DE4037261C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zielbohrstange gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Derartige Zielbohrstangen sind darauf eingerichtet, vorhandene Bohrungen und insbesondere Bohrungen nach dem Rotary-Tiefbohrverfahren senkrecht nach unten so zu steuern, daß sie nicht aus der vorgege­ benen senkrechten Bohrrichtung abweichen. Im all­ gemeinen bildet eine solche Zielbohrstange ein Bohrrohr, welches meistens als letztes Bohrrohr vor dem Bohrmeißel in den Gestängezug eingebaut wird und mit Hilfe von hydraulisch angetriebenen aus­ schwenkbaren Leisten, die sich auf der Bohrlochwand abstützt, Korrekturmomente auf die Bohrwelle über­ trägt, welche drehfest mit dem Bohrwerkzeug verbun­ den ist. Diese Korrekturmomente heben die Kräfte auf, die das Bohrwerkzeug und damit die Bohrung aus der vorgegebenen Bohrrichtung ablenken. Bei prakti­ scher Ausführung einer solchen Zielbohrstange sorgt die Rohrwellenlagerung dafür, daß das konzentrisch äußere Rohr sich nicht mit der Bohrwelle drehen kann, so daß die Korrekturleisten nur axial auf den Bohrlochstößen mit zunehmender Bohrteufe gleiten.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Lagerung des konzentrisch äußeren Rohres auf dem als Bohrwelle dienenden inneren Rohr, welches mit einem Kanal für die absteigende Bohrflüssigkeit versehen ist, die über das Bohrwerkzeug austritt und einen das äußere Rohr umgebenden aufsteigenden Strom der Bohrtrübe bildet, die das gelöste Mate­ rial nach oben aus dem Bohrloch austrägt. Hierbei handelt es sich um ein vorderes, dem Bohrwerkzeug zugeordnetes Wellenlager und ein hinteres Wellen­ lager, so daß die Bohrwellenlagerung das konzen­ trisch äußere Rohr an beiden Enden auf der Bohr­ welle abstützt. Da die beiden Wellenlager sich zwar in Einzelheiten voneinander unterscheiden können, wegen der für beide Lager geltenden gleichen Haupt­ gesichtspunkte jedoch in den wesentlichen Einzel­ heiten gleich sein können, wird die Erfindung im folgenden anhand eines der beiden Lager näher be­ schrieben. Dabei dient zur Beschreibung der Erfin­ dung das hintere Wellenlager, weil die dort auftre­ tenden Abdichtungsprobleme vergleichsweise schwie­ riger sind, da das vordere Lager eine Kombination aus Axial- und Radialwälzlagern darstellt, während das hintere Wellenlager lediglich eine Radialwälz­ lagerung benötigt. Die Erfindung betrifft insbeson­ dere die Abdichtung dieses hinteren Wälzlagers der Bohrwellenlagerung.

Dieser Abdichtung kommt erhebliche Bedeutung für einen störungsfreien Betrieb zu, weil dafür gesorgt sein muß, daß das Wälzlager nicht ausläuft und das konzentrisch äußere Rohr, das die beschriebene Kor­ rektureinrichtung trägt, auf der Bohrwelle blockiert, was dazu führen würde, daß die Ziel­ einrichtung außer Betrieb gesetzt und ihr mechani­ scher Teil zerstört wird. Einerseits muß diese Ab­ dichtung dafür sorgen, daß das Wälzlager geschmiert wird, andererseits muß sie verhindern, daß in der aufsteigenden Bohrtrübe enthaltene Feststoffteile in das Lager geraten und dort Zerstörungen hervor­ rufen können. Die Abdichtung muß darüber hinaus auch dann funktionieren, wenn sie unter den wachsenden hydrostatischen Druck der aufsteigenden Bohrtrübe gerät, was dann besonders problematisch ist, wenn über die bisher erreichbaren Bohrlochteufen von ca. 4000 m hinaus Tiefbohrungen aufgefahren werden, die bis zu 14 000 m und mehr geplant werden. Der Erfin­ dung liegt diese Problematik zugrunde.

Es ist bekannt, die Wälzlager der Bohrwellen­ lagerung mechanisch mit Hilfe von Axialfedern und mit diesen vorgespannten Ringanordnungen abzudich­ ten. Solche Zielbohrstangen leiden unter erhebli­ chem Verschleiß und sind deshalb für tiefe Bohrun­ gen wenig geeignet, weil das häufige Gestängeziehen zur Wartung und Erneuerung der Bohrwellenlagerung und ihre Abdichtung zu viel Zeit in Anspruch nimmt.

Es ist darüber hinaus bekannt, die Wälzlager der Bohrwellenlagerung mit der absteigenden Bohrtrübe zu schmieren, was den Vorteil hat, daß die Wälz­ lagerschmierung gegen den mit der Teufe wachsenden Druck der Bohrlochspülung druckausgeglichen ist. Es hat sich jedoch in der Praxis herausgestellt, daß die Voraussetzungen einer derartigen Bohrwel­ lenlagerabdichtung nicht gegeben sind, die darin bestehen, daß in der absteigenden Bohrlochspülung keine abrasiv wirkenden Feststoffe enthalten sind. Tatsächlich ist die Reinigung der aufsteigenden und mit dem gelösten Bohrklein verunreinigten Spülflüs­ sigkeit nicht so intensiv, daß derartige Störungen verhindert werden können. Denn die festen Partikel, welche in der absteigenden Bohrtrübe enthalten sind, beschädigen die beweglichen Teile der Bohr­ wellenlagerung und führen dort zu überhöhtem Ver­ schleiß.

In der WO-88/10 355 ist ein Bohrgestänge beschrieben, das mit einer Stabilisierungseinrichtung versehen ist. Dabei ist auf einem an ein Bohrwerkzeug oder ein Bohrgestänge anschließbaren Innenrohr ein Außenrohr mit Wälzlagern drehbar gelagert. Die Wälzlager befin­ den sich in Lagergehäusen an beiden Seiten des Außen­ rohres, wobei die Lagergehäuse mit Hilfe von Dichtun­ gen abgedichtet sind. Am vorderen Ende des Körpers ist das Lagergehäuse mit Nippeln zur Einfüllung von schmierendem und dichtendem Öl oder Fett versehen.

In der US-PS 46 06 417 ist eine Druckausgleichstabi­ lisierungseinrichtung für ein Bohrgestänge beschrieben. Die Druckausgleicheinrichtung ist dazu vorgesehen, um den Druck innerhalb eines Schmiermittelreservoirs über den Druck im Bohrloch auszugleichen. Dazu ist ein Kanal vorgesehen, in welchem ein verschiebbarer Kolben angeordnet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zielbohrstange zu schaffen, deren Wälzlager minde­ stens der hinteren Wellenlagerung unabhängig von der jeweiligen Bohrlochteufe mit einem geeigneten Schmiermittel störungsfrei versorgt werden.

Diese Aufgabe löst die Erfindung mit den Merkmalen des Anspruches 1. Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß der Erfindung erhält das betreffende Wälz­ lager eine Dauerschmierung, d. h. es wird mit einem autarken, von den Schmiereigenschaften der Bohr­ lochspülung unabhängigen Schmiermittel in Form eines luftleeren Öls geeigneter Viskosität ver­ sorgt, das jedoch über einen Ringkolben mit dem hydrostatischen Druck der Bohrtrübe belastet ist. Dadurch steht die Dauerschmierung unabhängig von der Bohrlochtrübe praktisch unter einem Druck, der gleich dem hydrostatischen Außendruck ist, dem die Zielbohrstange, d. h. ihr äußeres Rohr ausgesetzt ist. Dadurch wird erreicht, daß der hydrostatische Druck der Bohrlochspülung die Wellenlagerung nicht verformen und dadurch zerstören kann, ohne daß die Spülflüssigkeit in das Lager selbst gelangen kann. Der dadurch erreichte Druckausgleich findet durch den Radialspalt statt, in dem die Radialdichtung die aufsteigende Bohrtrübe von dem Ringkolben fern­ hält, diesen jedoch über die Flüssigkeitsfüllung mit dem hydrostatischen Druck des aufsteigenden Stromes der Bohrlochspülung belastet.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß sie einerseits eine praktisch vollständige Druckentlastung der Bohrwellenlagerung ermöglicht, ohne andererseits deren Wälzlager und die darin besonders schmutz­ empfindlichen, beweglichen Teile mit der Bohrloch­ spülung in Berührung zu bringen. Die unter Druck stehende Dauerschmierung behält auf diese Weise ihre Schmiereigenschaften und verhindert dadurch das vorzeitige Versagen der Wälzlager.

Mit den Merkmalen des Anspruches 2 gelingt es, die Abdichtung des Ringkolbens im Ringzylinder mit der Ausbildung gleicher Kolbenflächen auf beiden Seiten des Kolbens zu verbinden. Die Abdichtung des Ring­ kolbens ist erforderlich, wenn die zur Druckver­ mittlung dienende Flüssigkeit von der Dauer­ schmierung getrennt werden muß. Das ist dann der Fall, wenn die Montage der Teile vereinfacht werden soll. Mit den Merkmalen des Anspruches 2 kann des­ wegen die Dauerschmierung unter den Ringkolben ein­ gebracht werden, was mit einer Vakuumpumpe erfolgt, um die Luftfreiheit der Dauerschmierung zu gewähr­ leisten.

Mit den Merkmalen des Anspruches 3 sorgt die Erfin­ dung dafür, daß der Ringzylinder als solcher in dem beim Bohren nicht mitdrehenden, konzentrischen äußeren Rohr untergebracht werden kann, daß aber der sich hierbei gegen die Bohrwelle und dem Ringzylinder einstellende Spalt ebenfalls geschmiert und abgedichtet ist. Dies geschieht mit dem Schmiermittel der Dauerschmierung und ermög­ licht ebenfalls eine erleichterte Montage.

Die Merkmale des Anspruches 4 sorgen für eine zweckmäßige Übertragung des Druckes der anstehenden Bohrlochspülung auf die Dauerschmierung des Wälz­ lagers.

Zweckmäßig führt man die dazu erforderliche Abdich­ tung mit Hilfe des Anspruches 5 durch. Die hierfür vorgesehene mehrteilige Dichtung läßt sich verhält­ nismäßig einfach montieren und gewährleistet eine zuverlässige Abdichtung der den Druck übertragenden Flüssigkeitsfüllung gegen die außen anstehende Bohrlochspülung.

Die Einzelheiten, weiteren Merkmale und andere Vor­ teile der Erfindung ergeben sich aus der nachfol­ genden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung, welche einen Teilschnitt durch eine Zielbohrstange gemäß der Erfindung wie­ dergibt. Dabei zeigt die Zeichnung die hintere Lagerung der Bohrwelle. Dabei ist die Schnittzeich­ nung in der Wellenmitte unterbrochen und zeigt die Bohrwelle (1) und das diese umgebende konzentrisch äußere Rohr (2) in abgebrochener Darstellung.

Auf einer Schulter (4) der Bohrwelle ist der innere Laufring (5) eines Wälzlagers (6) axial abgestützt, das als Nadellager ausgeführt ist. Der äußere Lauf­ ring (7) stützt sich auf einer Schulter (8) im Inneren des Außenrohres (2) ab.

Der innere Lagerring (5) ist mit einem Keil (9) be­ festigt, der auf einer Wellenbüchse (10) und einem Außenring (11) abgestützt ist, der bei (12) mit einer Schulter des Außenrohres (2) verschraubt ist. Ein oder mehrere Axialkanäle (14) stellen eine Flüssigkeitsverbindung zu einem Ringraum (15) her, der mit dem Schmiermittel einer Dauerschmierung des Wälzlagers (6) ausgefüllt ist.

In einem Ringzylinder (16) ist ein Ringkolben (17) flie­ gend gelagert. Die nach vorn gerichtete Kolbenflä­ che schließt einen Ringraum (18) ab, der durch eine Axialbohrung (19) und eine von einer Schraube flüs­ sigkeitsdicht verschlossene Radialbohrung (20) mit der Schmierflüssigkeit der Dauerschmierung gefüllt werden kann. Über einen Axialkanal (20) besteht eine Flüssigkeitsverbindung zu dem Raum (15).

Die den Ringraum (18) abschließende Kolbenfläche wird von einem Kolbenring (21) gebildet, der von einem Sprengring (22) im Inneren des Ringkolbens (17) gehalten wird. Stopfbuchsen (23, 24) dienen zur inneren Abichtung des Ringkolbens (17), während eine O-Ringdichtung (25) zur äußeren Abdichtung des Ringkolbens dient.

Der Ringzylinder (16) ist mehrteilig. Er besteht aus einer konzentrisch äußeren Zylinderbüchse (26) und einer konzentrischen inneren Zylinderbüchse (27). Die Zylinderbüchse (27) hat einen Radial­ flansch (28), welcher mit einem Dichtungssitzring (29), wie bei (32a) dargestellt, verschraubt ist. Ein entsprechender Sitzring (31) ist an der hinte­ ren Ringfläche der konzentrisch äußeren Zylinder­ büchse bei (32) verschraubt. Die drehfest mit dem Ringzylinder (16) verbundenen Sitzringe begrenzen mit ihren einander zugekehrten Stirnflächen einen Ringspalt (33a). Dieser ist mit einer mehrteiligen Dichtungsanordnung an seinem unteren Ende verwahrt, der in der vergrößerten Teildarstellung der Zeich­ nung wiedergegeben ist. Danach sind die dachförmig nach innen und unten abgeschrägten Sitze (33, 34) der Dichtungssitzringe (29, 30) für Stützringe (35, 36) eingerichtet, die ihrerseits L-förmige Dichtringe (37, 38) abstützen. Die kürzeren Schenkel dieser Dichtringe stützen sich aufeinander ab und dichten dadurch den Spalt (33a) ab. Die inneren Schenkel der L-förmigen Dichtringe (37, 38) stützen sich auf den Ringen (35 und 36) ab. Unter diesen Schenkeln befindet sich ein Teil des Raumes, der mit (39) bezeichnet ist und eine Schmiermittel-, z. B. eine Fettfüllung aufweist, die luftfrei ist. Diese reicht über den Ringraum (40) auf die Fläche des Ringkolbens und die freiliegende Ringfläche der Stopfbuchse (24), wodurch der Ringkolben (17) auf dieser Seite mit dem Druck der außen anstehenden Bohrtrübe belastet ist.

Zwischen der konzentrischen inneren Zylinderbuchse (27) und der Bohrwelle (1) ergibt sich durch die mit dem Außenrohr (2) bestehende Verbindung des Ringkolbens (16) ein Spalt (41). Dieser ist mit einer O-Ringdichtung in der inneren Zylinderfläche der konzentrisch inneren Buchse (27) gegen die Bohrwelle (2) abgedichtet und mit dem Schmiermittel des Nadellagers (6) über den Ringraum (15) gefüllt. Zum Einfüllen des Schmiermittels der Dauer­ schmierung dient ein Nippel (43), der über einen Axial-Radialkanal mit dem Ringspalt (41) verbunden ist.

Die Montage der Teile erfolgt beginnend mit dem Wälzlager (6) und seiner Festlegung durch die Teile (9-11). Danach werden die Zylinderbüchsen (26, 27) montiert und der Ringkolben mit seinen Dichtungen (23, 24, 25) und seinem Kolbenring (21) montiert, wobei die beschriebene Spaltabdichtung hergestellt wird. Sobald diese Montage vollendet ist, wird über den Radialkanal (21a) durch eine an den Schmier­ nippel (43) angeschlossene Vakuumpumpe die Dauer­ schmierung eingefüllt, bis die Füllmenge erreicht ist. Danach wird die Einfüllöffnung mit der Schraube des Radialkanals (21a) verschlossen und die Pumpe am Schmiernippel (43) abgenommen. Die zur Vermittlung des Drucks der Bohrlochspülung dienende Flüssigkeitsfüllung in den Räumen (39 und 40) läßt sich durch den Ringspalt (33a) einbringen.

Im Bohrbetrieb dreht sich die Bohrwelle (1), wäh­ rend das Außenrohr (2) mit dem mit ihm drehfest verbundenen Ringzylinder (16) die Drehung nicht mitmacht, sondern sich nur entsprechend dem Bohr­ fortschritt mit der Zielbohrstange nach unten be­ wegt.

Mit dem Flansch (28) ist ein Rohrabschnitt (43a) verbunden, der eine Radialbohrung (44) überdeckt, die über eine Radial-Axialbohrung (45) mit dem auf­ steigenden Strom der Bohrflüssigkeit verbunden ist. Die Bohrung (44) stellt die Verbindung zum abstei­ genden Strom der Bohrflüssigkeit her. Hierdurch ist es möglich, über die Bohrtrübe Signale zu übertra­ gen, welche Daten aus dem Bohrlochtiefsten in Form von Telegrammen an die Tagesoberfläche übertragen werden.

Claims (6)

1. Zielbohrstange mit einer Rohrwellenlagerung in einem konzentrisch äußeren Rohr, welches ein Wälzlager aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Wälzlager (6) eine Dauerschmierung durch einen das Schmiermittel enthaltenden Ringzylinder (16) und einen Ringkolben (17) aufweist, der mit einer Kolbenfläche (21, 22) auf das Schmiermittel drückt und auf seiner gegenüberliegenden Kolben­ fläche mit dem hydrostatischen Druck einer die Zielbohrstange im Bohrloch umgebenden, aufstei­ genden Bohrtrübe unter Vermittlung einer Flüs­ sigkeitsfüllung belastet ist, welche im Ring­ zylinder (16) ansteht und über eine Radialdich­ tung (35-38) belastet ist, die mit der in einem Radialspalt (33a) anstehenden Bohrtrübe gespannt ist.

2. Zielbohrstange nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Stopfbuchsen (23, 24) zur Abdichtung des Ringkolbens (17) auf der radial inneren und äußeren Zylinderwand des Ringkolbens (16), wobei die Stopfbuchsen (23, 24) axial auf einem Sitz­ ring (21) abgestützt sind, der auf einem Spreng­ ring (22) abgestützt und gegen die Ringkolben­ wand abgedichtet ist.

3. Zielbohrstange nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringzylinder (16) aus konzentrischen Zylinderbüchsen (26, 27) aufgebaut ist, deren hohlzylindrischer Spalt (41) als Schmiermittelverbindungskanal vom Ring­ raum (18) zum Wälzlager (6) dient, wobei der hohlzylindrische Spalt (41) zwischen der konzen­ trisch inneren Zylinderbüchse (27) und der Bohr­ welle (1) mit einer Wellendichtung (42) ver­ schlossen und mit dem Schmiermittel der Dauer­ schmierung des Wälzlagers (6) gefüllt ist.

4. Zielbohrstange nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderbüchsen (26, 27) an ihren äußeren Enden feste Sitzringe (29, 30) aufweisen, die den Radialspalt (33a) ein­ schließen und eine mehrteilige Radialdichtung (35-38) abstützen, die längs des Radialspaltes symmetrisch geteilt ist.

5. Zielbohrstange nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Radial­ dichtungshälfte einen Stützring (35, 36), der auf dem Sitz angeordnet und einen L-förmigen Dichtring (37, 38) aufweist, dessen einer Schen­ kel auf der Flüssigkeitsfüllung ruht, während der andere Schenkel zur Spaltabdichtung dient und mit dem Dichtring (37, 38) in der anderen Hälfte zu­ sammenwirkt.

6. Zielbohrstange nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sitze (33, 34) für die Stützringe (35, 36) der beiden Dichtungssitzringe (29, 30) dachförmig nach innen und unten abge­ schrägt sind, die Stützringe (35, 36) einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen und die L-förmigen Dichtringe (37, 38) außen entsprechend der Neigung der Sitze (33, 34) schräg verlau­ fende Flächen aufweisen, während die sich auf der Flüssigkeitsfüllung abstützenden Flächen zylindrisch ausgebildet sind.