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Dokumentenidentifikation DE69930751T2 12.04.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001105616
Titel BOHRTURBINE
Anmelder Rotech Holdings Ltd., Aberdeen, GB
Erfinder Van Drentham-Susman, Hector Filippus Alexander, Skene, Aberdeen AB32 6NL, GB;
Stewart, Kenneth Roderick, Aberdeen AB15 6AS, GB
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
DE-Aktenzeichen 69930751
Vertragsstaaten DE, FR, GB, NL
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 27.07.1999
EP-Aktenzeichen 999367790
WO-Anmeldetag 27.07.1999
PCT-Aktenzeichen PCT/GB99/02450
WO-Veröffentlichungsnummer 2000008293
WO-Veröffentlichungsdatum 17.02.2000
EP-Offenlegungsdatum 13.06.2001
EP date of grant 05.04.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.04.2007
IPC-Hauptklasse E21B 4/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse F03B 13/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   F01D 1/34(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft Turbinen, die für Untertageanwendungen geeignet sind, wie beispielsweise das Untertagebohren und Antreiben verschiedener Bohrwerkzeuge.

Konventionelle Turbinen für eine Untertageverwendung weisen im Allgemeinen eine sich in Längsrichtung weg erstreckende Turbinenstufe auf, in der Antriebsfluid im Wesentlichen axial durch eine Vielzahl von Turbinenstufen gelangt, die in Reihe verbunden sind. Spezielle Nachteile dieser Art von Anordnung umfassen einen relativ niedrigen Wirkungsgrad infolge des schnellen Anstieges der Wirkungsgradverluste mit zunehmender Anzahl der Turbinenstufen und die beträchtliche Länge, die erforderlich ist, um jegliche nützliche Drehmomentniveaus zu erreichen. Typische kommerziell verfügbare Turbinen dieses Typs, die eine Größenordnung von 100 bis 200 Turbinenstufen aufweisen, weisen eine Länge von etwa 20 m und länger auf. Eine derartige Länge zeigt beträchtliche Einschränkungen betreffs der Verwendung derartiger Turbinen beim nichtgeradlinigen Bohren, beispielsweise bei Richtbohrsituationen, wegen der Beschränkungen beim minimalen Krümmungsradius der Ablenkung, der zur Anwendung gebracht werden kann, ebenso wie bei Bohrarbeitsgängen, die ein Schlangenrohr benutzen, wegen der großen Schmiereinrichtungen, die erforderlich sind, um die Turbine zusammen mit den erforderlichen Bohrwerkzeugen und anderen Ausrüstungen aufzunehmen. Das bewirkt wiederum wesentliche praktische Probleme bei der Positionierung des Injektors in einer geeigneten Höhe über der Schmiereinrichtung.

Im US 5098258 wird eine Turbine offenbart, die für eine Verwendung in einer Bohrgarnitur geeignet ist, die mit einem Rotaryantriebswerkzeug für das Untertagebohren und dergleichen versehen ist, um dem Rotaryantriebswerkzeug einen Rotationsantrieb zu erteilen, wobei die Turbine ein Rohrgehäuse aufweist, das eine Kammer einschließt, die darin drehbar montiert einen Rotor aufweist, der mindestens eine Turbinenradschaufelanordnung mit einer ringförmigen Anordnung von winkelig verteilten Schaufeln und einen im Allgemeinen sich axial erstreckenden ersten Antriebsfluidkanal im Allgemeinen radial nach innen oder nach außen vom Rotor aufweist, und einen weiteren Antriebsfluidkanal, wobei einer der Antriebsfluidkanäle einen Antriebsfluidzuführkanal bildet und mit einer Austrittsdüse(n) versehen ist, die für das Lenken von mindestens einem Strahl des Antriebsfluids auf die Turbinenschaufelanordnung ausgebildet und angeordnet ist, um dem Rotor einen Rotationsantrieb zu erteilen, wobei der andere einen Antriebsfluidaustrittskanal bildet und mit mindestens einer Austrittsöffnung für das Austreten des Antriebsfluids aus der mindestens einen Turbinenradschaufelanordnung versehen ist, und wobei der Rotor für das Kuppeln mit dem Rotaryantriebswerkzeug bei der Benutzung der Turbine ausgebildet und angeordnet ist, um so dem Werkzeug den Rotationsantrieb zu erteilen. Diese Offenbarung befasst sich jedoch nur mit einer „Widerstandsturbine", die „nach dem Prinzip der Scherbeanspruchung des Fluids funktioniert, das in den Durchgängen oder Kanälen in jeder Turbinenstufe gegen die Ränder der Turbinenschaufeln strömt. ... Die durch die Scherkraft erzeugte Leistung ist eine Funktion der relativen Geschwindigkeit des Fluids und der Schaufel und der Widerstandsfläche, wobei die Widerstandsfläche der Rand der Turbinenschaufeln ist und nicht die Fläche der Schaufel selbst."

Das US 2750154 offenbart eine Turbine mit gleichen konstruktiven charakteristischen Merkmalen wie die der vorliegenden Erfindung. Diese Offenbarung befasst sich jedoch nur mit einer drehmomentschwachen Turbine für das Bereitstellen nur einer ergänzenden axialen Schlagbohrbewegung, die bei einem konventionell angetriebenen Bohrmeißel überlagert wird, und spezieller mit dem Erzeugen einer hin- und hergehenden Verschiebung einer Turbinenrotoranlage, um so ein Schlagbohren bei einem konventionell (Rotarytisch) angetriebenen Bohrmeißel zur Anwendung zu bringen und offenbart nicht eine Turbine für den Rotaryantrieb des Bohrmeißels.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen oder mehrere der vorangehenden Nachteile und/oder Probleme zu vermeiden oder zu minimieren.

Es wurde jetzt ermittelt, dass eine kompakte drehmomentstarke Turbine mittels einer kombinierten Gleichdruck- und Widerstandsturbine ausgeführt werden kann, bei der die erhöhte Turbinenantriebsleistung durch Erhöhen der Antriebfluidenergieübertragungsleistung der Turbine eher parallel als in Reihe wie bei konventionellen Bohrturbinen erhalten wird.

Die vorliegende Erfindung stellt eine Turbine zur Verfügung, die für eine Verwendung in einer Bohrgarnitur geeignet ist, die mit einem Rotaryantriebswerkzeug für das Untertagebohren und dergleichen versehen ist, um dem Rotaryantriebswerkzeug einen Rotaryantrieb zu erteilen, wobei die Turbine ein Rohrgehäuse aufweist, das eine Kammer einschließt, die drehbar darin einen Rotor montiert aufweist, der mindestens eine Turbinenradschaufelanordnung mit einer ringförmigen Anordnung von winkelig verteilten Schaufeln und einen im Allgemeinen sich axial erstreckenden ersten Antriebsfluidkanal im Allgemeinen radial nach innen oder nach außen vom Rotor aufweist, und einen weiteren Antriebsfluidkanal, wobei einer der Antriebsfluidkanäle einen Antriebsfluidzuführkanal bildet und mit einer Austrittsdüse(n) versehen ist, und die für das Lenken von mindestens einem Strahl des Antriebsfluids auf die Turbinenschaufelanordnung ausgebildet und angeordnet ist, um dem Rotor einen Rotationsantrieb zu erteilen, wobei der andere einen Antriebsfluidaustrittskanal bildet und mit mindestens einer Austrittsöffnung für das Austreten des Antriebsfluids aus der mindestens einen Turbinenradschaufelanordnung versehen ist, und wobei der Rotor für das Kuppeln mit dem Rotaryantriebswerkzeug bei der Benutzung der Turbine ausgebildet und angeordnet ist, um so dem Werkzeug den Rotationsantrieb zu erteilen,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Turbine eine Gleichdruckturbine ist und die Turbinenradschaufeln mit Antriebsfluidaufnahmeflächen versehen sind, die im Allgemeinen nach hinten von einer Vorwärtsrichtung der Drehung des Rotors liegen, und die Antriebsfluidzuführkanalaustrittsdüsen für das Lenken des mindestens einen Strahles des Antriebsfluids auf die Schaufelantriebsfluidaufnahmeflächen ausgebildet und angeordnet sind, während sich die Schaufeln über die Düse(n) hinweg bewegen.

Vorzugsweise weist die Turbine eine große Anzahl, vorteilhafterweise eine Vielzahl, der Turbinenradeinrichtungen auf, die in einer Anordnung von parallelen Turbinenrädern angeordnet sind, die sich in Längsrichtung entlang der mittleren Rotationsachse der Turbine mit den entsprechenden parallelen Antriebsfluidzuführstrahlen erstrecken. Statt dessen oder zusätzlich zum Bereitstellen des inneren oder äußeren Antriebsfluidkanals für das Austreten des Antriebsfluids aus der Kammer könnten dort Austrittsöffnungen in der axialen Stirnwandeinrichtung der Kammer vorhanden sein, obgleich eine derartige Anordnung im Allgemeinen infolge der Schwierigkeiten bei der Herstellung und Abdichtung weniger bevorzugt würde. Bei einer noch weiteren Variante der vorliegenden Erfindung könnte sowohl die Antriebsfluidzuführ- als auch Austrittskanaleinrichtung im Futterrohr (d.h., radial nach außen vom Rotor) bereitgestellt werden, wobei Antriebsfluid in die Kammer vom Zuführkanal über die Düseneinrichtung eintritt, um auf die Turbinenschaufeleinrichtung aufzutreffen und sie nach vorn anzutreiben, und danach aus der Kammer über die Austrittsöffnungen, die winkelig von der Düseneinrichtung in einer stromabwärts gelegenen Richtung beabstandet sind, in die Austrittskanäle austritt.

Daher ist im Wesentlichen die Turbine der vorliegenden Erfindung von einer radialen (im Gegensatz zur axialen) Strömungsbeschaffenheit, wobei das Antriebsfluid zwischen radial (im Gegensatz zu axial) voneinander beabstandeten Positionen bewegt wird, um die Turbinenschaufeleinrichtungen anzutreiben.

Dementsprechend ist es bei einer Turbine der vorliegenden Erfindung leicht möglich, das Drehmoment zu vergrößern, indem die Düsenleistung (Anzahl und/oder Ausbreitung der Düsen (in Längsrichtung und/oder winkelig von der Turbine), usw.) und die Schaufelleistung (Anzahl der Schaufeln, deren axiale Größe (Längsrichtung der Turbine), usw.) erhöht werden, um so den parallelen Strom des Antriebsfluids durch die Turbine zu vergrößern, ohne dass man starke Verluste erleidet, denen man bei konventionellen Mehrstufenturbinen begegnet, die sich axial erstreckende Turbinenradanordnungen von in Reihe verbundenen funktionierenden Turbinenschaufelsätzen aufweisen.

Die Turbine der vorliegenden Erfindung weist ebenfalls einige bedeutende Vorteile gegenüber Moineau-Motoren darin auf, dass sie relativ viskose und/oder dichte Antriebsfluids verwenden kann, wie beispielsweise mehr oder weniger stark massebelastete Bohrspülungen, beispielsweise Bohrspülungen hoher Dichte, die mit Bentonit oder Baryten belastet sind, die beispielsweise für flache Hochdruckbohrungen erforderlich sind.

Ein weiterer wichtiger Vorteil gegenüber konventionellen Turbinen für eine Untertageverwendung ist, dass die Motoren der vorliegenden Erfindung bei einem bestimmten Abtriebsdrehmoment im Wesentlichen kürzer sind (selbst wenn irgendwelche Getriebe berücksichtigt werden, die für eine bestimmte praktische Anwendung erforderlich sein können). Typischerweise kann eine konventionelle Turbine eine Länge in der Größenordnung von 15 bis 20 Meter aufweisen, während eine vergleichbare Turbine der vorliegenden Erfindung eine Länge von nur 2 bis 3 Meter für ein gleiches Abtriebsdrehmoment aufweisen würde.

Ein noch weiterer Vorteil, der erwähnt werden kann, ist, dass der relativ hohe Gesamtwirkungsgrad der Turbinen der vorliegenden Erfindung die Verwendung von kleineren (Durchmesser) Turbinen gestattet als das bisher möglich war. Bei konventionellen Bohrturbinen werden die sogenannten „Spaltverluste", die infolge des Austrittes des Antriebsfluids zwischen den Spitzen der Turbinenschaufeln und dem Gehäuse infolge der Notwendigkeit eines begrenzten Zwischenraumes dazwischen auftreten, mit verringertem Turbinendurchmesser proportional größer. In der Praxis führt das zu einem minimalen effektiven Durchmesser für eine konventionelle Turbine in der Größenordnung von etwa 10 cm. Bei dem vergrößerten Gesamtwirkungsgrad der Turbinen der vorliegenden Erfindung wird es praktisch bedeutend, den Turbinendurchmesser zu verringern, möglicherweise bis zu 3 cm.

Bei einer bevorzugten Form der Erfindung dient die äußere Kanaleinrichtung dazu, das Antriebsfluid der Turbinenradeinrichtung über die Düseneinrichtung zuzuführen, die vorzugsweise so ausgebildet und angeordnet ist, dass ein Antriebsfluidstrahl im Allgemeinen tangential von der Turbinenradeinrichtung projiziert wird, und die innere Kanaleinrichtung dient dazu, das Antriebsfluid aus der Kammer auszustoßen, wobei die innere Kanaleinrichtung zweckmäßigerweise in einem mittleren Abschnitt des Rotors gebildet wird. Bei einer weiteren Form der Erfindung wird die innere Kanaleinrichtung benutzt, um das Antriebsfluid der Schaufeleinrichtung zuzuführen, die auf einer im Allgemeinen ringförmigen Turbinenradeinrichtung montiert ist. In diesem Fall werden die Düseneinrichtungen im Allgemeinen so ausgebildet und angeordnet, dass sie einen Antriebsfluidstrahl mehr oder weniger radial nach außen projizieren, und die Antriebsfluidaufnahmefläche der Schaufeleinrichtung wird dazu neigen, dass sie schräg von einer radialen Richtung ausgerichtet ist, um so eine Vorwärtsantriebskraftkomponente zu liefern, während der Strahl auf die Fläche auftrifft.

Im Prinzip könnte gerade eine einzelne Düseneinrichtung verwendet werden. Im Allgemeinen jedoch wird eine Vielzahl von winkelig verteilten Düseneinrichtungen verwendet, beispielsweise 2, 3 oder 4 mit jeweils 180°, 120° oder 90° Intervallen. Bei der bevorzugten Form der Erfindung werden die Düseneinrichtungen so ausgebildet und angeordnet, dass das Antriebsfluid im Wesentlichen tangential relativ zum Schaufeleinrichtungsweg gelenkt wird, kann aber statt dessen in einem stärkeren oder geringeren Ausmaß radial nach innen oder nach außen von einer tangentialen Richtung geneigt werden, beispielsweise unter einem Winkel von +5° (nach außen) bis –20° (nach innen), vorzugsweise 0° bis –10°, relativ zur tangentialen Richtung.

Wie es vorangehend erwähnt wird, kann das Drehmoment des Motors vergrößert werden, indem die Antriebsfluidenergieübertragungsleistung der Turbine parallel vergrößert wird. Die Antriebsleistung der Turbine kann erhöht werden, indem unter anderem das Winkelmaß der Düseneinrichtung in Form der Größe der einzelnen Düseneinrichtung um das Gehäuse vergrößert wird, und/oder indem das Längsmaß der Düseneinrichtung in Form der sich in Längsrichtung erstreckenden und/oder vergrößerten Anzahl von in Längsrichtung verteilten Düseneinrichtungen vergrößert wird. Im Allgemeinen jedoch sollte die Austrittsgröße der einzelnen Düseneinrichtung in einer im Allgemeinen bekannten Weise begrenzt werden, um so einen Strahlstrom von relativ hoher Geschwindigkeit zu liefern. Die Strahlstromgeschwindigkeit ist im Allgemeinen annähernd das Doppelte der linearen Geschwindigkeit der Turbine (im Fluidstrahlstromaufnahmeschaufelabschnitt) (siehe beispielsweise Standardtextbücher, wie beispielsweise „Fundamentals of Fluid Mechanics" von Bruce R. Munson und Mitarbeitern, veröffentlicht von John Wiley & Sons Inc.). Typischerweise würde bei einer Turbine der Erfindung mit einem Durchmesser von 3,125 in. (8 cm) ein Düsendurchmesser in der Größenordnung von 0,1 bis 0,35 in. (0,25 bis 0,89 cm) verwendet.

Die Größe der Schaufeleinrichtung, die insbesondere das Längsmaß der einzelnen Schaufeleinrichtungen und/oder die Anzahl der in Längsrichtung verteilten Schaufeleinrichtungen umfasst, wird im Allgemeinen an die der Düseneinrichtung angepasst. Vorzugsweise werden die Schaufeleinrichtung und die Halterung dafür so ausgebildet und angeordnet, dass die nicht gestützte Länge der Schaufeleinrichtung zwischen den axial aufeinanderfolgenden Halterungen minimiert wird, wodurch die Möglichkeit der Verformung der Schaufeleinrichtungen durch die Antriebsfluidstrahlwirkung darauf minimiert wird, und damit die Dicke der Schaufeleinrichtungswände minimiert werden kann. Die Anzahl der winkelig verteilten einzelnen Schaufeleinrichtungen kann ebenfalls variiert werden, obgleich die Hauptwirkung einer vergrößerten Anzahl in Beziehung zur Vergleichmäßigung der durch die Turbine gelieferten Antriebskraft zu finden ist. Vorzugsweise wird eine Vielzahl von mehr oder weniger dicht beabstandeten winkelig verteilten Schaufeleinrichtungen verwendet, zweckmäßigerweise mindestens 6 oder 8, vorteilhafterweise mindestens 9 oder 12 winkelig verteilte Schaufeleinrichtungen.

Es wird ebenfalls erkannt werden, dass verschiedene Formen der Schaufeleinrichtung verwendet werden können. Es können so mehr oder weniger ebene Schaufeleinrichtungen verwendet werden. Vorzugsweise jedoch wird eine Schaufeleinrichtung mit einer konkaven Antriebsfluidaufnahmefläche verwendet, worauf man sich auf eine derartige Schaufeleinrichtung hierin nachfolgend zweckmäßigerweise als eine Schaufeltascheneinrichtung bezieht. Die Schaufeltascheneinrichtung kann verschiedene Profilformen aufweisen, und sie kann offene Seiten aufweisen (an jedem Längsende davon). Zweckmäßigerweise sind die Schaufeltaschen von einem im Allgemeinen teilzylindrischen Kanalquerschnittsprofil (das aus einem zylindrischen Rohrabschnitt gebildet werden kann).

Verschiedene Formen der Schaufelhalterungseinrichtungen können in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Daher kann beispielsweise die Halterungseinrichtung in der Form einer im Allgemeinen ringförmigen Konstruktion mit in Längsrichtung voneinander beabstandeten Abschnitten vorliegen, zwischen denen sich die Schaufeleinrichtungen erstrecken. Alternativ kann ein mittleres Halterungselement verwendet werden, zweckmäßigerweise in der Form eines Rohres, das die innere Antriebsfluidkanaleinrichtung bereitstellt, mit Austrittsöffnungen dort hindurch, durch die das benutzte Antriebsfluid aus der Kammer ausgestoßen wird, wobei das mittlere Halterungselement radial nach außen vorstehende und axial voneinander beabstandete Flansche oder Finger aufweist, über die die Schaufeleinrichtungen gehalten werden. Alternativ können die Schaufeleinrichtungen Fußabschnitte aufweisen, die direkt mit dem mittleren Halterungselement verbunden sind.

Die Turbinen der vorliegenden Erfindung können typischerweise normale Laufgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 3000 bis 10000 U/min., beispielsweise von 5000 bis 8000 U/min., aufweisen. Um das Drehmoment zu erhöhen, werden sie vorzugsweise mit einer Getriebeeinrichtung verwendet. Im Allgemeinen können Getriebeeinrichtungen eingesetzt werden, die eine Geschwindigkeitsreduzierung von mindestens 5:1, vorzugsweise mindestens 10:1, bewirken. Zweckmäßigerweise wird eine in Reihe miteinander verbundene Anordnung von Planetengetrieben verwendet, von denen ein jedes ein Zahnradübersetzungsverhältnis in der Größenordnung von 3:1 bis 4:1 aufweist; beispielsweise würden 2 Getriebe, die jeweils ein Verhältnis von 3:1 aufweisen, ein Gesamtverhältnis von 9:1 liefern. Vorzugsweise wird ein Planetengetriebe mit typischerweise 3 oder 4 Planetenrädern verwendet, die in einer sich drehenden Planetenradträgerhalterung montiert sind, die verwendet wird, um einen Abtrieb in der gleichen Richtung zu liefern wie der Eingangsantrieb zum Sonnenrad, im Allgemeinen in Uhrzeigerrichtung, so dass der Abtrieb ebenfalls in Uhrzeigerrichtung ist. Vorzugsweise wird eine robuste Getriebeeinrichtung mit einem im Wesentlichen abgedichteten Grenzschmierungssystem verwendet, vorteilhafterweise mit einem Druckausgleichssystem für das Minimieren des Eindringens von Bohrspülung oder anderem Material aus dem Bohrloch in das Innere des Getriebes.

In einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Turbinenantriebssystem bereit, das für eine Verwendung beim Untertagebohren und dergleichen geeignet ist, das mindestens eine Turbine der Erfindung aufweist, die treibend mit mindestens einem Untersetzungsgetriebe verbunden ist. In einem noch weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Bohrgarnitur bereit, die mindestens eine Turbine der Erfindung aufweist, die treibend mit einem Werkzeug verbunden ist, vorzugsweise über mindestens ein Untersetzungsgetriebe. In einem noch weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Bohrvorrichtung bereit, die ein Bohrgestänge, das vorzugsweise ein Schlangenrohr aufweist, und eine Bohrgarnitur der Erfindung aufweist, bei der das Werkzeug einen Bohrmeißel aufweist.

Weitere bevorzugte charakteristische Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich werden, die als Beispiel für einige bevorzugte Ausführungen vorgelegt wird, die mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen veranschaulicht werden, die zeigen:

1 eine schematische Seitenansicht der Bohrlochfunktionselemente einer Bohrvorrichtung mit einem Turbinenantriebssystem der vorliegenden Erfindung;

2 einen Längsschnitt eines Teils des Bohrantriebssystems der Vorrichtung aus 1, die eine der Turbinenantriebsanlagen darin zeigt (einschließlich 2A, die eine Querschnittsdarstellung der Turbinenanlage ist), wobei das Lager und Dichtungsdetails der größeren Deutlichkeit halber weggelassen werden; und

2B eine Detaildarstellung, die die Verbindung zwischen der oberen und unteren Turbinenanlage zeigt;

3 eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Hauptteils des Turbinenrotors ohne die Schaufeltascheneinrichtungen;

4 und 5 Querschnittsdarstellungen des Rotors aus 3, aber mit Schaufeltascheneinrichtungen an Ort und Stelle;

6 eine Querschnittsdarstellung eines Planetengetriebesystems, das in der Vorrichtung in 1 verwendet wird; und

7 eine Querschnittsdarstellung gleich 2A in einem vergrößerten Maßstab, die eine alternative Form der Turbinenkonfiguration zeigt.

1 zeigt das Bohrlochende eines Bohrgestänges einer Bohrvorrichtung für ein Bohrloch, das eine Bohrgarnitur 1 aufweist, die mit einem Schlangenbohrrohr 2 verbunden ist. Die Hauptteile der Garnitur 1 sind in der Reihenfolge: ein oberes Verlängerungsstück 3; eine obere Turbine 4; eine untere Turbine 5; ein oberes Getriebe 6; ein unteres Getriebe 7; eine Lagerbaugruppe 8; ein unteres Verlängerungsstück 9; und ein Bohrmeißel 10. Wie detaillierter in 2 gezeigt wird, weist die obere Turbine 4 ein Außengehäuse 11 auf, in dem ein Stator 12 stationär montiert ist, der ein im Allgemeinen Rautenquerschnittsaußenprofil 13 aufweist, das mit dem Außengehäuse 11 zwei diametral gegenüberliegende im Allgemeinen halbringförmige Antriebsfluidzuführkanäle 14 dazwischen definiert. Am Uhrzeigerrichtungsende 15 eines jeden Kanals 14 ist eine Leitung 16 vorhanden, die eine Antriebsfluidzuführdüse 17 bereitstellt, die im Allgemeinen tangential von einer Kammer 18 mit zylindrischem Profil ausgerichtet ist, die durch den Stator 12 definiert wird, innerhalb dessen ein Rotor 19 angeordnet wird.

Der Rotor 19 ist drehbar mittels geeigneter Buchsen und Lager (nicht gezeigt) an Endabschnitten 20, 21 montiert, die nach außen aus jedem Ende 22, 23 des Stators 12 vorstehen. Wie in 3 bis 5 gezeigt wird, weist der Rotor 19 ein rohrförmiges mittleres Element 24 auf, das am oberen Endabschnitt 20 geschlossen ist, und weist zwischen den Endabschnitten 20, 21 eine Reihe von voneinander beabstandeten radial nach innen geschlitzten (25) Flanschen 26 auf, in denen stationär montierte zylindrische Rohre 27(siehe 4 und 5) vorhanden sind, die sich in Längsrichtung des Rotors erstrecken. 4 ist eine Querschnittsdarstellung durch einen Flansch 26, der die Basis und die Seiten der Rohre 27 daran trägt. 5 ist eine Querschnittsdarstellung des Rotors 19 zwischen aufeinanderfolgenden Flanschen 26 und zeigt eine Reihe von winkelig beabstandeten Austrittsöffnungen 28, die sich radial nach innen durch das rohrförmige mittlere Element 24 zu einem mittleren axialen Antriebsfluidaustrittskanal 29 erstrecken. Zwischen den Flanschen 26 werden die Rohre 27 weggeschnitten, um winkelig voneinander beabstandete Reihen von Schaufeltaschen 30 mit halbkreisförmigem Kanalquerschnitt bereitzustellen, die im Wesentlichen eine Reihe von Turbinenrädern 30a bilden, die durch Halteflansche 26 durchsetzt sind. Die Schaufeltaschen 30 sind so ausgerichtet, dass ihre konkaven inneren Antriebsfluidaufnahmeflächen 31 in Gegenuhrzeigerrichtung und nach hinten von der normalen Uhrzeigerrichtung der Drehung des Turbinenrotors 19 bei Verwendung der Turbine liegen. Die Schaufeltauschen 30 sind im Wesentlichen frei vom mittleren rohrförmigen Element 24 angeordnet, so dass das dadurch aufgenommene Antriebsfluid ungehindert aus den Schaufeltaschen 30 und eventuell aus den Austrittsöffnungen 28 strömen kann. Indem der Rotor 19 durch den Stator 12 eingeschlossen wird, wird erkannt werden, dass zusätzlich zur „Impuls"-Antriebskraft, die auf eine Schaufeltasche 30 direkt entgegengesetzt einer Düse 17 durch einen Strahl des daraus austretenden Antriebsfluids angewandt wird, weitere Schaufeltaschen ebenfalls eine „Widerstands"-Antriebskraft vom sich drehenden Strom des Antriebsfluids um das Innere der Kammer 18 herum empfangen werden, bevor er über die Austrittsöffnungen 28 und den Kanal 29 ausgestoßen wird.

Der Rotor 19 der oberen Turbine 4 ist mittels einer hexogonalen Kupplung 32 treibend mit dem Rotor der unteren Turbine 5 verbunden, die im Wesentlichen gleich der oberen Turbine 4 ist, und die wiederum treibend mittels des oberen und unteren Getriebes 6, 7 und geeigneter Kupplungen 33, 34, 35 mit dem unteren Verlängerungsstück 9 verbunden ist, das darin einen Bohrmeißel 10 montiert aufweist. Wie in 6 gezeigt wird, sind die Getriebe 6, 7 Planetengetriebe mit einem angetriebenen Sonnenrad 36, einem stationären Ring 37 und 4 Planetenrädern 38, die in einem Planetenradträger 39 montiert sind, der einen Abtrieb in der gleichen Richtung wie die Drehungsrichtung des angetriebenen Sonnenrades 36 liefert.

Bei der Verwendung der Vorrichtung gelangt das Antriebsfluid in das obere Verlängerungsstück 3 und gelangt nach unten in halbringförmige Zuführkanäle 14 der oberen Turbine 4 zwischen dem Außengehäuse 11 und deren Stator 12, von wo es mittels der Düsen 17 in die Kammer 18 gespritzt wird, in der der Rotor 19 montiert ist, um so in dessen Schaufeltaschen 30 aufzutreffen. Das Antriebsfluid wird aus der Kammer 18 über die Austrittsöffnungen 28 nach unten in den mittleren Austrittskanal 29 innerhalb des mittleren Rotorelementes 24 ausgestoßen, bis es dessen unteres Ende 24a erreicht, das in der hexagonalen Kupplung 32 in Eingriff ist, die es treibend mit dem geschlossenen oberen Ende 24b des Rotors 19 der unteren Turbine 5 verbindet. Das Fluid gelangt danach radial nach außen aus den Öffnungen 32a, die in der hexagonalen Kupplung 32 der unteren Turbine vorhanden sind, und gelangt danach in die halbringförmigen Zuführkanäle 14 der unteren Turbine 5 zwischen dem Außengehäuse 11 und deren Stator 12, um die untere Turbine 5 in der gleichen Weise wie die obere Turbine 4 anzutreiben. Es wird erkannt werden, dass die untere Turbine wirksam in Reihe mit der oberen Turbine angetrieben wird. Das erfolgt jedoch ziemlich effektiv und wirksam, wenn der sehr wirksame „parallele" Antrieb innerhalb einer jeden der oberen und unteren Turbine gegeben ist. Das Bohrspülungsantriebsfluid, das aus der unteren Turbine ausgestoßen wird, bewegt sich dann längs der mittleren Kanäle, die sich durch das Innere der Getriebe 6, 7 und des unteren Verlängerungsstückes 9 erstrecken, dessen oberes Ende sich durch das Innere der Lagerbaugruppe 8 erstreckt, um am Bohrmeißel 10 in der üblichen Weise auszutreten.

Bei einer einzelnen Turbinenanlage, wie in den Zeichnungen gezeigt wird, die für eine Verwendung in einer Bohrgarnitur mit einem Durchmesser von 3,125 in. (8 cm) geeignet ist, und einem Antriebsfluidzuführdruck von 70 kg/cm2 kann ein Abtriebsdrehmoment in der Größenordnung von 22,5 m·kg bei 6000 U/min. erhalten werden. Mit einem Untersetzungsverhältnis von 3:1 kann dann ein Abtriebsdrehmoment in der Größenordnung von 8 m·kg bei 2000 U/min. erhalten werden. Bei einem System, wie es veranschaulicht wird, kann ein Abtriebsdrehmoment in der Größenordnung von 2,5 m·kg bei 600 U/min. erhalten werden, das mit der Leistung eines gleichermaßen bemessenen konventionellen Moineau-Motors oder einer konventionellen Bohrturbine mit einem Durchmesser von 4 x'' (12 cm) und einer Länge von 50 ft. (15,24 m) vergleichbar ist.

Es wird erkannt werden, dass verschiedene Abwandlungen bei den vorangehend beschriebenen Ausführungen vorgenommen werden können, ohne dass man vom Bereich der vorliegenden Erfindung abweicht. Daher können beispielsweise die Profile der Schaufeltaschen 30 und ihre Ausrichtung sowie die Konfiguration und Ausrichtung der Düsen 17 alle abgewandelt werden, um so den Wirkungsgrad der Turbine zu verbessern.


Anspruch[de]
Turbine (4), die für eine Verwendung in einer Bohrgarnitur (1) geeignet ist, die mit einem Rotaryantriebswerkzeug (10) für das Untertagebohren und dergleichen versehen ist, um dem Rotaryantriebswerkzeug (10) einen Rotationsantrieb zu erteilen, wobei die Turbine (4) ein Rohrgehäuse (11) aufweist, das eine Kammer (18) einschließt, die darin drehbar montiert einen Rotor (19) aufweist, der mindestens eine Turbinenradschaufelanordnung (30a) mit einer ringförmigen Anordnung von winkelig verteilten Schaufeln (30) und einen im Allgemeinen sich axial erstreckenden ersten Antriebsfluidkanal (29) im Allgemeinen radial nach innen oder nach außen vom Rotor (19) aufweist, und einen weiteren Antriebsfluidkanal (14), wobei einer der Antriebsfluidkanäle (29, 14) einen Antriebsfluidzuführkanal bildet und mit einer Austrittsdüse(n) (17) versehen ist, die für das Lenken von mindestens einem Strahl des Antriebsfluids auf die Turbinenschaufelanordnung (30a) ausgebildet und angeordnet ist, um dem Rotor (19) einen Rotationsantrieb zu erteilen, wobei der andere einen Antriebsfluidaustrittskanal bildet und mit mindestens einer Austrittsöffnung (28) für das Austreten des Antriebsfluids aus der mindestens einen Turbinenradschaufelanordnung (30a) versehen ist, und wobei der Rotor (19) für das Kuppeln mit dem Rotaryantriebswerkzeug (10) bei der Benutzung der Turbine (4) ausgebildet und angeordnet ist (32), um so dem Werkzeug (10) den Rotationsantrieb zu erteilen, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine eine Gleichdruckturbine ist und die Turbinenradschaufeln (3) mit Antriebsfluidaufnahmeflächen (31) versehen sind, die im Allgemeinen nach hinten von einer Vorwärtsrichtung der Drehung des Rotors (19) liegen, und die Antriebsfluidzuführkanalaustrittsdüsen (17) für das Lenken des mindestens einen Strahles des Antriebsfluids auf die Schaufelantriebsfluidaufnahmeflächen (31) ausgebildet und angeordnet sind, während sich die Schaufeln (30) über die Düse(n) (17) hinweg bewegen. Turbine (4) nach Anspruch 1, bei der die mindestens eine Turbinenradschaufelanordnung (30a) eine Anordnung von parallelen Turbinenrädern aufweist, wobei sich die Anordnung in Längsrichtung entlang der mittleren Rotationsachse der Turbine (4) erstreckt, und bei der ein jedes der Turbinenräder (30a) eine dazugehörende entsprechende Austrittsdüse(n) für das Lenken von mindestens einem Strahl des Antriebsfluids auf die Schaufelantriebsfluidaufnahmeflächen (31) der Turbinenradschaufelanordnung (30a) aufweist. Turbine (4) nach Anspruch 2, bei der ein jedes Turbinenrad (30a) dazugehörend eine Vielzahl von winkelig verteilten Düsen für das Lenken einer Vielzahl von Strahlen des Antriebsfluids auf die Schaufelantriebsfluidaufnahmeflächen (31) des Turbinenrades (30a) aufweist. Turbine (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der ein jedes Turbinenrad (30a) mindestens 6 Turbinenschaufeln (30) aufweist. Turbine (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Turbinenschaufeln (30) ein teilzylindrisches Kanalquerschnittsprofil aufweisen. Turbine (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Turbinenradschaufelanordnung (30a) eine Reihe von axial beabstandeten sich radial nach außen erstreckenden Turbinenschaufelhalterungen (26) für das Montieren der winkelig verteilten sich axial erstreckenden Turbinenschaufelelemente (30) aufweist, die die Turbinenschaufeln (30) eines jeden Turbinenrades (30a) liefern. Turbine (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der der Antriebsfluidzuführkanal durch einen im Allgemeinen sich axial erstreckenden Antriebsfluidkanal (14) im Allgemeinen radial nach außen vom Rotor (19) gebildet wird, und bei der der Antriebsfluidaustrittskanal durch einen im Allgemeinen sich axial erstreckenden Antriebsfluidkanal (29) im Allgemeinen radial nach innen vom Rotor (19) gebildet wird. Turbine (4) nach Anspruch 7, bei der der äußere Antriebsfluidkanal (14) mit der Austrittsdüse(en) versehen ist und der innere Antriebsfluidkanal (29) mit der Austrittsöffnung(en) (28) versehen ist. Turbine (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der der Antriebsfluidzuführkanal durch einen im Allgemeinen sich axial erstreckenden Antriebsfluidkanal (14) im Allgemeinen radial nach innen vom Rotor (19) gebildet wird, und bei der der Antriebsfluidaustrittskanal durch einen im Allgemeinen sich axial erstreckenden Antriebsfluidkanal (29) im Allgemeinen radial nach außen vom Rotor (19) gebildet wird. Turbine (4) nach Anspruch 9, bei der der innere Antriebsfluidkanal (29) mit der Austrittsdüse(n) versehen ist und der äußere Antriebsfluidkanal (14) mit der Austrittsöffnung(n) versehen ist. Turbine (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der der Antriebsfluidzuführkanal durch einen im Allgemeinen sich axial erstreckenden Antriebsfluidkanal (14) im Allgemeinen radial nach außen vom Rotor (19) gebildet wird, und bei der der Antriebsfluidaustrittskanal durch einen im Allgemeinen sich axial erstreckenden Antriebsfluidkanal im Allgemeinen radial nach außen vom Rotor (19) gebildet wird. Turbine (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der der Antriebsfluidzuführkanal durch einen im Allgemeinen sich axial erstreckenden Antriebsfluidkanal (14) im Allgemeinen radial nach außen vom Rotor (19) gebildet wird, und bei der der Antriebsfluidaustrittskanal durch den Antriebsfluidkanal gebildet wird, der mit der Kammer (18) durch Austrittsöffnungen in der Endwand der Kammer (18) verbunden ist. Turbine (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der mindestens ein Untersetzungsgetriebe (6, 7) vorhanden ist und die Turbine (4) treibend mit dem mindestens einen Getriebe (6, 7) verbunden ist. Turbine (4) nach Anspruch 13, bei der das mindestens eine Getriebe (6, 7) ein Planetengetriebe ist. Turbine (4) nach Anspruch 14, bei der das mindestens eine Getriebe (6, 7) ein Untersetzungsverhältnis von mindestens 5:1 aufweist. Turbine (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wenn sie mit mindestens einer weiteren Turbine treibend gekuppelt ist. Bohrgarnitur (1), die mit einem Rotaryantriebswerkzeug (10) für das Untertagebohren und dergleichen versehen ist, wobei die Garnitur (1) mindestens eine Turbine (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 aufweist, wobei die Turbine (4) treibend mit dem Rotaryantriebswerkzeug (10) verbunden ist (32), um so den Rotationsantrieb für den Betrieb des Werkzeuges (10) bereitzustellen. Bohrgarnitur (1) nach Anspruch 17, bei der die Turbine (4) treibend mit dem Rotaryantriebswerkzeug (10) über mindestens ein Untersetzungsgetriebe (6, 7) verbunden ist. Bohrvorrichtung, die ein Bohrgestänge (2) und eine Bohrgarnitur (1) nach Anspruch 17 aufweist, bei der das Rotaryantriebswerkzeug (10) einen Bohrmeißel aufweist. Bohrvorrichtung nach Anspruch 19, bei der das Bohrgestänge (2) ein Schlangenrohr aufweist.






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