DE69229963T2

DE69229963T2 - Verbesserungen in Bezug auf richtungsgesteuerte Rotationsbohrsysteme

Info

Publication number: DE69229963T2
Application number: DE69229963T
Authority: DE
Inventors: John Denzil Barr; Michael King Russell
Original assignee: Camco Drilling Group Ltd
Current assignee: Camco Drilling Group Ltd
Priority date: 1991-06-25
Filing date: 1992-06-23
Publication date: 2000-04-20
Anticipated expiration: 2012-06-24
Also published as: DE69211229T2; CA2072228A1; NO982258L; DE69229963D1; GB2285651A; NO304802B1; GB2257182A; EP0520733A1; NO922473L; AU666850B2; NO307099B1; EP0520733B1; EP0677640B1; GB2285651B; AU1851192A; GB9213253D0; GB9506053D0; DE69211229D1; GB2257182B; US5265682A

Description

Die Erfindung betrifft steuerbare Rotarybohrsysteme.
Wenn Löcher in unterirdischen Formationen gebohrt oder gekernt werden sollen, ist es manchmal wünschenswert, daß man in der Lage ist, die Richtung des Bohrens zu verändern und zu steuern, um beispielsweise das Bohrloch in Richtung eines gewünschten Zieles zu lenken, oder um die Richtung horizontal innerhalb der Zone des bauwürdigen Erzes zu steuern, sobald das Ziel erreicht wurde. Es kann ebenfalls wünschenswert sein, Abweichungen von der gewünschten Richtung zu korrigieren, wenn ein geradliniges Loch gebohrt wird, oder die Richtung des Loches zu steuern, um Hindernisse zu vermeiden.
"Rotarybohren" wird als ein System definiert, bei dem eine Bohrbaugruppe, die den Bohrmeißel umfaßt, mit einem Bohrgestänge verbunden wird, das drehbar von der Bohrplattform aus angetrieben wird. Die festgelegten Verfahren der Richtungssteuerung während des Rotarybohrens umfassen Veränderungen hinsichtlich der Bohrmeißelmasse, der Umdrehungen je Minute und der Stabilisierung. Die Richtungssteuerung, die mittels dieser Verfahren ausgeübt werden kann, ist jedoch beschränkt und steht im Widerspruch zur Optimierung der Bohrmeißelleistung. Bisher erforderte daher ein vollständig steuerbares Richtungsbohren normalerweise, daß der Bohrmeißel mittels eines Bohrlochsohlenmotors gedreht wird, entweder einer Turbine oder eines Verdrängermotors. Der Bohrmeißel kann dann beispielsweise mit dem Motor mittels einer Doppelkippeinheit gekuppelt werden, wodurch die Mittelachse des Bohrmeißels zur Achse des Motors geneigt wird. Während des normalen Bohrens wird die Wirkung dieser Neigung durch eine anhaltende Drehung des Bohrgestänges, und daher des Motorgehäuses, aufgehoben, während der Bohrmeißel durch den Motor gedreht wird. Wenn eine Veränderung der Richtung des Bohrens erforderlich ist, wird die Drehung des Bohrgestänges unterbrochen, wobei der Bohrmeißel in der erforderlichen Richtung gekippt wird. Die fortgesetzte Drehung des Bohrmeißels durch den Motor bewirkt dann, daß der Bohrmeißel in jener Richtung bohrt.
Die augenblickliche Rotationsausrichtung des Motorgehäuses wird durch Vermessungsgeräte gemessen, die angrenzend am Motor getragen werden, und die erforderliche Rotationsausrichtung des Motorgehäuses für das Bohren in der geeigneten Richtung wird durch die Rotationspositionierung des Bohrgestänges von der Bohrplattform aus als Reaktion auf die Information eingestellt, die in Signalen von den Bohrlochvermessungsgeräten empfangen wird. Eine gleiche Wirkung bei der Verwendung einer Doppelkippeinheit kann durch Verwendung eines "gebogenen" Motors, einer "gebogenen" Teilbaugruppe über oder unter dem Motor oder einer versetzten Stabilisierungseinrichtung auf der Außenseite des Motorgehäuses bewirkt werden. In jedem Fall wird die Wirkung während des normalen Bohrens durch die anhaltende Drehung des Bohrgestänges aufgehoben, wobei eine derartige Drehung unterbrochen wird, wenn eine Abweichung der Bohrrichtung erforderlich ist.
Obgleich derartige Anordnungen gestatten, daß ein genau gesteuertes Richtungsbohren bewirkt wird, indem ein Bohrlochsohlenmotor eingesetzt wird, um den Bohrmeißel anzutreiben, gibt es Gründe dafür, weshalb das Rotarybohren bevorzugt werden soll.
Daher ist das Rotarybohren im allgemeinen weniger kostspielig als das Bohren mit einem Bohrlochsohlenmotor. Nicht nur die Motoreinheiten selbst sind kostspielig und erfordern eine periodische Auswechselung oder Instandsetzung, sondern auch das höhere Drehmoment bei niedrigeren Umdrehungsgeschwindigkeiten, das durch das Rotarybohren gestattet wird, bewirkt eine verbesserte Bohrmeißelleistung und daher niedrigere Bohrkosten pro Fuß.
Beim gesteuerten Motorbohren kann ebenfalls eine beträchtliche Schwierigkeit hinsichtlich des genauen Anordnens des Motors in der erforderlichen Rotationsausrichtung infolge der Ruckgleitdrehung des Bohrgestänges im Bohrloch zu verzeichnen sein, während Versuche unternommen werden, den Motor durch Drehen des Bohrgestänges von der Oberfläche aus auszurichten. Die Rotationsausrichtung des Motors wird ebenfalls durch das Aufwickeln im Bohrgestänge beeinflußt, das entsprechend dem gegenwirkenden Drehmoment vom Motor und der Winkelübereinstimmung des Bohrgestänges variieren wird.
Dementsprechend wurde den Anordnungen für das Zustandebringen eines vollständig steuerbaren Rotarybohrsystems eine gewisse Aufmerksamkeit gewidmet.
Beispielsweise beschreibt die Patentspezifikation Nr. WE090/05235 ein steuerbares Rotarybohrsystem, bei dem der Bohrmeißel mit dem unteren Ende des Bohrgestänges mittels eines Universalgelenkes gekuppelt ist, das gestattet, daß sich der Bohrmeißel relativ zur Gestängeachse dreht. Der Bohrmeißel wird in einer Bahn von konstantem Radius gegengeneigt und mit einer Geschwindigkeit, die der Bohrgestängedrehung gleicht, aber in entgegengesetzter Richtung. Diese geschwindigkeitsgesteuerte und phasengesteuerte Neigung des Bohrmeißels hält die Bohrmeißelrichtung außeraxial in einer unveränderlichen Richtung.
Die Britische Patentspezifikation Nr. 2246151 beschreibt eine alternative Form des steuerbaren Rotarybohrsystems, bei dem ein asymmetrischer Bohrmeißel mit einem Bohrhammer gekuppelt ist. Die Richtung des Bohrloches wird durch Auswählen einer speziellen Phasenbeziehung zwischen der Drehung des Bohrmeißels und dem periodischen Betrieb des Bohrhammers ausgewählt.
Das abgeänderte U. S. Patent Nr. Re 29526 beschreibt ein steuerbares Rotarybohrsystem, bei dem ein Pendel im Bohrrohr nahe des Bohrmeißels montiert ist, um eine vertikale Position in der Azimutalebene des Bohrrohres anzunehmen. Wenn die Position des Pendels so ist, daß die Neigung des Bohrrohres nicht einen vorgewählten Wert zeigt oder die Azimutalrichtung des Rohres nicht die vorgewählte Richtung ist, wird auf den Bohrmeißel eine seitliche Kraft aufgebracht, um ihn zu zwingen, in einer Richtung zu bohren, die das Bohrrohr zur vorgewählten Neigung oder Azimutalrichtung zurückführen wird. Das Pendel und sein zugehöriger Apparat sind gegen Rollen stabilisiert, d. h., sie werden in der Richtung gedreht, die der Richtung entgegengesetzt ist, in der das Bohrrohr gedreht wird, und mit der gleichen Geschwindigkeit, so daß das Pendel im wesentlichen relativ zur Erde nicht rotierend ist.
Bei allen vorangehend beschriebenen Anordnungen ist es erforderlich, um die erforderliche Steuerung zu bewirken, daß man in der Lage ist, kontinuierlich die augenblickliche Rotationsausrichtung des sich drehenden Bohrmeißels (oder in der Praxis einer Schwerstange oder eines anderen drehbaren Teils, das damit verbunden ist) zu ermitteln, da die Rotationsausrichtung des Bohrmeißels zu irgendeinem Zeitpunkt ein wesentlicher Eingabeparameter für das Steuersystem ist. Die augenblickliche Rotationsausrichtung des Bohrmeißels kann von der Bohrgeräteausstattung abgeleitet werden, aber es entstehen Probleme beim Ableiten von Signalen, die die augenblickliche Rotationsposition des Bohrmeißels mit der erforderlichen Genauigkeit anzeigen, da derartige Signale dazu neigen, durch Hochfrequenzschwingungen stark verändert zu werden, die sich aus der Drehung des Bohrgestänges ergeben.
In dem Fall, wo das Bohrgestänge durch einen Bohrlochsohlenmotor angetrieben wird, wie vorangehend erklärt wird, wird die Drehung des Bohrgestänges unterbrochen, wenn eine Abweichung der Bohrrichtung erforderlich ist. Die Bohrgeräteausstattung ist daher nicht rotierend, wenn die Rotationsausrichtung der Schwerstange gemessen wird. Dementsprechend verändern sich die Signale von den Bohrgeräten nicht (oder sie verändern sich nur langsam), und jegliche starke Veränderung der Signale durch eine Hochfrequenzschwingung kann daher leicht ausgefiltert werden. Ein derartiges Filtern kann durch elektronisches Verarbeiten der Signale oder durch Verwendung von Geräten bewirkt werden, die an sich nicht auf eine Hochfrequenzschwingung ansprechen. Die Rotationsausrichtung der Schwerstange kann daher leicht bei Verwendung von Signalen von Meßfühlern in der Form von Triaden von gegenseitig orthogonalen linearen Beschleunigungsmessern oder Magnetometern berechnet werden.
Bei vielen Ausführungen des steuerbaren Rotarysystems müssen die Messungen der augenblicklichen Rotationsausrichtung der Schwerstange jedoch kontinuierlich vorgenommen werden, während sich die Schwerstange dreht, und im Ergebnis dessen kann eine wesentliche Schwierigkeit beim Erhalten der Signale von den Meßfühlern auftreten, die durch eine Hochfrequenzschwingung nicht stark verändert werden, oder beim Ausfiltern einer derartigen starken Veränderung.
Im Hinblick auf das Drehen der Schwerstange betrifft die hauptsächliche Wahl, daß die Gerätebaugruppe, die die Meßfühler umfaßt, an der Schwerstange befestigt ist und sich damit dreht (ein sogenanntes "unten angeschnalltes" System), oder daß die Gerätebaugruppe im wesentlichen stationär bleibt, während sich die Schwerstange um diese dreht (ein sogenanntes "gegen Rollen stabilisiertes" System). Die vorliegende Erfindung betrifft gegen Rollen stabilisierte Systeme und Ausrüstungen, um verbesserte Formen von derartigen Systemen in steuerbaren Rotarybohrsystemen bereitzustellen.
Entsprechend der Erfindung wird ein steuerbares Rotarybohrsystem bereitgestellt, das eine gegen Rollen stabilisierte Gerätebaugruppe aufweist, die aufweist: eine Abtriebssteuerwelle deren Rotationsausrichtung eine gewünschte Steuerrichtung verkörpert; eine Bohrlochsohlenbaugruppe, die eine Bohrmeißelkonstruktion umfaßt; und eine synchrone modulierte Steuereinheit, die umfaßt; eine Einrichtung für das Anwenden einer Verschiebung auf die Bohrmeißelkonstruktion, die eine seitliche Komponente unter rechtem Winkel zur Drehungsachse der Bohrmeißelkonstruktion aufweist; eine Einrichtung, die durch die Drehung der Steuereinheit relativ zur Abtriebssteuerwelle für das Modulieren der seitlichen Verschiebungskomponente synchron mit der Drehung der Bohrmeißelkonstruktion und in Phasenbeziehung dazu betrieben wird, die durch die Rotationsausrichtung der Steuerwelle bestimmt wird, wodurch der maximale Wert der seitlichen Verschiebungskomponente auf die Bohrmeißelkonstruktion bei einer Rotationsausrichtung dieser in Abhängigkeit von der Rotationsausrichtung der Steuerwelle angewandt wird, wodurch bewirkt wird, daß die Bohrmeißelkonstruktion seitlich in der gewünschten Richtung verschoben wird, während das Bohren fortgesetzt wird; und eine Einrichtung für das Ausrücken der Steuerwelle aus der gegen Rollen stabilisierten Gerätebaugruppe und/oder aus der Steuereinheit, während die Integrität der Baugruppe und bzw. der Steuereinheit beibehalten wird.
Die gegen Rollen stabilisierte Gerätebaugruppe kann umfassen: eine Halterung, die mit einem Bohrgestänge verbunden werden kann; einen Geräteträger, der von der Halterung drehbar getragen wird; eine Einrichtung für das Drehen des Geräteträgers um seine Längsachse; Meßfühler, die vom Geräteträger getragen werden, um die Rotationsausrichtung des Geräteträgers um seine Längsachse herum zu messen, und um ein Signal zu erzeugen, das die Rotationsausrichtung anzeigt; und eine Steuereinrichtung für das Steuern der Umdrehungsgeschwindigkeit des Geräteträgers relativ zur Halterung als Reaktion auf das Signal, um eine Stabilisierung des Geräteträgers gegen ein Rollen zu bewirken.
Vorzugsweise fällt die Längsachse des Geräteträgers mit der mittleren Längsachse des Bohrgestänges zusammen, und die Steuerwelle ist axial auf dem Geräteträger der gegen Rollen stabilisierten Gerätebaugruppe montiert.
Die Steuerwelle kann mit einer Welle in der modulierten Steuereinheit durch eine einkuppelbare und auskuppelbare Kupplung gekuppelt werden, die die zwei Wellen in einer vorgegebenen Rotationsausrichtung miteinander verbindet. Beispielsweise kann die Kupplung aufweisen: einen Querstift auf einer Welle; und einen axialen Schlitz mit offenem Ende auf der anderen Welle, wobei der Querstift in den axialen Schlitz durch eine periphere Nockenfläche geführt wird.
Bei einer der vorangehend angeführten Anordnungen weist die Einrichtung für das Drehen des Geräteträgers um seine Längsachse herum auf: ein drehbares Laufrad, das auf dem Geräteträger für eine Drehung durch einen Strom der Bohrflüssigkeit über das Laufrad montiert ist; und eine Einrichtung, die das Laufrad mit dem Geräteträger für das Übertragen eines Drehmomentes auf den Geräteträger kuppelt, um zu veranlassen, daß er sich um seine Längsachse relativ zur Halterung in einer Richtung dreht, die der Richtung der Drehung der Halterung und des Bohrgestänges entgegengesetzt ist.
Die Einrichtung, die das Laufrad mit dem Geräteträger kuppelt, kann eine elektromagnetische Kupplung umfassen, die als ein Stromerzeuger wirkt, wobei das durch die Kupplung auf den Träger übertragene Drehmoment durch eine Einrichtung gesteuert wird, um die an den Ausgang des Stromerzeugers angelegte elektrische Belastung als Reaktion auf das Ausgangssignal von den Meßfühlern für das Rollen und auf ein Signal, das die gewünschte Rotationsausrichtung des Trägers anzeigt, zu steuern.
Folgendes ist eine detailliertere Beschreibung der Ausführungen der Erfindung, wobei man sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht, die zeigen:
Fig. 1 eine grafische Schnittdarstellung durch eine gegen Rollen stabilisierte Baugruppe in Übereinstimmung mit der Erfindung;
Fig. 2 ein Blockdiagramm, das einen Folgeregelkreis zeigt, der funktioniert, um die Baugruppe beim Einsatz zu steuern;
Fig. 3-8 weitere grafische Schnittdarstellungen entsprechend Fig. 1 von alternativen Formen der gegen Rollen stabilisierten Baugruppe in Übereinstimmung mit der Erfindung;
Fig. 9 einen grafischen Längsschnitt durch einen steuerbaren polykristallinen Diamantkompaktbohrmeißel einer Ausführung, der durch die gegen Rollen stabilisierten Baugruppen aus Fig. 1-8 gesteuert werden kann;
Fig. 10 eine Schnittdarstellung durch den Bohrmeißel aus Fig. 9; und
Fig. 11 eine grafische Schnittdarstellung einer Tiefbohrlochinstallation.
Zuerst beziehen wir uns auf Fig. 11, die grafisch eine typische Rotarybohrinstallation der Ausführung zeigt, bei der das System entsprechend der vorliegenden Erfindung angewandt werden kann.
Wie gut bekannt ist, umfaßt die Bohrlochsohlenbaugruppe einen Bohrmeißel 1, der mit dem unteren Ende eines Bohrgestänges 2 verbunden ist, das drehbar von der Oberfläche aus mittels eines Rotarytisches 3 auf einer Bohrplattform 4 angetrieben wird. Der Rotarytisch wird durch einen Antriebsmotor angetrieben, der grafisch mit 5 gezeigt wird und das Bohrgestänge hebt und senkt, und die Anwendung des Gewichtes auf den Bohrmeißel erfolgt unter der Steuerung der Hebewerke, die grafisch mit 6 gezeigt werden.
Die Bohrlochsohlenbaugruppe umfaßt eine Baugruppe 7 für eine Messung während des Bohrens, die auf die Oberfläche Signale überträgt, die mit 8 gezeigt werden, und die auf die Parameter hinweisen, wie beispielsweise die Ausrichtung, unter denen der Bohrmeißel 1 arbeitet. Der Antriebsmotor 5, das Hebewerk 6 und Pumpen 8 werden in bekannter Weise als Reaktion auf Eingaben in Beziehung mit der gewünschten Leistung des Bohrmeißels gesteuert. Wie es vorangehend erklärt wird, wenn die Bohrlochsohlenbaugruppe ein steuerbares System ist, beispielsweise der Ausführung, die in Beziehung mit Fig. 9 und 10 beschrieben wird, ist es erforderlich, daß das Steuersystem, während die Steuerung erfolgt, kontinuierlich durch Signale gesteuert wird, die auf die augenblickliche Rotationsausrichtung des Bohrmeißels ansprechen. Das gegen Rollen stabilisierte System wird in Fig. 11 im allgemeinen mit 110 angezeigt, und Ausführungen eines derartigen Systems werden jetzt mit Bezugnahme auf Fig. 1 bis 8 beschrieben.
Mit Bezugnahme auf die Ausführung in Fig. 1 weist die Halterung für das System eine rohrförmige Schwerstange 10 auf, die einen Teil des Bohrgestänges in einem steuerbaren Rotarybohrsystem bildet. Das Bohrgestänge trägt eine Bohrlochsohlenbaugruppe der Ausführung, die eine synchrone modulierte Steuereinheit enthält, d. h.. eine Einrichtung für die Anwendung einer Verschiebung auf die Bohrmeißelkonstruktion, die eine seitliche Komponente unter rechtem Winkel zur Drehungsachse des Bohrmeißels aufweist, und eine Einrichtung für das Modulieren der seitlichen Verschiebungskomponente synchron mit der Drehung des Bohrmeißels und in einer ausgewählten Phasenbeziehung dazu, wodurch der maximale Wert der seitlichen Verschiebungskomponente auf den Bohrmeißelkörper bei einer ausgewählten Rotationsausrichtung dieses angewandt wird, um so zu bewirken, daß die Bohrmeißelkonstruktion seitlich verschoben wird, während das Bohren fortgesetzt wird. Bohrmeißelkonstruktionen dieser Ausführung werden in unserer Britischen Patentanmeldung Nr. 9118618.9 beschrieben, und eine bevorzugte Form einer derartigen Bohrmeißelkonstruktion wird ebenfalls nachfolgend mit Bezugnahme auf Fig. 9 und 10 der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Die zu beschreibenden Baugruppen können im wesentlichen jedoch bei jeder Form des steuerbaren Rotarybohrsystems eingesetzt werden, wo die Gerätebaugruppe gegen Rollen stabilisiert sein muß.
Wiederum mit Bezugnahme auf Fig. 1 strömt während der Bohrvorgänge, wie gut bekannt ist, Bohrschlamm durch das Bohrgestänge nach unten, wie durch den Pfeil 11 gezeigt wird, und wird dem Bohrmeißel zugeführt, um die Schneidköpfe am Bohrmeißel zu reinigen und zu kühlen, ebenso wie um das Bohrklein zur Oberfläche zurückzubringen.
Das System entsprechend der vorliegenden Erfindung weist eine Halterung in der Form einer rohrförmigen Schwerstange 10 auf. Ein länglicher im allgemeinen zylindrischer hohler Träger 12 ist in Lagern 13, 14 montiert, die innerhalb der Schwerstange 10 getragen werden, um sich relativ zur Schwerstange 10 um deren mittlere Längsachse zu drehen. Der Träger weist einen oder mehrere innere Abschnitte auf, die eine Gerätebaugruppe enthalten, die Meßfühler für das Messen der Ausrichtung des Trägers und der zugehörigen Ausrüstung aufweist, wie nachfolgend detaillierter beschrieben wird, um Signale von den Meßfühlern zu verarbeiten und die Drehung des Trägers zu steuern. Die Gerätebaugruppe wird in Fig. 1 mit 111 grafisch gezeigt.
Die Lager 13, 14 sind vorzugsweise so ausgeführt, daß sie durch die Bohrflüssigkeit geschmiert werden, und sie können aus Gummi bestehen, der in hart beschichteten Zapfen läuft.
Stromabwärts vom Lager 13 ist ein mehrflügeliges Laufrad 15 drehbar im Gehäuse des Trägers 12 mittels der Lager 17 montiert. Die Lager 17 können ebenfalls mittels der Bohrflüssigkeit geschmiert werden. Während der Bohrvorgänge wird sich das Bohrgestänge, das die Schwerstange 10 umfaßt, normalerweise im Uhrzeigersinn drehen, wie durch den Pfeil 16 angezeigt wird, und das Laufrad 15 ist so konstruiert, daß es dazu neigt, im Ergebnis des Stromes der Bohrflüssigkeit am Laufrad vorbei im Gegenuhrzeigersinn gedreht zu werden.
Das Laufrad 15 ist so konstruiert, daß es, wenn es sich um den Träger 12 dreht, als ein elektrischer Drehmoment/Stromerzeuger wirkt. Daher kann das Laufrad um seinen inneren Umfang herum eine Anordnung von Dauermagneten enthalten, die mit 18 angezeigt werden, und die mit einem stationären Stator 19 innerhalb des Gehäuses des Trägers 12 zusammenwirken. Die Magnet/Stator-Anordnung dient als eine regelbare Antriebskupplung zwischen dem Laufrad 15 und dem Träger 12.
Fig. 2 zeigt grafisch den Folgeregelkreis, der funktioniert, um die Gerätebaugruppe auf Nullgeschwindigkeit zu steuern, d. h., den Träger 12 mit einer erforderlichen Rotationsausrichtung im Raum zu halten, ungeachtet der Drehung der Schwerstange 10.
Während sich die Schwerstange 10 während des Bohrens dreht, wenden die Hauptlager 13, 14 ein Eingangsdrehmoment 21 im Uhrzeigersinn auf den Träger 12 an, und dem steht ein Drehmoment 22 im Gegenuhrzeigersinn (in Fig. 1 durch den Pfeil 20 angezeigt) gegenüber, das auf den Träger 12 durch das Laufrad 15 angewandt wird. Dieses Drehmoment im Gegenuhrzeigersinn wird durch Verändern der elektrischen Belastung am Stromerzeuger verändert, der durch die Magneten 18 und den Stator 19 gebildet wird. Diese veränderliche Belastung wird mittels einer Belastungssteuereinheit 23 des Stromerzeugers unter der Steuerung eines Computers 24 angewandt. Dem Computer 24 werden ein Eingangssignal 25, das die erforderliche Rotationsausrichtung (Rollwinkel) des Trägers 12 anzeigt, und Rückführsignale 26 von den Meßfühlern 27 für das Rollen zugeführt, die am Träger 12 montiert sind. Das Eingangssignal 25 kann dem Computer von einer manuell betätigten Steuereinheit auf der Oberfläche übermittelt werden, oder es kann von einem Bohrcomputerprogramm abgeleitet werden, das den gewünschten Weg des zu bohrenden Bohrloches festlegt. Der Computer 24 ist vorprogrammiert, um das Rückführsignal. 26, das die Rotationsausrichtung des Trägers 12 im Raum anzeigt, und das Eingangssignal 25 zu verarbeiten, das die gewünschte Rotationsausrichtung des Trägers anzeigt, und um ein resultierendes Ausgangssignal 24a der Belastungssteuereinheit 23 des Stromerzeugers zuzuführen. Das Ausgangssignal 24a ist so, daß veranlaßt wird, daß die Belastungssteuereinheit 23 des Stromerzeugers eine elektrische Belastung von einer derartigen Größe an den Drehmoment/- Stromerzeuger 18. 19 anlegt, daß das an den Träger 12 vom Drehmoment/Stromerzeuger angelegte Drehmoment dem Lagerlaufdrehmoment 21 entgegengesetzt ist und dieses ausgleicht, um den Träger im Raum nicht rotierend zu halten und in der Rotationsausrichtung, die vom Signal 25 gefordert wird.
Der Ausgang 28 vom gegen Rollen stabilisierten System wird durch die Rotationsausrichtung (oder den Wellenwinkel) des Trägers 12 selbst bereitgestellt, und der Träger kann daher mechanisch mittels einer einzelnen Steuerwelle direkt mit einer Steuereinheit in der Bohrlochsohlenbaugruppe verbunden werden. Daher können keine elektrischen Verbindungen. Stromquelle oder elektromechanische Vorrichtungen erforderlich sein, um die steuerbare Bohrmeißelkonstruktion zu steuern, wodurch die Konstruktion der Steueranordnung für das Steuersystem vereinfacht wird. Ein Beispiel für ein derartiges mechanisch gesteuertes Steuersystem wird nachfolgend mit Bezugnahme auf Fig. 9 und 10 beschrieben. Wie es vorangehend erwähnt wird, können die Meßfühler 27 für das Rollen, die vom Träger 12 getragen werden, eine Triade von gegenseitig orthogonalen linearen Beschleunigungsmessern oder Magnetometern aufweisen, wobei das Ausgangssignal 26 von diesen durch einen Filter und Verstärker geführt wird, um den Computer 24 zu steuern. Um den Folgeregelkreis zu stabilisieren, kann am Träger 12 ebenfalls ein Winkelbeschleunigungsmesser montiert werden. Das Signal von einem derartigen Beschleunigungsmesser weist bereits einen ihm eigenen Phasenvorhalt auf und kann integriert werden, um ein Winkelgeschwindigkeitssignal zu liefern, das mit den Signalen von den Meßfühlern für das Rollen gemischt werden kann, um einen Ausgang zu liefern, der die Ausrichtung des Trägers 12 mit ausreichender Genauigkeit ungeachtet der seitlichen oder Torsionsschwingungen genau definiert, denen er ausgesetzt sein kann.
In der Anordnung der Fig. 1 drehen sich das Laufrad 15 und die Dauermagneten 18 im Bohrschlammstrom, wohingegen sich der Stator 19 innerhalb eines Abschnittes im Gehäuse des Trägers 12 befindet, der ein Druckgehäuse bildet. Eine derartige Anordnung kann den Nachteil aufweisen, daß die Magnetkreisspalten zwischen den Dauermagneten und dem Stator mit dem Ergebnis vergleichsweise groß sein müssen, daß die Abmessung des Drehmoment/- Stromerzeugers, die durch das Laufrad bereitgestellt wird, erhöht werden muß, um die reduzierten Magnetfelder auszugleichen. Fig. 3 zeigt eine alternative Anordnung, bei der dieses Problem dadurch überwunden wird, daß der Drehmoment/Stromerzeuger vollständig innerhalb des Gehäuses des Trägers angeordnet und mit dem Laufrad durch eine Transmission verbunden wird, die eine Magnetkupplung enthält.
Mit Bezugnahme auf Fig. 3 weist die Magnetkupplung auf: eine Magnetbaugruppe 329, die sich um den inneren Umfang des Laufrades 315 außerhalb des Trägers 312 erstreckt; und eine Magnetbaugruppe 330, die sich um den äußeren Umfang eines Rotors 331 innerhalb des Druckgehäuses erstreckt, wobei der Rotor 331 durch eine Welle 332 getragen wird, die drehbar in Lagern 333 montiert ist. Die Magnetkupplung, die durch die zusammenwirkenden Magnetbaugruppen 329 und 330 bereitgestellt wird, führt dazu, daß sich der Rotor 331 und die Welle 332 mit dem Laufrad 315 drehen, während das Laufrad selbst durch den Strom des Bohrschlammes längs der Schwerstange 310 gedreht wird. Die Konstruktion und die Funktion derartiger Magnetkupplungen sind gut bekannt und werden daher nicht detaillierter beschrieben.
Das Ende der Welle 332, das vom Rotor 331 abgelegen ist, trägt einen Dauermagnetrotor 334, der mit einem Stator 335 zusammenwirkt, der am Gehäuse 312 befestigt ist. Die Baugruppe aus Rotor 334 und Stator 335 bildet dann den Drehmoment/Stromerzeuger, der das gesteuerte Drehmoment 22 im Gegenuhrzeigersinn im Folgeregelkreis der Fig. 2 anwendet, das eine Stabilisierung des Trägers 312 gegen ein Rollen unter der Steuerung des Steuercomputers 24 bewirkt. Es wird erkannt, daß, da der Drehmoment/Stromerzeuger bei dieser Anordnung vollständig innerhalb des Druckgehäuses innerhalb des Trägers 312 eingeschlossen ist, die Magnetkreisspalte zwischen dem Rotor 334 und dem Stator 335 für eine optimale Leistung ausgelegt sein können, anstatt daß sie durch die mechanischen Einschränkungen der Anordnung aus Fig. 1 bestimmt werden. Die Konstruktion des Rotors 334 wird nicht durch die Raumbeschränkungen beeinflußt, die bei der Magnetbaugruppe 18 am Laufrad 15 in der Anordnung aus Fig. 1 zur Anwendung kommen.
Der Drehmoment/Stromerzeuger 334, 335 wird vorzugsweise in einem Abschnitt innerhalb des Trägers 312 angeordnet, der mit dem Bohrschlammdruck außerhalb des Trägers 312 druckausgeglichen ist, wodurch gestattet wird, daß die Wand des Trägergehäuses dünner ausgeführt wird, und daß dadurch der Magnetkreisspalt zwischen den Magnetbaugruppen 329 und 330 der Magnetkupplung reduziert wird. Beispielsweise kann der gesamte Abschnitt innerhalb des Trägers 312, innerhalb dessen der Drehmoment/Stromerzeuger angeordnet ist, mit sauberem, unter Druck stehendem Öl gefüllt werden.
Fig. 4 zeigt eine modifizierte Version der Anordnung aus Fig. 3, bei der in der Welle 432 ein Getriebe 436 bereitgestellt wird, beispielsweise ein Umlaufgetriebe, um das vom Drehmoment/Stromerzeuger erzeugte Drehmoment zu vervielfachen. Abgesehen von der Einbeziehung des Getriebes 436 sind die anderen Bauteile der Anordnung in Fig. 4 die gleichen wie bei der Anordnung in Fig. 3, und sie umfassen: eine Schwerstange 410; einen Träger 412; ein Laufrad 415; eine Magnetkupplung 429. 430; und einen Drehmoment/Stromerzeuger 434, 435.
In den Anordnungen der Fig. 1 bis 4 wird das Laufrad mit dem Träger über einen steuerbaren Drehmoment/Stromerzeuger gekuppelt. Fig. 5 zeigt eine alternative Anordnung, bei der das Laufrad 515 mit dem Träger 512 direkt mechanisch gekuppelt wird, und bei dem das Ausgangsdrehmoment mittels einer regelbaren Bremse gesteuert wird, die zwischen der Schwerstange und dem Träger zur Anwendung kommt.
Mit Bezugnahme auf Fig. 5 ist, wie bei den vorhergehend beschriebenen Anordnungen, der Träger 512 in Lagern 513, 514, die innerhalb der Schwerstange 510 getragen werden, für eine Drehung relativ zur Schwerstange 510 um deren mittlere Längsachse herum montiert. In diesem Fall ist das Laufrad 515 jedoch stationär am Träger 512 montiert.
Wie vorher ist das Laufrad 515 so konstruiert, daß es im Ergebnis des Stromes der Bohrflüssigkeit am Laufrad vorbei im Gegenuhrzeigersinn gedreht wird, wodurch dem Träger 512 ein Drehmoment im Gegenuhrzeigersinn verliehen wird. Bei dieser Anordnung wird das Ausgangsdrehmoment vom Träger 512 jedoch durch eine steuerbare Bremse 537 gesteuert, die innerhalb des Trägers 512 angeordnet ist und zwischen dem Träger und einer Welle 538 wirkt, die in Lagern 539 innerhalb des Trägers montiert ist. Die Bremse 537 kann irgendeine geeignete Form einer steuerbaren Bremse sein, wie beispielsweise eine Reibungs-, hydraulische oder elektromagnetische Bremse.
Die Welle 538 ist mit der Schwerstange 510 durch eine Magnetkupplung verbunden, die im allgemeinen mit 540 gezeigt wird, die eine Magnetbaugruppe 541 auf dem Ende der Welle 538 aufweist, die mit einer stationären Magnetbaugruppe 542 zusammenwirkt, die um die Innenseite der Schwerstange 510 herum so angeordnet ist, daß sich die Welle 538 mit der Schwerstange 510 relativ zum Träger 512 dreht.
Die Bremse 537 wird vom Steuercomputer 24 in einem Folgeregelkreis gesteuert, der dem aus Fig. 2 entspricht, und in diesem Fall dient die Regulierung der Bremse unter der Steuerung des Computers dazu, daß Ausgangsdrehmoment und den Wellenwinkel 28 des Trägers 512 als Reaktion auf den Eingang 25 zum Steuercomputer und die Rückführung 26 von der Gerätebaugruppe 27 zu steuern.
Bei den Anordnungen aus Fig. 1 bis 4 liefert der elektrische Stromerzeuger, der durch das Laufrad angetrieben wird, ebenfalls den notwendigen Strom für die Geräte in der Gerätebaugruppe. Bei der Anordnung in Fig. 5 kann bei Nichtvorhandensein eines derartigen Stromerzeugers eine andere Einrichtung, wie beispielsweise eine Batterie, erforderlich sein, um elektrischen Strom für die Gerätebaugruppe im Träger bereitzustellen. Bei der modifizierten Anordnung der Fig. 6 wird dieser Nachteil überwunden, indem eine Bremse in der Form eines elektrischen Stromerzeugers 643 bereitgestellt wird, der einen Rotor 644 aufweist, der auf der Welle 638 montiert ist und sich innerhalb eines Stators 645 dreht, der innerhalb des Gehäuses des Trägers 612 montiert ist. Ein Umlaufgetriebe 646 wird in der Welle 638 bereitgestellt, um das vom Stromerzeuger 643 gelieferte Drehmoment zu vergrößern. Die Funktionsweise des Systems ist anderweitig im allgemeinen der in Fig. 5 gleich, wobei der Ausgang des Stromerzeugers 643 durch den Steuercomputer 24 in einem Folgeregelkreis gesteuert wird, der dem in Fig. 2 entspricht.
Fig. 7 veranschaulicht eine noch weitere alternative Anordnung in Übereinstimmung mit der Erfindung. Wie bei der Anordnung in Fig. 3 ist ein Laufrad 715 mit einem Stromerzeuger 734, 735 magnetisch gekuppelt. In diesem Fall liefert der Stromerzeuger 734, 735 jedoch elektrischen Strom über einen gesteuerten Verstärker (nicht gezeigt) zu einem Servomotor, der aufweist: einen Stator 745, der am Träger 712 befestigt ist; und einen Rotor 744, der mittels eines (wahlfreien) Getriebes 746 mit einer Welle 738 verbunden ist, die mit der Schwerstange 710 magnetisch gekuppelt ist. Der Servomotor 744, 745 dreht daher den Träger 712 im Gegenuhrzeigersinn relativ zur Schwerstange 710, wobei eine derartige Drehung durch einen Folgeregelkreis gesteuert wird, der dem in Fig. 2 entspricht; um den Träger 712 im Raum bei einer gewünschten Rotationsausrichtung nicht rotierend zu halten.
Der Stromerzeuger 734. 735 läuft mit hoher Drehzahl, verglichen mit dem Stromerzeuger 643 der Anordnung aus beispielsweise Fig. 6, und das gesamte erzeugte Drehmoment wird daher durch den mechanischen Vorteil vervielfacht, der sich aus dem Winkelgeschwindigkeitsverhältnis zwischen dem Laufrad 715 und dem Ausgang ergibt. Bei dieser Anordnung kommt der größte Teil des Drehmomentes vom Servomotor 744. 745 über die zweite Magnetkupplung. Das Drehmoment vom Stromerzeuger 734, 735 wirkt jedoch ebenfalls auf den Träger 712 in der gleichen Richtung und würde sich mit der Servomotorleistung erhöhen, würde aber infolge seiner höheren Drehzahl kleiner. Dieses System kann den Strom vom Laufrad besser nutzen als die vorangehend beschriebenen Anordnungen.
In der Anordnung in Fig. 8 ist das Laufrad 815, das drehbar am Träger 812 montiert ist, mittels einer Magnetkupplung 829. 830 mit einer ersten Welle 850 verbunden, auf der der Rotor 851 eines elektrischen Stromerzeugers montiert ist, wobei der Stator 852 des Stromerzeugers innerhalb des Trägers 812 montiert ist. Eine zweite Welle 853, die drehbar innerhalb des Trägers 812 montiert ist, ist mit der Schwerstange 810 über ein Untersetzungsgetriebe 854 und eine weitere Magnetkupplung 855, 856 gekuppelt.
Die erste Welle 850 und die zweite Welle 853 sind koaxial und mittel seines Stirnraddifferentialgetriebemechanismus verbunden, wie es grafisch mit 857 gezeigt wird. Der Differentialgetriebemechanismus wird als einfache Geradstirnraddifferentialanordnung der Deutlichkeit und Erklärung halber gezeigt. Es wird jedoch erkannt, daß jede andere Form des Differentialgetriebes entsprechend den Beschränkungen des Raumes innerhalb des Trägers 812 eingesetzt und ausgewählt werden kann.
Der umlaufende Träger 858 des Differentialgetriebes ist auf eine Welle 862 montiert, die konzentrisch innerhalb der Welle 853 drehbar ist und den Rotor 859 eines Elektromotors/Bremse trägt, dessen Stator 860 auf dem Träger 812 montiert ist.
In der gezeigten Anordnung wird das Drehmoment, das auf den Träger 812 mittels des Laufrades 815 angewandt wird, durch Steuern des Motors/Bremse 859, 860 gesteuert. Das Verhältnis des Getriebes 854 wird so ausgewählt, daß die Drehmoment/Drehzahl-Kennlinie des Laufrades mit der Nullausgangsdrehzahl vom Differentialgetriebe 857 abgestimmt ist. Unter dem maximalen Leistungszustand geht keine Leistung im Motor/Bremse 859. 860 verloren, und der Wirkungsgrad ist hoch. Für niedrigere Ausgangsdrehzahlbedingungen wird der Motor/Bremse durch ein Steuersignal 822 von einem Regler 823 in der Gerätebaugruppe gesteuert, um den Drehzahlunterschied mittels des Differentialgetriebemechanismus 857 aufzunehmen. Die Umdrehungsgeschwindigkeit des Trägers 812 kann daher durch den Steuervorgang des Motors/Bremse 859, 860 gesteuert werden, und sie wird, wie bei den vorangehend beschriebenen Anordnungen, so gesteuert, daß der Träger im Raum mit einer gewünschten Rotationsausrichtung nicht rotierbar bleibt.
Der Motor/Bremse 859. 860 könnte benutzt werden, um der Gerätebaugruppe elektrischen Strom zuzuführen. Unter bestimmten Bedingungen jedoch, beispielsweise, wo sich der Träger 812 im Raum dreht, wenn ein Ausgangssignal nicht vom System erforderlich ist, kann der Motor/Bremse 859. 860 stationär sein oder als ein Motor wirken und würde daher nicht elektrischen Strom erzeugen. Um zu sichern, daß elektrischer Strom unter allen Bedingungen verfügbar ist, wird der Stromerzeuger 851, 852 daher mit der ersten Welle 850 gekuppelt. Es muß erkannt werden, daß, zusätzlich zur Bereitstellung des erforderlichen elektrischen Stromes für die Geräteausrüstung, der Stromerzeuger 851. 852 ebenfalls ein gewisses Drehmoment vom Laufrad 815 auf den Träger 812 in der gleichen Weise übertragen wird wie der Stromerzeuger 334, 335 in der Anordnung der Fig. 3. Die elektrische Belastung am Stromerzeuger 851. 852 wird daher ebenfalls durch ein Signal 861 vom Regler 823 gesteuert, so daß das gesamte Drehmoment, das auf den Träger 812 durch sowohl den Stromerzeuger 851. 852 als auch die Bremse 859. 860 übertragen wird, von der Größe ist, die erforderlich ist, um den Träger 812 mit einer derartigen Geschwindigkeit relativ zur Schwerstange 810 zu drehen, daß der Träger im Raum nicht rotierend bleibt.
Wie bei den vorangehend beschriebenen Anordnungen wird der Regler 823 von einem vorprogrammierten Computer gesteuert, um die Signale 822 und 861 zu liefern, die geeignet sind, um die erforderliche Wirkung als Reaktion auf die Eingangssignale zum Computer zu erreichen, die Signale von den Meßfühlern, die auf die Rotationsausrichtung des Trägers ansprechen, und ein Signal aufweisen, das die gewünschte Winkelausrichtung anzeigt.
Die speziellen Einzelheiten eines geeigneten Computersteuersystems, um die erforderlichen Wirkungen zu erreichen, gehören zum Fachwissen einer geeignet qualifizierten Person. Derartige Einzelheiten sind daher nicht Teil der vorliegenden Erfindung und müssen nicht im Detail beschrieben werden.
Fig. 9 und 10 zeigen grafisch einen polykristallinen Diamantkompaktbohrmeißel, der eine synchrone modulierte Steuereinheit für das Bewirken der Steuerung des Bohrmeißels während des Rotarybohrens unter der Steuerung eines gegen Rollen stabilisierten Systems einer der Ausführungen enthält, die vorangehend mit Bezugnahme auf Fig. 1 bis 8 beschrieben werden.
Der Bohrmeißel weist einen Bohrmeißelkörper 50 mit einem Schaft 51 für eine Verbindung mit dem Bohrgestänge und einem mittleren Durchgang 52 für die Zuführung von Bohrflüssigkeit durch Bohrungen, wie beispielsweise 53, zu Düsen, wie beispielsweise 54, in der Schneidkante des Bohrmeißels auf.
Die Schneidkante des Bohrmeißels wird mit einer Anzahl von Messern 55, beispielsweise vier Messer, gebildet, von denen ein jedes mit Abstand über seine Länge hinweg eine Vielzahl von polykristallinen Diamantkompaktschneidköpfen (nicht gezeigt) trägt. Jeder Schneidkopf kann so ausgeführt sein, daß er eine kreisförmige Tafel aufweist, die aus einem superharten Tisch aus polykristallinem Diamant besteht, der die vordere Schneidkante liefert, gebunden an ein Trägermaterial aus einsatzgehärtetem Wolframkarbid. Jedes Schneidelement ist auf einen Wolframkarbidstift oder -bolzen hartgelötet, der innerhalb einer Innenaussparung im Messer 55 am Bohrmeißelkörper aufgenommen wird.
Der Meßabschnitt 57 des Bohrmeißelkörpers ist mit vier peripher mit Abstand angeordneten Stoßeinrichtungen ausgebildet, die beim Einsatz mit den Wänden des zu bohrenden Bohrloches in Eingriff kommen und durch Abfallschlitze getrennt sind.
Polykristalline Diamantkompaktbohrmeißel mit den gerade beschriebenen charakteristischen Merkmalen sind im allgemeinen gut bekannt, und derartige charakteristische Merkmale müssen daher nicht detaillierter beschrieben oder veranschaulicht werden. Der Bohrmeißel aus Fig. 9 und 10 enthält jedoch eine synchrone modulierte Steuereinheit einer Ausführung, die gestattet, daß der Bohrmeißel im Verlauf des Rotarybohrens gesteuert wird, und die charakteristischen Merkmale einer derartigen Steuereinheit werden jetzt beschrieben.
Jede der vier Stoßeinrichtungen 58 des Bohrmeißels enthält eine Kolbenbaugruppe 59, 60, 61 oder 62, die nach innen und nach außen in einer passenden Bohrung 63 im Bohrmeißelkörper verschiebbar ist. Die gegenüberliegenden Kolbenbaugruppen 59 und 60 sind durch vier parallele Stangen 64 miteinander verbunden, die durch entsprechend geformte Führungsbohrungen durch den Bohrmeißelkörper verschiebbar sind, so daß die Kolbenbaugruppen miteinander mit einem konstanten Abstand voneinander starr verbunden sind. Die anderen zwei Kolbenbaugruppen 61 und 62 sind gleichermaßen durch Stangen 65 verbunden, die sich unter rechtem Winkel unterhalb der entsprechenden Stangen 64 erstrecken.
Die äußeren Flächen der Kolbenbaugruppen 59, 60, 61, 62 sind zylindrisch in Übereinstimmung mit den gekrümmten äußeren Flächen der Stoßeinrichtungen gekrümmt. Der Abstand von den gegenüberliegenden Kolbenbaugruppen ist so, daß, wenn die äußere Fläche einer Baugruppe, wie beispielsweise der Baugruppe 60 in Fig. 10, mit der Fläche ihrer Stoßeinrichtung bündig ist, die äußere Fläche der gegenüberliegenden Baugruppe, wie beispielsweise der 59 in Fig. 10, über einen kurzen Abstand über die äußere Fläche ihrer zugehörigen Stoßeinrichtung vorsteht.
Jede Kolbenbaugruppe ist vom inneren Ende der Bohrung 63, in der sie verschiebbar ist, durch eine elastische Trennwand 66 so getrennt, daß eine geschlossene Kammer 67 zwischen der Trennwand und der Innenwand der Bohrung 63 begrenzt wird. Das obere Ende einer jeden Kammer 67 steht mittels einer geneigten Bohrung 68 mit dem mittleren Durchgang 52 im Bohrmeißelkörper in Verbindung, wobei eine Drosselklappe 69 in der Bohrung 68 angeordnet ist.
Das untere Ende einer jeden Kammer 67 steht durch eine Bohrung 70 mit einer zylindrischen, sich radial erstreckenden Ventilkammer 71 in Verbindung, die durch einen stationären Stopfen 72 verschlossen wird. Eine Öffnung 73 bringt das innere Ende der Ventilkammer 71 mit einem Teil 52a des mittleren Durchganges 52 unterhalb eines kreisförmigen Drehkreuzes/Drosselklappe 77 in Verbindung, das im Durchgang 52 montiert ist. Die Öffnung 73 wird mittels eines Ablaßventils 74 gesteuert, das auf einer Stange 75 montiert ist. Das innere Ende einer jeden Stange 75 wird verschiebbar in einer Blindbohrung im inneren Ende des Stopfens 72 getragen.
Die Ventilschieberstange 75 erstreckt sich durch jede Öffnung 73 nach innen und wird in einem Gleitlager 76 in Abhängigkeit vom kreisförmigen Drehkreuz 77 getragen. Das Drehkreuz 77 weist vertikale Durchgänge 78 auf, um den Strom der Bohrflüssigkeit am Drehkreuz vorbei zu den Düsen 54 in der Bohrmeißelschneidkante zu gestatten, und es wirkt daher ebenfalls als eine Drosselklappe, um einen Druckabfall in der Flüssigkeit zu erzeugen. Eine Steuerwelle 79 erstreckt sich axial durch die Mitte des Drehkreuzes 77 und wird darin durch Lager 80 getragen. Das untere Ende der Steuerwelle 79 trägt ein Nockenelement 81, das mit vier Ventilschieberstangen 75 zusammenwirkt, um die Ablaßventile 74 zu betätigen.
Das obere Ende der Steuerwelle 79 ist lösbar mit einer Abtriebswelle 85 gekuppelt, die axial auf dem Träger einer gegen Rollen stabilisierten Baugruppe irgendeiner der vorangehend beschriebenen Ausführungen montiert ist. Die Kupplung kann in der Form einer Pantolette 86 vorliegen, die, wie gut bekannt ist, eine Ausführung der leicht einkuppelbaren und auskuppelbaren Kupplung ist, die automatisch zwei Wellen in einer vorgegebenen relativen Rotationsausrichtung zueinander verbindet. Eine Welle 79 trägt einen Querstift, der in einem axialen Schlitz mit offenem Ende in einem Kupplungselement auf der anderen Welle 85 geführt wird, indem ein Eingriff mit einer peripheren Nockenfläche am Kupplungselement erfolgt. Während des gesteuerten Richtbohrens bleiben die Wellen 85 und 79 in einer Winkelausrichtung im Raum im wesentlichen stationär, die gesteuert wird, wie es vorangehend beschrieben wird, und die durch den gewünschten Ausgangswinkel bestimmt wird, der dem Steuercomputer 24 der gegen Rollen stabilisierten Baugruppe zugeführt wird.
Während sich der Bohrmeißel relativ zur Welle 79 dreht, öffnet und schließt das Nockenelement 81 die vier Ablaßventile 74 in Folge. Wenn ein Ablaßventil 74 offen ist, strömt Bohrflüssigkeit vom mittleren Durchgang 52 in die zugehörige Kammer 67 durch die Bohrung 68 und danach aus der Kammer 67 durch die Bohrung 70, die Ventilkammer 71 und die Öffnung 73 in das untere Ende 52a des Durchganges 52, das einen niedrigeren Druck aufweist als der obere Teil des Durchganges infolge des Druckabfalls, der durch das Drehkreuz 77 und eine weitere Drosselklappe 82 hervorgerufen wird, die sich über den Durchgang 52 über dem Drehkreuz 77 erstreckt. Dieser Durchfluß der Bohrflüssigkeit spült jegliches Bohrklein aus den Bohrungen 68 und 70 und der Kammer 67 heraus.
Die weitere Drosselklappe 82 ist auswechselbar und wird entsprechend dem gesamten Druckabfall ausgewählt, der über die Drosselklappe 82 und das Drehkreuz 77 erforderlich ist, wobei die speziellen Druck und Strömungsgeschwindigkeit der Bohrflüssigkeit, die eingesetzt wird, in Betracht gezogen werden.
Während sich der Bohrmeißel in eine Position dreht, wo das Ablaßventil 74 geschlossen ist, steigt der Druck in der Kammer 67 an, wodurch bewirkt wird, daß die zugehörige Kolbenbaugruppe mit Bezugnahme auf den Bohrmeißelkörper nach außen verschoben wird. Gleichzeitig wird die gegenüberliegende Kolbenbaugruppe infolge ihrer Verbindung durch die Stangen 64 oder 65 nach innen in die Position zurückgezogen, wo sie mit der äußeren Fläche ihrer zugehörigen Stoßeinrichtung bündig ist, wobei eine derartige Bewegung nach innen gestattet wird, da das Ablaßventil offen sein wird, das mit der gegenüberliegenden Kolbenbaugruppe in Verbindung steht.
Dementsprechend wird die Verschiebung der Kolbenbaugruppen synchron mit der Drehung des Bohrmeißelkörpers um die Steuerwelle 79 herum moduliert. Im Ergebnis der Modulation der Verschiebung der Kolbenbaugruppen wird eine periodische seitliche Verschiebung am Bohrmeißel in einer konstanten Richtung angewandt, während sich der Bohrmeißel dreht, wobei eine derartige Richtung durch die Winkelausrichtung der Wellen 85 und 79 bestimmt wird. Die Verschiebung des Bohrmeißels beim Fortgang des Rotarybohrens bestimmt die Richtung der Abweichung des Bohrloches.
Wenn es erforderlich ist, ohne Abweichung zu bohren, dürfen sich die Steuerwellen 85, 79 im Raum drehen, anstatt daß sie in der erforderlichen Rotationsausrichtung gehalten werden.
Fig. 9 und 10 veranschaulichen nur eine Form des synchronen modulierten Steuersystems, das für eine Anwendung bei einer gegen Rollen stabilisierten Steuerbaugruppe der Ausführung geeignet ist, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht, und es kann irgendeine andere geeignete Form der Steuereinheit zur Anwendung kommen. Beispiele von alternativen Formen der Steuereinheit werden in unserer mit angemeldeten Britischen Patentanmeldung Nr. 9118618.9 beschrieben.
In der beschriebenen Anordnung ist die modulierte Steuereinheit im Bohrmeißel selbst eingebaut, und eine derartige Anordnung wird bevorzugt. Man wird jedoch verstehen, daß eine geeignete Steuereinheit eine separate Einheit sein könnte, mit der der Bohrmeißel gekuppelt ist, wobei sie einen Teil der Bohrlochsohlenbaugruppe bildet. Wenn das Steuersystem in einer separaten Einheit eingebaut ist, kann es in Verbindung mit vorhandenen Formen des Bohrmeißels oder Ausführungen des Bohrmeißels eingesetzt werden, wo es nicht möglich ist, die Steuereinheit im Bohrmeißel selbst einzubauen.
Ein Hauptvorteil der beschriebenen Anordnungen ist, daß die gegen Rollen stabilisierte Steuerbaugruppe eine vollständig separate Einheit vom Bohrmeißel oder vom Bohrmeißel und der Steuereinheit sein kann. Die gegen Rollen stabilisierte Gerätebaugruppe ist nur mit der Steuereinheit durch die Steuerwelle 85 und die Kupplung 86 verbunden, und daher können verschiedene Steuereinheiten leicht mit der gegen Rollen stabilisierten Baugruppe gekuppelt werden. Die Kupplung, die die gegen Rollen stabilisierte Baugruppe mit der Steuereinheit verbindet, kann irgendeine Form von Kupplung sein, die leicht ausgekuppelt werden kann, ohne daß die Integrität der Baugruppe oder der Steuereinheit beeinflußt wird. Andere geeignete Kupplungen sind den Fachleuten bekannt und müssen nicht detaillierter beschrieben werden. Die Fähigkeit des Auskuppelns der gegen Rollen stabilisierten Gerätebaugruppe vom Bohrmeißel und/oder der Steuereinheit ist wichtig, da die gegen Rollen stabilisierte Gerätebaugruppe kostspielig ist, aber eine vergleichsweise lange Lebensdauer aufweist, wohingegen die Steuereinheit und der Bohrmeißel verschleißbar sind und eine vergleichsweise kurze Lebensdauer aufweisen. Das kann einen bedeutenden Vorteil gegenüber vorhandenen gesteuerten steuerbaren Rotarybohrsystemen bringen, wo das Steuersystem und der Steuermechanismus eng integriert sind, so daß das gesamte System ausgesondert werden muß, wenn der Steuermechanismus das Ende seiner Lebensdauer erreicht, aus welchem Grund auch immer.

Claims

1. Steuerbares Rotarybohrsystem, gekennzeichnet durch eine gegen Rollen stabilisierte Gerätebaugruppe (12), die aufweist: eine Abtriebssteuerwelle (85), deren Rotationsausrichtung eine gewünschte Steuerrichtung verkörpert; eine Bohrlochsohlenbaugruppe, die eine Bohrmeißelkonstruktion (50) umfaßt; und eine synchrone modulierte Steuereinheit, die umfaßt: eine Einrichtung (59, 60, 61, 62) für das Anwenden einer Verschiebung auf die Bohrmeißelkonstruktion, die eine seitliche Komponente unter rechtem Winkel zur Drehungsachse der Bohrmeißelkonstruktion aufweist; eine Einrichtung (81, 73, 74, 75), die durch die Drehung der Steuereinheit relativ zur Abtriebssteuerwelle (85) für das Modulieren der seitlichen Verschiebungskomponente synchron mit der Drehung der Bohrmeißelkonstruktion (50) und in Phasenbeziehung dazu betrieben wird, die durch die Rotationsausrichtung der Steuerwelle bestimmt wird, wodurch der maximale Wert der seitlichen Verschiebungskomponente auf die Bohrmeißelkonstruktion bei einer Rotationsausrichtung dieser in Abhängigkeit von der Rotationsausrichtung der Steuerwelle angewandt wird, wodurch bewirkt wird, daß die Bohrmeißelkonstruktion seitlich in der gewünschten Richtung verschoben wird, während das Bohren fortgesetzt wird; und eine Einrichtung (86) für das Ausrücken der Steuerwelle (85) aus der gegen Rollen stabilisierten Gerätebaugruppe und/oder aus der Steuereinheit, während die Integrität der Baugruppe und bzw. der Steuereinheit beibehalten wird.

2. System nach Anspruch 1, bei dem die gegen Rollen stabilisierte Gerätebaugruppe umfaßt: eine Halterung (10), die mit einem Bohrgestänge verbunden werden kann; einen Geräteträger (12), der von der Halterung drehbar getragen wird; eine Einrichtung (15) für das Drehen des Geräteträgers um seine Längsachse; Meßfühler (111), die vom Geräteträger (12) getragen werden, um die Rotationsausrichtung des Geräteträgers um seine Längsachse herum zu messen, und um ein Signal zu erzeugen, das die Rotationsausrichtung anzeigt; und eine Steuereinrichtung (18. 19) für das Steuern der Umdrehungsgeschwindigkeit des Geräteträgers relativ zur Halterung als Reaktion auf das Signal, um eine Stabilisierung des Geräteträgers gegen ein Rollen zu bewirken.

3. System nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die Längsachse des Geräteträgers (12) mit der mittleren Längsachse des Bohrgestänges zusammenfällt.

4. System nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, bei dem die Steuerwelle (85) axial auf dem Geräteträger (12) der gegen Rollen stabilisierten Gerätebaugruppe montiert ist.

5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Steuerwelle (85) mit einer Welle (79) in der modulierten Steuereinheit durch eine einkuppelbare und auskuppelbare Kupplung (86) gekuppelt wird, die die zwei Wellen in einer vorgegebenen Rotationsausrichtung miteinander verbindet.

6. System nach Anspruch 5, bei dem die Kupplung (86) aufweist: einen Querstift auf einer Welle (79); und einen axialen Schlitz mit offenem Ende in der anderen Welle (85), wobei der Querstift im axialen Schlitz durch eine periphere Nockenfläche geführt wird.

7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Einrichtung für das Drehen des Geräteträgers (12) um seine Längsachse herum aufweist: ein drehbares Laufrad (15), das auf dem Geräteträger für eine Drehung durch einen Strom der Bohrflüssigkeit über das Laufrad montiert ist; und eine Einrichtung (18. 19), die das Laufrad mit dem Geräteträger für das Übertragen eines Drehmomentes auf den Geräteträger kuppelt, um zu veranlassen, daß er sich um seine Längsachse relativ zur Halterung in einer Richtung dreht, die der Richtung der Drehung der Halterung und des Bohrgestänges entgegengesetzt ist.

8. System nach Anspruch 7, bei dem die Einrichtung (18, 19), die das Laufrad mit dem Geräteträger kuppelt, eine elektromagnetische Kupplung umfaßt, die als ein Stromerzeuger wirkt, wobei das durch die Kupplung auf den Träger übertragene Drehmoment durch eine Einrichtung gesteuert wird, um die an den Ausgang des Stromerzeugers angelegte elektrische Belastung als Reaktion auf das Ausgangssignal von den Meßfühlern für das Rollen und auf ein Signal, das die gewünschte Rotationsausrichtung des Trägers anzeigt, zu steuern.