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Dokumentenidentifikation DE3101052C2 12.10.1989
Titel Bohrturbine
Anmelder Ruhrkohle AG, 4300 Essen, DE
Erfinder Lautsch, Hermann, Prof. Dr.-Ing., 4350 Recklinghausen, DE
Vertreter Frühbuss, H., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat., Pat.-Anw., 8032 Gräfelfing
DE-Anmeldedatum 15.01.1981
DE-Aktenzeichen 3101052
Offenlegungstag 05.08.1982
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 12.10.1989
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.10.1989
IPC-Hauptklasse E21B 4/02
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Bohrturbine, insbesondere für Seilkernbohrungen mit einem eine Bohrkrone tragenden und gegenüber dem das Bohrgestänge bildenden Außenrohr sich drehenden, als Rotor ausgebildeten Innenrohr, das zur Beaufschlagung innerhalb eines Ringraumes, beispielsweise mit einer Spülflüssigkeit, auf seiner Oberfläche passive Antriebselemente wie Schaufelräder oder Spiralen aufweist. Zur Erhöhung des Drehmomentes sind innerhalb des Bohrgestänges (1) zwei ineinander angeordnete, sich gegenläufig drehende Rotoren (2, 3) mit entsprechenden passiven Antriebselementen (4, 5) vorgesehen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Bohrturbine, insbesondere für Seilkernbohrungen, mit einem eine Bohrkrone tragenden und gegenüber dem das Bohrgestänge bildenden Außenrohr sich drehenden, als Rotor ausgebildeten Innenrohr, das zur Beaufschlagung innerhalb eines Ringraumes beispielsweise mit einer Spülflüssigkeit auf seiner Oberfläche passive Antriebselemente, wie Schaufelräder oder Spiralen, aufweist.

Bohrturbinen der eingangs genannten Gattung bohren beim Erstellen eines Kernes einen Ringraum frei, und der stehenbleibende Gesteinskern wird im Kernrohr für Untersuchungszwecke zutage gehoben. Die durch Spülflüssigkeiten angetriebenen Turbinen haben im Vergleich zum konventionellen Bohrantrieb den Nachteil, daß sie nur ein geringes Drehmoment aufbringen können (Oil and Gas Journal, November 7, 1955, S. 97-99).

Demgegenüber hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, eine Bohrturbine zu schaffen, die es auf einfache Weise ermöglicht, das für das Abbohren erforderliche Drehmoment erheblich zu steigern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß innerhalb des Bohrgestänges zwei ineinander angeordnete, sich gegenläufig drehende Rotoren mit entsprechenden passiven Antriebselementen vorgesehen sind.

Es erweist sich im Rahmen der Erfindung als besonders vorteilhaft, daß die Rotoren mit jeweils einer Bohrkrone versehen sind, wobei mindestens die äußere Bohrkrone ringförmig ausgebildet ist. Ebenso erweist es sich als vorteilhaft, daß die Rotoren an dem der Bohrkrone abgewandten Ende eine durch mehrere über den Umfang verteilt angeordnete, in den durch den Abstand der Rotoren sich ergebenden Ringraum hineinragende Ritzel gebildete Führung aufweisen.

Weitere Vorteile der Erfindung sind in den Unteransprüchen näher beschrieben.

Der technische Fortschritt der Erfindung ist im wesentlichen darin begründet, daß die entgegengesetzt rotierenden Turbinen sich in ihrer Wirkung gegenseitig unterstützen und daß eine Rückkopplung der bei den an der Ortsbrust abgegebenen Aktionsmomenten entstehenden Reaktionsmomenten durch Ritzel erfolgt, deren Achsen im nicht rotierenden Vorschubgestänge verlagert sind. Durch die entgegengesetzte Richtung der tangentialen Schneidkräfte werden die durch die tangentialen Schneidkräfte und den hieraus entstehenden Reaktionskräften bewirkten Richtungsänderungen verkleinert.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht der erfindungsgemäßen Bohrturbine, teilweise geschnitten,

Fig. 2 einen Schnitt nach den Linien X-X der Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt nach den Linien Y-Y der Fig. 1, und

Fig. 4 einen Schnitt nach den Linien Z-Z.

Die Bohrturbine, die im wesentlichen aus zwei gegeneinander rotierenden Rotoren 2 und 3 besteht, die vom Bohrgestänge 1 umgeben sind, ist in dem in Fig. 1 in einer Seitenansicht dargestellten Ausführungsform in einem im Gebirge 12 niedergebrachten Bohrloch angeordnet. Sowohl der innenliegende Rotor 3, als auch der außenliegende Rotor 2, die miteinander den Ringraum 8 bilden, sind mit sogenannten passiven Antriebselementen auf ihrer Oberfläche besetzt.

Wie in dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 3 zu ersehen ist, handelt es sich bei den Antriebselementen um Spiralen 4, 5, die so auf den Rotoren 2, 3 angebracht sind, daß sich diese unter Einwirkung einer unter Druck niedergebrachten Spülflüssigkeit jeweils in entgegengesetzter Richtung drehen.

An dem dem Bohrlochtiefsten abgewandten Ende sind die Rotoren 2, 3 auf Ritzeln 14 gelagert, deren Achsen 16 in Halterungen 15 gelagert sind, die mit dem sich nicht drehenden Bohrgestänge 1 fest verbunden sind. Durch die Lagerung der Rotoren 2, 3 auf den Ritzeln 14, die über den Umfang verteilt angeordnet sind, unterstützen sich, wie aus der Fig. 2 zu entnehmen ist, wo durch Pfeile die Drehrichtungen angegeben sind, die Rotoren 2, 3 in ihrer Drehrichtung.

Sowohl der innere Rotor 3, als auch der äußere Rotor 2 sind mit einer Bohrkrone 6 bzw. 7 ausgerüstet. In dem in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel, insbesondere nach Fig. 1, handelt es sich um eine Bohrkrone, die zum Freibohren eines Kernes erforderlich ist. Es ist jedoch auch vorstellbar, daß auch ein Meißelbohrkopf über diese Bohrturbine angetrieben werden kann. Die Bohrkrone 6 und auch die Bohrkrone 7, die in entgegengesetzten Richtungen entsprechend den Rotoren 2, 3 sich drehen, sind jeweils ringförmig ausgebildet. Das Spülmittel, das die Rotoren 3, 2 über die Spiralen 4, 5 antreibt, wird über die Ringräume 8, 9 in Richtung auf das Bohrlochtiefste 13 geführt, wobei sich der Druck durch die Abgabe der Energie an die Spiralen 4, 5 im Bereich der Bohrkrone 6, 7 vermindert. Die Flüssigkeit wird über den Ringraum 8 im Bereich der Bohrkrone 6, 7 über die Bohrungen 22 bzw. 23 durch die Bohrkrone 6, 7 hindurchgeführt und fördert auf dem Rückweg, wie die Pfeile im Bereich der Bohrkrone 6, 7 wiedergeben, das Bohrklein über den Ringraum 10, der durch das Bohrgestänge 1 und die Bohrlochwandung 11 gebildet wird, zutage.

Zwischen den Bohrkronen 6, 7 wird ein Ringraum 25 gebildet, der erforderlich ist, um ein gleichmäßiges Abführen des Bohrkleins bzw. der Spülflüssigkeit zu gewährleisten. Wenn beispielsweise zwischen der äußeren Bohrkrone 7 und der Bohrlochwandung 11 keine Durchflußmöglichkeit besteht, so wird die Flüssigkeit über den Zwischenraum 25 und die Bohrungen 24 abgeführt. Der Ringraum 8 weist der Bohrkrone 6, 7 nachgeschaltet und rechtwinklig zur Vortriebsrichtung, die durch den Pfeil A wiedergegeben ist, Öffnungen 20 auf. In der gleichen Richtung und in der gleichen Ebene weist der Ringraum 9 in Richtung auf die Bohrlochwandung 11 Öffnungen 21auf. Die Öffnungen 21 weisen einen größeren Querschnitt auf als die Öffnungen 20. Die Öffnungen gewährleisten, daß die Flüssigkeit, wenn die Bohrungen 22, 23 verstopft sind, abgeführt werden können. Da im Bereich des Ringraums 9 durch die aus dem Ringraum 8 eintretende Flüssigkeit bei Verstopfung zusätzliche Flüssigkeit hinzugerechnet werden muß, ist die Öffnung zum äußeren Ringraum 10 noch größer im Querschnitt, da sonst ein Rückstau über die Ringräume 8, 9 zu erwarten ist und somit die Funktion der Turbine nicht gewährleistet werden kann. Im Bereich der Bohrkrone 6, 7 sind die Rotoren 2, 3 durch Führungslager in Form von Gleitlagern 17 gelagert. Um eine stabile Lage der Rotoren 2, 3 zu gewährleisten, weist der äußere Rotor 2 im Übergang zur äußeren Bohrkrone 7 eine besondere Lagerfläche 18 auf. Gegenüber dieser Lagerfläche 18 sind an dem Bohrgestänge 1 Dichtungen 19 angeordnet. Die innere Bohrkrone 6 ist gegenüber der äußeren Bohrkrone 7 ebenfalls drehbar gelagert, wie das durch die Lager 26 in Fig. 1 angedeutet ist.

In dem Schnitt nach den Linien Y-Y ist in Fig. 3 dargestellt, wie die Rotoren 2, 3 gegenüber dem Bohrgestänge 1 im Bereich hinter der Bohrkrone 6, 7 gelagert sind.

In Fig. 4 ist nach den Linien Z-Z in einem Ausführungsbeispiel die Anordnung der Bohrungen 22, 23, 24 wiedergegeben, welche zur Abführung der Spülflüssigkeit und des Bohrkleins erforderlich sind. Die Bohrturbine, wie sie in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben ist, ist aufgrund der entgegengesetzten Richtung der tangentialen Schneidkräfte sehr gut geeignet für flözgängige Bohrungen. In derartigen Fällen bei der Forderung der Flözgängigkeit einer Bohrturbine ist es zweckmäßig, diese nach den bekannten Prinzipien der flözgängigen Bohrtechnik auszubilden.

1 Bohrgestänge

2 Rotor

3 Rotor

4 Spiralen

5 Spiralen

6 Bohrkrone

7 Bohrkrone

8 Ringraum

9 Ringraum

10 Ringraum

11 Bohrlochwandung

12 Gebirge

13 Bohrlochtiefste

14 Ritzel

15 Halterungen

16 Achsen

17 Führungslager

18 Lagerfläche

19 Dichtung

20 Öffnung

21 Öffnung

22 Bohrung

23 Bohrung

24 Bohrung

25 Zwischenraum

26 Lager


Anspruch[de]
  1. 1. Bohrturbine, insbesondere für Seilkernbohrungen, mit einem eine Bohrkrone tragenden und gegenüber dem das Bohrgestänge bildenden Außenrohr sich drehendem, als Rotor ausgebildeten Innenrohr, das zur Beaufschlagung innerhalb eines Ringraumes beispielsweise mit einer Spülflüssigkeit auf seiner Oberfläche passive Antriebselemente, wie Schaufelräder oder Spiralen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Bohrgestänges (1) zwei ineinander angeordnete sich gegenläufig drehende Rotoren (2, 3) mit entsprechenden passiven Antriebselementen (4, 5) vorgesehen sind.
  2. 2. Bohrturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotoren (2, 3) mit jeweils einer Bohrkrone (6, 7) versehen sind, wobei mindestens die äußere Bohrkrone (7) ringförmig ausgebildet ist.
  3. 3. Bohrturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotoren (2, 3) an dem der Bohrkrone (6, 7) abgewandten Ende eine durch mehrere über den Umfang verteilt angeordnete, in den durch den Abstand der Rotoren (2, 3) sich ergebenden Ringraum (8) hineinragende Ritzel (14) gebildete Führung aufweisen.
  4. 4. Bohrturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen (16) der Ritzel (14) innerhalb des Bohrgestänges (1) angeordneten Halterungen (15) gelagert sind.
  5. 5. Bohrturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Rotoren (2, 3) in geringem Abstand von der Bohrkrone (6, 7) Führungslager in Form von Gleitlagern (17) vorgesehen sind.
  6. 6. Bohrturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Rotor (2) unter Bildung einer besonderen Lagerfläche (18) an dem in die Bohrkrone (6, 7) übergehenden Ende gegenüber dem Bohrgestänge (1) gelagert ist.
  7. 7. Bohrturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von dem durch die Rotoren (2, 3) gebildeten Ringraum (8) und von durch den Rotor (2) und das Bohrgestänge (1) gebildeten Ringraum (9) als Verbindung zu dem durch das Bohrgestänge (1) mit der Bohrlochwandung (11) gebildeten Ringraum (10) senkrecht zur Vortriebsrichtung und in gleicher Ebene Öffnungen (20, 21) vorgesehen sind, wobei die äußere Öffnung einen größeren Querschnitt aufweist.
  8. 8. Bohrturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen den Rotoren (2, 3) angeordnete Ringraum (8) im Bereich der Bohrkrone (6, 7) mehrere durch die Bohrkrone (6, 7) geführte Bohrungen (22, 23, 24) aufweist.
  9. 9. Bohrturbine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (22) in axialer Verlängerung des Ringraumes (8) in der mit dem Rotor (3) verbundenen Bohrkrone (6) in Richtung auf das Bohrlochtiefste (13) verlaufend angeordnet sind.
  10. 10. Bohrturbine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (23) vom Ringraum (8) in Richtung auf das Bohrlochtiefste (13) in der ringförmig ausgebildeten Bohrkrone (7) verlaufend angeordnet sind.
  11. 11. Bohrturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von dem zwischen den Bohrkronen (6, 7) gebildeten Zwischenraum (25) Bohrungen (24) in den zwischen Bohrlochwandung (11) und Bohrgestänge (1) gebildeten Ringraum (10) vorgesehen sind.






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