionen liegt, an der Wand des gebohrten Lochs anzuliegen. In vorteilhafter Weise trägt jeder Arm 2 gemäß den Figuren an seinem Ende 7, zur Verbindung mit dem entsprechenden Kolben 8, eine T-Nut, die sich von im wesentlichen dem Ende 7 zum Schwenkpunkt 5 in der zum Kolben 8 gewandten Seite erstreckt. Der Kolben 8 weist seinerseits eine Stange 80 auf, deren freies Ende ein an die T-Nut angepasstes T-Profil aufweist, wobei die Arme 81 des T-Profils in bikonvexer Weise gewölbt sind, um eine Gelenkverbindung des T-Profils in der genannten Nut mit begrenztem Spiel zu ermöglichen, wenn der Arm 2 durch den Kolben 8 verstellt wird.
• Vorzugsweise umfasst der Antrieb 1 die nachfolgend beschriebenen Steuerungseinrichtungen 10 zum Verstellen jedes der Kolben 8 aufgrund der Druckdifferenz in der Bohrflüssigkeit zwischen zwei Orten in der Flüssigkeitsströmung sowie Synchronisiereinrichtungen 11 für die Kolben 8, damit diese gleichzeitig mit derselben Amplitude und derselben Richtung zwischen der Ruheposition und der aktiven Position so verstellt werden, dass der Bohrkopf 3 im Verlauf des Bohrvorgangs so keaxial wie möglich im Loch gehalten wird, und zwar selbst dann, wenn es dem Loch an Kreisform fehlt, und auf solche Weise, dass bekannten Querkräften entgenengewoirkt wird, denen der Kopf 3 im Verlauf eines Bohrvorgangs unterworfen ist.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verlaufen die Längsachsen 12 der Kolben 8 tangential zu einem fiktiven Zylinder koaxial zum Kopf 3, und die drei Achsen 12 liegen in vorteilhafter Weise, zumindest im Fall des in den Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispiels, in der Schnittebene der Figur 2, rechtwinklig zur Längsachse 4. Zum Beispiel kann eine zweite Gruppe (nicht dargestellt) von drei Kolben 8 im selben Kopf 3 so ausgebildet sein, dass ihre Achsen 12 ebenfalls in einer anderen Ebene parallel zur obengenannten Schnittebene liegen.
• Die Bohrflüssigkeit kann unmittelbar auf die Kolben 8 einwirken. Jedoch ist es bevorzugt, wie dies bereits oben erwähnt wurde und wie es nachfolgend deutlich wird, dass die Bohrflüssigkeit indirekt, zumindest von einer Seite her, auf die Kolben 8 einwirkt. Zu diesem Zweck verfügen die Steuerungseinrichtungen über einen Ringkolben 13 mit derselben Achse 4 wie der des Kopfs 3, der in einem Zylinder 14 eingerichtet ist, der im letzteren ausgebildet ist. Die Verstellung des Ringkolbens 13 wird zum Beispiel durch zwei geeignete Sicherungsringe 15 begrenzt, die im Zylinder 14 angeordnet sind. Der Ringkolben 13 trägt eine hohle Führungsstange 16, die an ihrer Außenfläche mit zwei ringförmigen Dichtungsstellen 17 und 18 versehen ist, deren Rolle nachfolgend erläutert wird.
• Der Ringkolben 13 verfügt über einen axialen Kanal 20, der so ausgebildet ist, dass die Bohrflüssigkeit zu den verschiedenen Mundstücken des Bohrkopfs 3 fließen kann. Der Einlass dieses Kanals 20, entsprechend der Fließrichtung der Bohrflüssigkeit (Pfeil 19) bildet eine kegelstumpfartige Fläche 21, deren Durchmesser sich in der Richtung des Pfeils 19 verringert. Diese kegelstumpfförmige Fläche 21, wie auch die Endfläche 22 des Ringkolbens 13, die stromaufwärts liegt, dienen dazu, den Druck der Bohrflüssigkeit aufzufangen, die den Ringkolben 13 durchsetzt.
• Der Ringkolben 13 trägt außerdem eine Ringfläche 23, zum Beispiel parallel zur Endfläche 22, die dieser Fläche 22 in bezug auf die Abdichtungsverbindung 18 gegenüberliegt und die ein Volumen eines Hydrauliköls begrenzt, das im Zylinder 14 enthalten ist, um die letztere aus dem Zylinder 14 herauszudrücken, wenn die Bohrflüssigkeit durch ihren Druck den Ringkolben 13 in der Richtung des Pfeils 19 verschiebt. Gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figuren sind der Zylinder 14 und die Kammern 9 der Kolben 8 miteinander verbunden, damit das aus diesem Zylinder 14 herausgedrückte Hydrauliköl für eine Verstellung jedes Kolbens 8 sorgt, um jeden Arm 2 in eine aktive Position zu verschwenken. Die ringförmigen Abdichtungsverbindungen 17 und 18 verhindern, dass das Hydrauliköl aufgrund des auf ihn ausgeübten Drucks in die Bohrflüssigkeit ausleckt.
• Die obengenannte Synchronisiereinrichtung 11 verfügt gemäß der Erfindung vorzugsweise über eine aus einem Stück gefertigte Zahnstange 24 in jedem Kolben 8, die in Eingriff mit einem Zahnkranz 25 koaxial zum Bohrkopf 3 steht.
• In vorteilhafter Weise ist der Zahnkranz 25 gemäß der Erfindung in einer dichten Kammer 26 untergebracht, die sich in der Verlängerung des Zylinders 14 auf der stromabwärtigen Seite des letzteren in bezug auf die Fließrichtung der Bohrflüssigkeit befindet. Der Zahnkranz 25 dreht sich demgemäß frei um die Kolbenstange 16, die ihm als Drehlager dient, und zwar als Funktion einer Verstellung der Kolben 8. Bei der in Figur 1 dargestellten Anordnung ist der Zahnkranz 25 axial positioniert, und zwar einerseits durch einen Ring 27, der durch die obengenannten Sicherungsringe 15 gehalten wird, plaziert auf der stromabwärtigen Seite des Zylinders 14, und andererseits durch den Boden der Kammer 26, die auf der stromabwärtigen Seite derselben liegt. Die ringförmige Dichtungsverbindung 17 liegt auf der Kolbenstange 16 an der stromabwärtigen Seite des Bodens der Kammer 26 in einer geeigneten, dichten Führungsbohrung für diese Kolbenstange 16. Das obengenannte Hydrauliköl füllt demgemäß auch die Kammer 26 und dient als Schmiermittel für die Drehung und den Eingriff des Zahnkranzes 25. Außerdem stellt die Kammer 26 für das Öl die Verbindung zwischen dem Zylinder 14 und den Böden der Kammern 9 hinsichtlich der Seite dar, die von den Stangen 80 der Kolben 8 abgewandt ist.
• Vorzugsweise ist jeder Kolben 8 gemäß der Erfindung ganz der Einwirkung des Hydrauliköls unterworfen, d. h., dass zum Beispiel durch den Kolben 8 hindurch eine Leitung 27 ausgebildet ist (Figur 2, rechter Kolben), damit das Hydrauliköl auf beiden Seiten des Kolbens 8 in der Kammer 9 vorhanden ist, und auch, aufgrund des Funktionsspiels, an der Seitenfläche des Kolbens 8. So ist für eine Schmierung des Kolbens 8 gesorgt, und so ist ein Eintreten der Bohrflüssigkeit in die Kammern 9 beim Zurückziehen der Kolben 8 in diese verhindert. Diese Kammer 9 ist in bezug auf das Äußere des Bohrkopfs 3 durch einen für sich bekannten Verschlussflansch 28 abgedichtet, der mit einer ringförmigen Dichtverbindung 29 zwischen sich und dem Kopf 3 sowie mit einer ringförmigen Dichtung 30 zwischen sich und der Kolbenstange 80 versehen ist.
• In vorteilhafter Weise trägt jeder Kolben 8 um seine Stange 80 herum, mit einem Querschnitt, der unter dem dem Kolben 8 entsprechenden Schnitt liegt, eine Rückstellfeder 31 mit vorbestimmter Kraft. Diese Feder 31 liegt am Flansch 28 an, um den Kolben 8 in die Ruheposition zu drücken, wenn der Druck der Bohrflüssigkeit nicht dazu ausreicht, die Kraft dieser Feder 31 zu überwinden.
• Im Betrieb des Bohrkopfs 3 erzeugt die Bohrflüssigkeit am Ort ihres Flusses stromaufwärts bezüglich des Ringkolbens 13 einen Druck, der höher als der am Ort ihres Fließens im gebohrten Loch zwischen dem Bohrkopf 3 und der Wand des Lochs ist. Diese Druckdifferenz, wie sie auf die Kegelstumpffläche 21 und auch die Außenfläche 22 wirkt, sorgt für eine Verstellung des Ringkolbens 13 in der Richtung des Pfeils 19, ausgehend von der in den Figuren dargestellten Ruheposition. Durch seine Verstellung vertreibt der Ringkolben 13 Hydrauliköl, wie es im Zylinder 14 enthalten ist, über die Kammer 26 in die drei Kammern 9. Die so verdrängte Ölmenge verschiebt, um ein Aufnahmevolumen auszubilden, jeden der Kolben 8 aus deren Kammern 9 zum Äußeren des Bohrkopfs 3, wobei das auf der Seite der Stangen 80 in den Kammern 9 befindliche Öl automatisch über die Leitungen 27 zur Seite der Böden der Kammern 9 geleitet wird, um dort zur verdrängten Ölmenge beizutragen und um so für ein noch stärkeres Herausfahren der Kolben 8 zu sorgen. Die Kolben 8 drücken auf die entsprechenden Arme 2, bis diese in Kontakt mit der Wand des gebohrten Lochs stehen. Der Zahnkranz 25 und die Zahnstangen 24 sind so ausgebildet, dass die drei Arme während dieser Bewegung gleichzeitig und mit derselben Amplitude verstellt werden, damit sie dadurch, dass sie alle drei zur Anlage an der genannten Wand kommen, den Bohrkopf 3 in der Lochachse halten oder auf diese zurückführen. Durch die Dimensionierung der Flächen 21, 22, unter dem Druck der Bohrflüssigkeit und unter der Kraft der Federn 31, ist es möglich, die Kraft der Stabilisatorarme 2 so einzustellen, dass schädlichen Querkräften entgegengewirkt wird, denen der Kopf 3 im Verlauf des Bohrvorgangs unterworfen ist und die versuchen, ihn zur Seitenwand des Lochs zu wälzen.
• Die Hübe und die Abmessungen der realisierten Elemente können vom Fachmann leicht berechnet werden.
• Für einen Bohrkopf 3 mit einem Nenndurchmesser von 8 1/2 Zoll (215,9 mm) und für eine Druckdifferenz von 100 psi (0,689 MPa) kann, wenn ein einziger Arm 2 mit der Lochwand in Kontakt steht, eine Kraft von 180 kg (1764 N) am Ende dieses Arms 2 erhalten werden, und wenn die drei Arme 2 mit der Wand in Kontakt stehen, kann eine Kraft von 60 kg (588 N) am Ende jedes Arms 2 erhalten werden, und zwar durch den Eingriff zwischen dem Zahnkranz 25 und den drei Kolben 8 mit Zahnstange 24.
• Die Arme 2 können Überzüge gegen Abnutzung sowie Formen aufweisen, die am besten an das Loch im Verlauf eines Bohrvorgangs angepasst sind.

Claims (6)

1. Antrieb (1) für mindestens zwei Stabilisatorarme (2) für eine Bohrloch- oder Kernbohrvorrichtung, insbesondere von Stabilisatorarmen (2) in einem Bohr- oder Kernbohrkopf (3), wobei jeder Arm (2) in bezug auf den anderen am Umfang des Kopfs (3) versetzt ist und ein Ende aufweist, das um eine Achse (6) parallel zur Achse (4) des Bohrkopfs (3) in solcher Weise verschwenkbar ist, dass das freie Ende (7) des Arms (2) stromaufwärts zur Schwenkachse (3) in bezug auf die Drehrichtung (77) des Kopfs (3) im Verlauf eines Bohrvorgangs liegt, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb pro Arm (2) folgendes aufweist: einen Kolben (8), der so ausgebildet ist, dass er den Arm (2) um die obengenannte Achse (6) verschwenkt, damit das freie Ende (7) des Arms (2) zwei Extrempositionen einnimmt, nämlich eine erste Position, die als Ruheposition bezeichnet wird, in der der Arm im Kopf (3) liegt, und eine zweite Position, die als aktive Position bezeichnet wird, in der das genannte freie Ende (7) in bezug auf den Kopf (3) vorspringt; Steuerungseinrichtungen (10) und Synchronisiereinrichtungen (11), die jeweils so ausgebildet sind, dass sie die Kolben (8) aufgrund der Bohrflüssigkeit verstellen, damit die Kolben (8) im wesentlichen gleichzeitig in 20 derselben Richtung und mit derselben Amplitude arbeiten.

2. Antrieb (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachsen (12) der Kolben (8) Tangenten an einen fiktiven, koaxial zum Kopf (3) liegenden Zylinder bilden, wobei sie vorzugsweise in mindestens einer Ebene quer zur Achse (4) des Bohrkopfs (3) liegen.

-3. Antrieb (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtungen (10) der Kolben (8) einen koaxial zum Kopf (3) liegenden Ringkolben (13) aufweisen, der so ausgebildet ist, dass er ihrer gemeinsamen Achse (4) folgend in einem Zylinder (14) verstellt werden kann, der im Kopf (3) ausgebildet ist und einerseits so profiliert ist, dass er durch die Bohrflüssigkeit betätigt werden kann und andererseits, zum Einwirken auf eine Flüssigkeit, die jeden der obengenannten Kolben (8) betätigt und die im Zylinder (14) in Verbindung mit den Kammern (9) der Kolben (8) enthalten ist.

4. Antrieb (1) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisiereinrichtungen (11) eine auf jeden der Kolben (8) einwirkende Zahnstange (24) und einen Zahnkranz (25) aufweisen, der koaxial zum Kopf (3) ist, und mit allen den Kolben (8) zugeordneten Zahnstangen (24) kämmt.

5. Antrieb (1) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zahnkranz (24) auf solche Weise um den Ringkolben (13) herum angebracht ist, dass er sich frei um diesen drehen kann, und er in einer dichten Kammer (26) untergebracht ist, die mit den Kammern (9) der Kolben (8) und mit dem genannten Zylinder (14) in Verbindung steht.

6. Antrieb (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (9) jedes Kolbens (8) und/oder der letztere so ausgebildet sind, dass der Kolben (8) ganz der Fluideinwirkung unterworfen ist, wobei der Querschnitt der Kolbenstange (80) vorzugsweise kleiner als der entsprechende Schnitt des Kolbens (8) ist.