EP0459008A2

EP0459008A2 - Drilling tool for directional drilling

Info

Publication number: EP0459008A2
Application number: EP90115963A
Authority: EP
Inventors: Hans-Jürgen Faber; Dagobert Feld; Volker Dr.-Ing. Krüger
Original assignee: Eastman Christensen Co; Eastman Teleco Co
Current assignee: Baker Hughes Oilfield Operations LLC
Priority date: 1990-06-01
Filing date: 1990-08-21
Publication date: 1991-12-04
Anticipated expiration: 2010-08-21
Also published as: EP0459008B1; EP0459008A3; DE4017761A1; US5168941A; DE59010342D1

Abstract

The drilling tool for sinking boreholes in underground rock formations while predetermining a selectable directional progress for the borehole comprises a tubular outer housing (1) which can be connected to a drill-pipe string via top connection means, a bit drive shaft (3) revolving in the outer housing (1) and carrying a rotary drill bit (2) on its end projecting from the outer housing (1), a number of hydraulically operable force transmitters (6, 7, 8, 9; 106, 107, 108, 109; 206, 207, 208, 209) arranged so as to be distributed over the periphery in the outer housing (1) and intended for producing directional forces with radially orientated force components for the orientation of the drilling tool, and a control device for the force transmitters, which is provided with an electrically operable control valve (10, 12, 110, 112) per force transmitter for hydraulically loading the latter, measurement transducers (20, 21, 22) for positional data of the drilling tool, and a signal transmitter (18, 19) producing electric control signals for the control valve drives (14, 16, 114, 116). In this arrangement, drilling fluid of higher pressure or drilling fluid of lower pressure can alternatively be admitted to each hydraulic pressure space (32, 33, 34, 35; 132, 133, 134, 135; 232, 233, 234, 235; 306, 308; 406, 407, 408, 409) of a force transmitter via at least one connecting passage (36, 37, 38, 39; 136, 137, 138, 139; 326, 237, 238, 239) and the control valve (10, 12, 110, 112) allocated to the latter.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Bohrwerkzeug zum Abteufen von Bohrungen in unterirdische Gesteinsformationen unter Vorgabe eines wählbaren Richtungsverlaufs für das Bohrloch in einer Ausbildung gemäß dem Oberbegriff des AnspruchsThe invention relates to a drilling tool for sinking bores into underground rock formations, with the specification of a selectable direction course for the borehole in an embodiment according to the preamble of the claim

Bei einer bekannten Ausführung eines derartigen Bohrwerkzeugs (Schwing-Prospekt "Zielbohrtechnik") ist für die Beaufschlagung der Kraftgeber ein im Werkzeug untergebrachtes abgeschlossenes Hydrauliksystem mit einem Hydraulikspeicher und einer Hydraulikpumpe vorgesehen. Die Kraftgeber wirken dabei auf Steuerkufen, die gegen die Bohrlochwand gedrückt werden.In a known embodiment of such a drilling tool (Schwing prospectus "target drilling technology"), a hydraulic system housed in the tool with a hydraulic accumulator and a hydraulic pump is provided for the application of the force transducers. The force transmitters act on control skids that are pressed against the borehole wall.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bohrwerkzeug der eingangs genannten Art mit einem wesentlich vereinfachten Hydrauliksystem für die Steuerung der Kraftgeber zu schaffen, und die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Bohrwerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Hinsichtlich wesentlicher weiterer Ausgestaltungen wird auf die Ansprüche 2 bis 30 verwiesen.The invention has for its object to provide a drilling tool of the type mentioned with a significantly simplified hydraulic system for the control of the force transducer, and the invention solves this problem by a drilling tool with the features of claim 1. With regard to essential further embodiments, the claims 2 to 30 referenced.

Das Bohrwerkzeug nach der Erfindung bedient sich für die Ableitung der benötigten richtungsgebenden Kräfte der ohnehin vorhandenen Bohrspülung als Hydraulikmedium, so daß sich die bauliche Gestaltung des Werkzeugs wesentlich vereinfacht. Die hydraulischen Druckräume der Kraftgeber werden bevorzugt ständig, allenfalls von zeitlich befristeten Unterbrechungen abgesehen, durchströmt, so daß Sedimentbildungen wirksam begegnet ist.The drilling tool according to the invention uses for the Derivation of the required directional forces of the drilling fluid, which is present anyway, as a hydraulic medium, so that the structural design of the tool is considerably simplified. The hydraulic pressure chambers of the force transmitters are preferably continuously flowed through, apart from temporary interruptions, so that sediment formation has been effectively countered.

Die Kraftgeber können eine Verlagerung des Außengehäuses des Bohrwerkzeugs mitsamt Meißelantriebswelle herbeiführen, jedoch kann statt dessen die Meißelantriebswelle auch begrenzt radial verlagerbar im Außengehäuse abgestützt und mittels einer Mehrzahl von über den Umfang verteilt angeordneten Kraftgebern aus einer Stellung im Außengehäuse zu Richtzwecken in eine andere Stellung verlagerbar sein. Eine derartige Ausgestaltung verlegt die bei Richtungsänderungen erforderlichen Bauteilverlagerungen in das innere des Bohrwerkzeugs, wodurch sich die Ausbildung des Außengehäuses vereinfacht.The force transducers can bring about a displacement of the outer housing of the drilling tool together with the chisel drive shaft, but instead the chisel drive shaft can also be supported in the outer housing to a limited extent in a radially displaceable manner and can be displaced from one position in the outer housing to a different position for straightening purposes by means of a plurality of distributors arranged over the circumference . Such a configuration relocates the component displacements required in the event of changes of direction into the interior of the drilling tool, which simplifies the design of the outer housing.

Zahlreiche weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung, in der mehrere Ausführungsbeispiele des Gegenstands der Erfindung schematisch näher veranschaulicht sind. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1: eine abgebrochene schematische Darstellung eines Bohrwerkzeugs nach der Erfindung mit Kraftgebern, die auf an die Bohrlochwandung anlegbare Druckstücke einwirken, im Längsschnitt,
Fig. 2: eine Darstellung ähnlich Fig. 1 eines Bohrwerkzeugs mit im Außengehäuse begrenzt radial verlagerbar abgestützter Meißelantriebswelle und auf diese einwirkenden Kraftgebern,
Fig. 3: einen Schnitt nach der Linie III-III in Fig. 1,
Fig. 4: einen Schnitt nach der Linie IV-IV in Fig. 2,
Fig. 5: eine Schnittdarstellung ähnlich Fig. 4 zur Veranschaulichung einer abgewandelten Ausführung,
Fig. 6a: einen in der linken und der rechten Hälfte unterschiedlichen hydraulischen Schaltplan für ein Bohrwerkzeug nach Fig. 2, und
Fig. 6b: einen abgewandelten hydraulischen Schaltplan für ein Bohrwerkzeug nach Fig. 2, und
Fig. 7 bis 9: schematische Darstellungen unterschiedlicher Anordnungen von Kraftgebern im Bohrwerkzeug.

Numerous further details and advantages emerge from the following description and the drawing, in which several exemplary embodiments of the object of the invention are illustrated schematically. The drawing shows:

Fig. 1: 2 shows a broken schematic representation of a drilling tool according to the invention with force transmitters which act on pressure pieces which can be placed on the borehole wall, in longitudinal section,
Fig. 2: 1 is a representation similar to FIG. 1 of a drilling tool with a chisel drive shaft which is supported in a radially displaceable manner in the outer housing and force transducers acting thereon,
Fig. 3: 2 shows a section along the line III-III in FIG. 1,
Fig. 4: a section along the line IV-IV in Fig. 2,
Fig. 5: 3 shows a sectional illustration similar to FIG. 4 to illustrate a modified embodiment,
Fig. 6a: a in the left and the right half different hydraulic circuit diagram for a drilling tool according to FIG. 2, and
Fig. 6b: a modified hydraulic circuit diagram for a drilling tool according to FIG. 2, and
7 to 9: schematic representations of different arrangements of force transmitters in the drilling tool.

Die Fig. 1 veranschaulicht ein Bohrwerkzeug zum Abteufen von Bohrungen in unterirdische Gesteinsformationen, das ein Außengehäuse 1 mit einem Stabilisator 100 und eine in dem Außengehäuse 1 umlaufende, auf ihrem vorstehenden Ende einen Drehbohrmeißel 2 tragende Meißelantriebswelle 3 umfaßt. Das Außengehäuse 1 ist über beim Bohrwerkzeug nach Fig. 2 veranschaulichte obere Anschlußmittel, insbesondere ein oberes Anschlußgewinde 4, mit einem Bohrrohrstrang verbindbar, wie er in Fig. 2 bis 5 schematisch angedeutet ist, durch den dem Bohrwerkzeug Bohrspülung zugeführt wird. Die Meißelantriebswelle 3 wird von einem nicht dargestellten hydraulischen, im oberen Bereich des Bohrwerkzeugs im Außengehäuse untergebrachten Antriebsmotor, z.B. einem Moineau-Motor oder einer Turbine, angetrieben.1 illustrates a drilling tool for drilling holes in underground rock formations, which comprises an outer housing 1 with a stabilizer 100 and a chisel drive shaft 3 rotating in the outer housing 1 and having a rotary drill bit 2 on its projecting end. The outer housing 1 can be connected via the upper connecting means, in particular an upper connecting thread 4, illustrated in the drilling tool according to FIG. 2, to a drill pipe string, as is schematically indicated in FIGS. 2 to 5, through which drilling fluid is supplied to the drilling tool. The chisel drive shaft 3 is driven by a hydraulic drive motor, not shown, located in the upper area of the drilling tool in the outer housing, e.g. a Moineau engine or a turbine.

Das Außengehäuse 1 ist mit vier über den Umfang verteilt angeordneten, hydraulisch betätigbaren Kraftgebern 6,7,8,9 versehen, die in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind und eine Gruppe bilden. Bevorzugt weist jedes Bohrwerkzeug mehrere im Abstand übereinander angeordnete Gruppen von Kraftgebern 6 bis 9 auf, von denen zweckmäßig die jeweils in vertikaler Richtung fluchtend übereinander liegenden, gleichwirkenden Kraftgeber unteinander zu gemeinsamer Betätigung hydraulisch gesteuert sind.The outer housing 1 is provided with four hydraulically actuated force transmitters 6, 7, 8, 9, which are distributed over the circumference and are arranged in a common plane and form a group. Each drilling tool preferably has a plurality of groups of force transmitters 6 to 9 which are arranged one above the other at a distance, of which expediently the force transmitters which are aligned one above the other in the vertical direction are hydraulically controlled to actuate them together.

Für die hydraulische Beaufschlagung der Kraftgeber 6,7,8,9 ist eine Steuervorrichtung vorgesehen, die je Kraftgeber, bei Vorhandensein von mehreren übereinander angeordneten Gruppen von Kraftgebern je Gruppe gleichwirkender Kraftgeber, ein elektrisch betätigbares Steuerventil aufweist. In Fig. 1 sind lediglich die Steuerventile 10 und 12 für die Beaufschlagung der Kraftgeber 6 und 8 bzw. diesen gleichwirkend zugeordneten Kraftgebern dargestellt. Es versteht sich jedoch, daß entsprechende Ventile auch für die Kraftgeber 7 und 9 vorhanden sind. Die Elektromagneten 14,16 der Steuerventile 10,12 sind an einen Signalgeber angeschlossen, wie er für das Bohrwerkzeug gemäß Fig. 2 schematisch bei 18 angedeutet ist. Dieser Signalgeber 18 ist zusammen mit einem weiteren Signalgeber 19, der für unterschiedliche Steuerungsaufgaben vorgesehen sein kann und in Fig. 2 schematisch veranschaulicht ist, und mit einem Meßwertaufnehmer 20 für Lagedaten des Bohrwerkzeugs ebenfalls Bestandteil der Steuervorrichtung für die Kraftgeber. In Fig. 2 ist bei 20 schematisch ein Meßwertaufnehmer dargestellt, zusätzlich zu dem weitere Meßwertaufnehmer 21,22 für Lagedaten vorgesehen sein können, wie das in Fig. 2 veranschaulicht ist. Die elektrische Versorgung ist über Batterien 23 sicherbar, die wie die übrigen elektrischen und sensorischen Bestandteile der Steuervorrichtung in einem Ringraum 24 des Außengehäuses 1 untergebracht sein können. Anstelle einer von Batterien 24 gebildeten Energiequelle ist auch eine Energieversorgung mit Hilfe eines von einer Turbine getriebenen elektrischen Generators denkbar. Die Turbine kann von Bohrspülung betrieben werden.A control device is provided for the hydraulic actuation of the force transducers 6, 7, 8, 9. in the presence of a plurality of groups of force transmitters arranged one above the other, each group of force transmitters having the same effect, has an electrically actuable control valve. In Fig. 1, only the control valves 10 and 12 for acting on the force transmitters 6 and 8 or force transmitters assigned to them in the same way are shown. However, it goes without saying that corresponding valves are also provided for the force transmitters 7 and 9. The electromagnets 14, 16 of the control valves 10, 12 are connected to a signal transmitter, as indicated schematically at 18 for the drilling tool according to FIG. 2. This signal generator 18, together with a further signal generator 19, which can be provided for different control tasks and is illustrated schematically in FIG. 2, and with a measured value sensor 20 for position data of the drilling tool is also part of the control device for the force transmitter. 2 schematically shows a sensor at 20, in addition to which further sensors 21, 22 can be provided for position data, as illustrated in FIG. 2. The electrical supply can be secured via batteries 23 which, like the other electrical and sensory components of the control device, can be accommodated in an annular space 24 of the outer housing 1. Instead of an energy source formed by batteries 24, an energy supply using an electrical generator driven by a turbine is also conceivable. The turbine can be operated by drilling fluid.

Die Kraftgeber 6,7,8,9 bzw. diesen jeweils gleichwirkend parallel geschaltete Kraftgeber wirken auf Druckstücke 26,27,28,29 ein, die im oder am Außengehäuse 1 ein- und auswärts verlagerbar abgestützt und wie die vier Kraftgeber 6,7,8,9 unter 90° Zentriwinkel an die Bohrlochwandung 30 anlegbar sind.The force transmitters 6, 7, 8, 9 or force transmitters connected in parallel to each other act on pressure pieces 26, 27, 28, 29, which are supported in or on the outer housing 1 so as to be displaceable in and out, and like the four force transmitters 6, 7, 8.9 can be applied to the borehole wall 30 at a central angle of 90 °.

Jeder hydraulische Druckraum 32,33,34,35 eines Kraftgebers 6,7,8,9 ist über einen Verbindungskanal 36,37,38,39 und das diesem zugeordnete Steuerventil (10,12 für die Verbindungskanäle 36,38) wahlweise mit Bohrspülung höheren Drucks oder mit Bohrspülung niedrigeren Drucks beaufschlagbar. Dazu ist oberhalb der Gruppe von Kraftgebern 6,7,8,9 je Verbindungskanal 36,37,38,39 eine Zuleitung vorgesehen, von denen in Fig. 1 lediglich die Zuleitungen 40,42 für die Verbindungskanäle 36 und 38 veranschaulicht sind. Diese Zuleitungen werden jeweils vom zugehörigen Steuerventil (wie den Steuerventilen 10,12) beherrscht und münden aus einem Ringspalt 43 aus, der über eine Abzweigleitung 44, die zum Ringraum 45 in der Meißelantriebswelle 3 führt, an Bohrspülung höheren Drucks angeschlossen ist.Each hydraulic pressure chamber 32, 33, 34, 35 of a force transmitter 6, 7, 8, 9 is optionally higher with a drilling fluid via a connecting channel 36, 37, 38, 39 and the control valve assigned to it (10, 12 for the connecting channels 36, 38) Pressure or with drilling fluid of lower pressure. For this purpose, a feed line is provided above the group of force transmitters 6, 7, 8, 9 per connection channel 36, 37, 38, 39, of which only the feed lines 40, 42 for the connection channels 36 and 38 are illustrated in FIG. 1. These feed lines are each controlled by the associated control valve (such as the control valves 10, 12) and open out from an annular gap 43 which is connected to drilling fluid of higher pressure via a branch line 44 which leads to the annular space 45 in the bit drive shaft 3.

Die Verbindungskanäle 36,37,38,39 münden je über eine Drosselstelle in den Ringraum und damit in einen Bereich mit Bohrspülung niedrigeren Drucks aus, wie das in Fig. 1 bei 46 und 48 für die Verbindungskanäle 36 und 38 veranschaulicht ist.The connecting channels 36, 37, 38, 39 each open via a throttle point into the annular space and thus into an area with drilling fluid of lower pressure, as is illustrated in FIG. 1 at 46 and 48 for the connecting channels 36 and 38.

Bei geöffnetem Steuerventil bildet sich bei der Ausführung nach Fig. 1 in den Verbindungskanälen 36,37,38,39 und den an diese angeschlossenen Druckräumen 32,33,34,35 jeweils ein Druck aus, der höher ist als jener Druck, der sich einstellt, wenn die Steuerventile jeweils geschlossen sind. Denn in diesem Falle bildet sich in den Verbindungskanälen 36,37,38,39 über deren Anschluß an den Ringraum 50 ein dem Druck in der Spülung im Ringraum entsprechender Druck aus, der niedriger ist als der Bohrspülungsdruck im Bohrwerkzeug.When the control valve is open, in the embodiment according to FIG. 1, a pressure is formed in the connecting channels 36, 37, 38, 39 and the pressure chambers 32, 33, 34, 35 connected to them, which is higher than the pressure that arises when the control valves are closed. In this case, a pressure corresponding to the pressure in the flushing in the annular space is formed in the connecting channels 36, 37, 38, 39 via their connection to the annular space 50, which pressure is lower than the drilling fluid pressure in the drilling tool.

Bei dem in Fig. 1 veranschaulichten Beispiel sind die Verbindungskanäle 36,37,38,39 zwischen ihren Enden über einen Zweigkanal 56,57,58,59 an den zugehörigen Druckraum 36,37,38,39 des Kraftgebers 6,7,8,9 angeschlossen, und die Druckänderung in den Druckräumen entspricht der Druckänderung, wie sie sich in den einenends von Bohrspülung höheren und anderenends von Bohrspülung niedrigeren Drucks beaufschlagten Verbindungskanälen 36,37,38,39 insgesamt ausbildet.In the example illustrated in FIG. 1, the connecting channels 36, 37, 38, 39 between their ends are connected via a branch channel 56, 57, 58, 59 to the associated pressure space 36, 37, 38, 39 of the force generator 6, 7, 8. 9 connected, and the pressure change in the pressure chambers corresponds to the pressure change as it forms in the connection channels 36, 37, 38, 39, which are pressurized at one end with higher drilling fluid and at the other end with lower drilling fluid.

Statt dessen besteht jedoch auch die Möglichkeit, jedem hydraulischen Druckraum eines Kraftgebers zwei getrennte Verbindungskanäle zuzuordnen, von denen der eine mit Bohrspülung höheren Drucks und der andere mit Bohrspülung niedrigeren Drucks in Verbindung steht und einem Verbindungskanal, entweder in dem mit höherem oder dem mit niedrigerem Bohrspülungsdruck beaufschlagten Verbindungskanal bzw. -kanalteil ein Steuerventil vorzusehen. In Sonderfällen können auch in beiden Verbindungskanälen bzw. -kanalteilen gesonderte Steuerventile vorgesehen sein. Dies ermöglicht zum Beispiel durch Differenzdruckbildung eine besondere Druckabstufung, insbesondere wenn Steuerventile mit einem Ventilkörper versehen sind, der in Schließendstellung den Strömungsquerschnitt des Ventilkanals lediglich verringert, nicht jedoch vollständig verschließt, wie dies zur Aufrechterhaltung einer ständigen Durchströmung von Druckräumen und Verbindungskanälen erwünscht sein kann.Instead, however, there is also the possibility of two separate hydraulic pressure chambers of a power transmitter Assign connecting channels, one of which is connected to a higher pressure drilling fluid and the other to a lower pressure drilling fluid and a connecting channel to provide a control valve either in the connecting channel or channel part which is pressurized with a higher or lower drilling fluid pressure. In special cases, separate control valves can also be provided in both connecting channels or channel parts. This enables a special pressure gradation, for example, through the formation of differential pressure, in particular if control valves are provided with a valve body which, in the closed end position, only reduces the flow cross section of the valve channel, but does not completely close it, as may be desired in order to maintain a constant flow through pressure chambers and connecting channels.

In Abwandlung der Anschlüsse der Verbindungskanäle 36,37,38,39 an Bohrspülung höheren und Bohrspülung niedrigeren Drucks, wie sie bei der Ausführung nach Fig. 1 und 2 vorgesehen ist, besteht auch die Möglichkeit, die Beaufschlagung mit Bohrspülung höheren Drucks aus einem Bohrspülungskanal wie dem Bohrspülungskanal 45 im Außengehäuse 1 in Strömungsrichtung vor einer Drosselstelle und die Beaufschlagung mit Bohrspülung niedrigeren Drucks aus dem gleichen Bohrspülungskanal hinter der Drosselstelle abzuleiten.In a modification of the connections of the connecting channels 36,37,38,39 to drilling fluid higher and drilling fluid lower pressure, as is provided in the embodiment according to FIGS. 1 and 2, there is also the possibility of applying the drilling fluid higher pressure from a drilling fluid channel such as derive the drilling fluid channel 45 in the outer housing 1 in the flow direction in front of a throttle point and the application of lower pressure drilling fluid from the same drilling fluid channel behind the throttle point.

Alternativ dazu kann die Beaufschlagung mit Bohrspülung höheren Drucks auch aus dem das Außengehäuse 1 umgebenden Ringraum 50 in Strömungsrichtung vor einer Drosselstelle für die den Ringraum durchströmende Bohrspülung und mit Bohrspülung niedrigeren Drucks aus dem Ringraum 50 hinter einer solchen Drosselstelle abgeleitet werden. Eine solche Drosselstelle kann beispielsweise von einem Stabilisator gebildet sein.As an alternative to this, the application of higher pressure drilling fluid can also be derived from the annular space 50 surrounding the outer housing 1 in the flow direction in front of a throttle point for the drilling fluid flowing through the annular space and with lower pressure drilling fluid from the annular space 50 behind such a throttle point. Such a throttle point can be formed, for example, by a stabilizer.

Umfassen die Kraftgeber Kolben 66,67,68,69 oder 266,267,268,269 (Fig. 5), wie das bei den Kraftgebern 6,7,8,9 bzw. 206,207,208,209 der Fall ist, die in Zylinderräumen im Außengehäuse 1 aufgenommen sind, so kann der Dichtungsspalt zwischen Kolben und Zylinder den mit Bohrspülung niedrigeren Drucks in Verbindung stehenden Verbindungskanal bzw. -kanalteil bilden. In diesem Fall, aber auch sonst, sind die einander zugewandten Flächen vorteilhaft mit einem Hartmetall gepanzert.If the force transducers comprise pistons 66, 67, 68, 69 or 266, 267, 268, 269 (FIG. 5), as is the case with the force transducers 6, 7, 8, 9 or 206, 207, 208, 209, which are accommodated in cylinder spaces in the outer housing 1, then the Sealing gap between piston and cylinder form the connecting channel or channel part connected to the drilling fluid with lower pressure. In this case, but also otherwise, the mutually facing surfaces are advantageously armored with a hard metal.

Die Steuerventile haben bevorzugt eine Ausbildung mit einem unverzweigten, lediglich in seinem Strömungsquerschnitt veränderbaren Ventilkanal, den die Ventilkörper entweder freigeben oder in Schließstellung völlig oder teilweise verschließen. Letztere Ausbildung hat den Vorteil, daß in Schließstellung des Steuerventils dieses lediglich eine Drosselstelle bildet.The control valves are preferably designed with an unbranched valve channel that can only be changed in its flow cross-section, which the valve bodies either release or completely or partially close in the closed position. The latter design has the advantage that in the closed position of the control valve, this only forms a throttle point.

Die bei der Ausführung nach Fig. 1 vorgesehene Kolben 66,67,68,69 wirken auf die Innenseite von Druckstücken 26,27,28,29 ein, die auf Führungsansätzen 76,77,78,79 des Außengehäuses 1 durch Anschläge 80 begrenzt verschieblich geführt und als Stabilisatorrippen ausgebildet sind.The pistons 66, 67, 68, 69 provided in the embodiment according to FIG. 1 act on the inside of pressure pieces 26, 27, 28, 29, which are limitedly displaceable by stops 80 on guide lugs 76, 77, 78, 79 of the outer housing 1 out and are designed as stabilizer ribs.

Im Gegensatz zur Ausführung des Bohrwerkzeugs nach Fig. 1 ist bei der Ausführung des Bohrwerkzeugs nach Fig. 2 die Meißelantriebswelle 3 im Außengehäuse 1 begrenzt radial verlagerbar abgestützt und mittels vier Kraftgebern 106,107,108,109 (Fig. 4) bzw. 206,207,208,209 (Fig. 5) - oder einem Mehrfachen davon bei mehreren parallel wirkenden Gruppen - aus einer Stellung im Außengehäuse 1 zu Richtzwecken in eine andere Stellung verlagerbar. Die Kraftgeber 106,107,108,109 sind dabei als Faltenbalgkolben ausgebildet, die einen Druckraum 132,133,134,135 umgrenzen, der über Verbindungskanäle 136,137,138,139 (Fig. 4) an die Bohrspülung in der oben in Verbindung mit der Ausführung nach Fig. 1 bzw. 3 beschriebenen Weise angeschlossen sind. Dies gilt auch für die Ausführung nach Fig. 5 mit den dort veranschaulichten Verbindungsskanälen 236,237,238,239, die den Druckräumen 236,237,238,239 zugeordnet sind. Auch die Anordnung der Steuerventile 110,112 mit ihren Elektromagnetantrieben 114 und 116 entspricht der nach Fig. 1. Von den auf die Meißelantriebswelle 3 oder die Druckstücke 26,27,28,29 einwirkenden Gruppen von Kraftgebern ist bevorzugt zumeist eine Kraftgebergruppe zur Vorgabe einer Grundstellung für Meißelantriebswelle 3 und/oder die Druckstücke 26,27,28,29 vorgesehen. Diese Gruppe von Kraftgebern 306,308 (Fig. 1 und 6) hat als Zentrierkolben wirkende, abgesetzte Kolben 316,318, die gegen einen Anschlag ausfahren. In an dem Anschlag anliegender Endstellung geben derartige Kolben 316,318 den Druckstücken 26,27,28,29 eine Grund-, z.B. eine Zentrierstellung vor. Eine analoge Ausbildung bei dem Bohrwerk nach Fig. 2 vermittelt der Meißelantriebswelle 3 eine entsprechende Grund- bzw. Zentrierstellung im Außengehäuse 1.In contrast to the embodiment of the drilling tool according to FIG. 1, in the embodiment of the drilling tool according to FIG. 2, the chisel drive shaft 3 is supported in the outer housing 1 to a limited extent and can be displaced radially and by means of four force transmitters 106, 107, 108, 109 (FIG. 4) or 206, 207, 208, 209 (FIG. 5) - or a multiple thereof in the case of several groups acting in parallel - relocatable from one position in the outer housing 1 to another position for directional purposes. The force transmitters 106, 107, 108, 109 are designed as bellows pistons, which delimit a pressure chamber 132, 133, 134, 135, which are connected via connecting channels 136, 137, 138, 139 (FIG. 4) to the drilling fluid in the manner described above in connection with the embodiment according to FIGS. 1 and 3. This also applies to the embodiment according to FIG. 5 with the connecting channels 236, 237, 238, 239 illustrated there, which are assigned to the pressure spaces 236, 237, 238, 239. The arrangement of the control valves 110, 112 with their electromagnetic drives 114 and 116 also corresponds to that of FIG. 1. Of the groups of force transmitters acting on the chisel drive shaft 3 or the pressure pieces 26, 27, 28, 29, a force transmitter group is usually provided for specifying a basic position for the bit drive shaft 3 and / or the pressure pieces 26, 27, 28, 29. This group of force transmitters 306, 308 (FIGS. 1 and 6) has stepped pistons 316, 318 that act as centering pistons and extend against a stop. In the end position abutting the stop, such pistons 316, 318 give the thrust pieces 26, 27, 28, 29 a basic position, for example a centering position. 2 provides the chisel drive shaft 3 with a corresponding basic or centering position in the outer housing 1.

Die die Grundstellung, z.B. eine Zentrierstellung, für die Meißelantriebswelle 3 und/oder die Druckstücke 26,27,28,29 vorgebenden Kraftgeber 306,308 können hydraulisch unabhängig von der anderen Kraftgebern beaufschlagbar sein, entweder im Sinne einer gesonderten, unabhängigen Steuerung oder im Sinne einer ungesteuerten Dauerbeaufschlagung. Im ersteren Falle können die die Grundstellung vorgebenden Kraftgeber 306,308 bei gewünschten Verlagerungen der Meißelantriebswelle 3 bzw. des Außengehäuses 1 sämtlich oder partiell an Bohrspülung niedrigeren Drucks angelegt werden, um den Widerstand gegen Verlagerungen durch die anderen Gruppen von Kraftgebern zu minimieren. Im zweiten Fall bilden die für die Grundstellungsvorgabe maßgeblichen Kraftgeber eine Ausfallsicherung, die bei einem Ausfall der Steuervorrichtung gewährleistet, daß eine Fortsetzung des Bohrbetriebs durch Geradeausbohren möglich ist. Für den Normalbetrieb allerdings muß sichergestellt sein, daß die für eine Verlagerung der Meißelantriebswelle 3 oder der Druckstücke 26,27,28,29 des Außengehäuses 1 aus deren Grundstellung maßgeblichen Kraftgeber wesentlich größere Kräfte auf die Meißelantriebswelle 3 bzw. die Druckstücke 26,27,28,29 ausüben können, als das den die Grundstellung vorgebenden Kraftträger möglich ist. Dies kann durch entsprechende Auslegung der Druckflächen der jeweiligen Kraftgeber oder auch dadurch herbeigeführt werden, daß für die Richtungsänderungen mehrere Gruppen von Kraftgebern vorgesehen sind. Ein solches Überdrücken der die Grundstellung vorgebenden Kraftgeber durch die für Richtungsverlagerungen maßgeblichen Kraftgeber kann allerdings auch bei gemeinschaftlicher Beaufschlagung sämtlicher Kraftgeber und gemeinsamer Steuerung verwirklicht sein.The force transmitter 306, 308, which specifies the basic position, for example a centering position, for the chisel drive shaft 3 and / or the pressure pieces 26, 27, 28, 29 can be acted upon hydraulically independently of the other force transmitters, either in the sense of a separate, independent control or in the sense of an uncontrolled one Permanent loading. In the former case, the force transducers 306, 308, which determine the basic position, can all or partially be applied to drilling fluid of lower pressure in the event of desired displacements of the bit drive shaft 3 or of the outer housing 1, in order to minimize the resistance to displacements by the other groups of force generators. In the second case, the force transducers that are relevant for the basic position specification form a fail-safe device which, in the event of a failure of the control device, ensures that the drilling operation can be continued by drilling straight ahead. For normal operation, however, it must be ensured that the force transducers which are relevant for a displacement of the chisel drive shaft 3 or the pressure pieces 26, 27, 28, 29 of the outer housing 1 from their basic position are substantially greater forces on the chisel drive shaft 3 or the pressure pieces 26, 27, 28 , 29 can exercise than that is possible for the force setting the basic position. This can be brought about by appropriate design of the pressure surfaces of the respective force transmitters or also by the fact that several groups of force transmitters are provided for the changes in direction. Such an overpressure of the force transmitters specifying the basic position by the force transmitters which are decisive for shifting the direction can, however be achieved even when all power providers and joint control are applied together.

Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, eine Außensteuereinheit gemäß Fig. 1 und eine Innensteuereinheit gemäß Fig. 2 in einem Bohrwerkzeug zu vereinen, so daß über diese eine doppelte Richtungsvorgabemöglichkeit gegeben ist.In principle, there is also the possibility of combining an external control unit according to FIG. 1 and an internal control unit according to FIG. 2 in one drilling tool, so that there is a double possibility of specifying the direction.

Die Ausführung nach Fig. 5 sieht eine kombinative Ausstattung eines Bohrwerkzeugs mit einer Innen- und einer Außensteuerung vor. Die Kolben 266,267,268,269 begrenzen einseitig einen Druckraum 232,233,234,235, der zugleich den Druckraum für den Kolben 466,467,468 und 469 eines Kraftgebers 406,407,408,409 bildet, der auf Druckstücke 426,427,428,429 einwirkt. Diese Druckstücke 426,427,428 und 429 können als Stabilisatorrippen ausgebildet und auf dem Außengehäuse 1 geführt sein, wie dies in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben wurde. Der Druckraum 232,233,234,235 wird jeweils von den Verbindungskanälen 236,237,238,239 her mit Bohrspülung beaufschlagt, so wie dies in Verbindung mit Fig. 1 oben beschrieben wurde.The embodiment according to FIG. 5 provides for a combinable equipment of a drilling tool with an internal and an external control. The pistons 266, 267, 268, 269 delimit a pressure space 232, 233, 234, 235 on one side, which at the same time forms the pressure space for the pistons 466, 467, 468 and 469 of a force transmitter 406, 407, 408, 409 which acts on pressure pieces 426, 427, 428, 429. These pressure pieces 426, 427, 428 and 429 can be designed as stabilizer ribs and guided on the outer housing 1, as was described in connection with FIG. 1. The pressure chamber 232, 233, 234, 235 is acted upon with drilling fluid from the connecting channels 236, 237, 238, 239, as was described in connection with FIG. 1 above.

Wie den Fig. 2 sowie 4 und 5 entnommen werden kann, wirken die Kraftgeber 106,107,108,109 bzw. 206,207,208,209 auf eine Büchse 81 ein, die jeweils in den Druckeingriffsbereichen mit den Kraftgebern sehnenförmige Abflachungen aufweisen können. Die Büchse 81 umgrenzt eine zylindrische Lagerschale 82, in der die Meißelantriebswelle 3 drehbar gelagert ist. Die Lagerschale 82 kann auch mitumlaufender Teil der Meißelantriebswelle 3 sein. Dies vermeidet Verschleiß und verbessert die Belastungsverteilung.As can be seen in FIGS. 2 and 4 and 5, the force transmitters 106, 107, 108, 109 and 206, 207, 208, 209 act on a bush 81, which can have tendon-shaped flats in the pressure engagement areas with the force transmitters. The sleeve 81 delimits a cylindrical bearing shell 82, in which the bit drive shaft 3 is rotatably mounted. The bearing shell 82 can also be a rotating part of the chisel drive shaft 3. This avoids wear and improves the load distribution.

Die Fig. 6a zeigt in ihrer rechten Hälfte einen hydraulischen Beaufschlagungsplan für die Ausführung nach Fig. 2 mit einem Steuerventil 110 im Bereich des Verbindungskanals 136 mit höherem Bohrspülungsdruck, und in der linken Hälfte eine Ausführung mit Anordnung eines Steuerventils 210 im Bereich des Verbindungskanals 136 mit niedrigerem Bohrspülungsdruck. Dabei sind jeweils Drosselstellen 48 in den nicht mit dem Steuerventil 110,210 versehenen Bereich des Verbindungskanals 136 vorgesehen, die den Drosselstellen 48 (Fig. 1) entsprechen können. Bei beiden Ausführungen werden sämtliche Kraftgeber gemeinsam angesteuert und die Kraftgeber 306,308 bei Verlagerungen aus der Grundstellung durch die anderen Kraftgeber 106,108 überdrückt.6a shows in its right half a hydraulic loading plan for the embodiment according to FIG. 2 with a control valve 110 in the area of the connection channel 136 with a higher drilling fluid pressure, and in the left half an embodiment with an arrangement of a control valve 210 in the area of the connection channel 136 with lower drilling fluid pressure. Throttling points 48 are in the area not provided with the control valve 110, 210 of the connecting channel 136 is provided, which can correspond to the throttling points 48 (FIG. 1). In both versions, all the force transmitters are actuated jointly and the force transmitters 306, 308 are displaced by the other force transmitters 106, 108 in the event of displacements from the basic position.

In Fig. 6b is für eine Ausführung nach Fig. 2 ein Beaufschlagungsplan veranschaulicht, bei dem die die Grundstellung vorgebenden Kraftgeber 306,308 eine unabhängige, ungesteuerte Beaufschlagung über einen vom Verbindungskanal 136 oberhalb dessen Steuerventil 110 abzweigenden Zweigkanal erhalten. Die Kraftgeber 306,308 erfahren eine Dauerbeaufschlagung, die auch wirksam ist, wenn die Ansteuerung der Kraftgeber 106,108 z.B. infolge eines Defekts in der Elektronik der Steuervorrichtung ausfallen sollte.FIG. 6b illustrates an application plan for an embodiment according to FIG. 2, in which the force generators 306, 308 which provide the basic position receive an independent, uncontrolled application via a branch channel branching off from the connecting channel 136 above its control valve 110. The force transmitters 306, 308 are subjected to permanent loading, which is also effective when the control of the force transmitters 106, 108, e.g. should fail due to a defect in the electronics of the control device.

Die Figuren 7,8 und 9 schließlich veranschaulichen schematisch Variationsmöglichkeiten in der Anordnung der Kraftgeber innerhalb des Bohrwerkzeugs. Fig. 7 zeigt eine Anordnung von auf die Meißelantriebswelle 3 einwirkenden Kraftgebern 106,108 nahe dem meißelseitigen Ende des Bohrwerkzeugs, während Fig. 8 eine Ausführung mit auf Druckstücke 26,28 einwirkenden Kraftgebern veranschaulicht, die nahe dem Drehbohrmeißel 2 abgewandten Ende des Bohrwerkzeugs gelegen sind. Die Ausführung nach Fig. 9 schließlich zeigt wiederum eine Ausführung mit von Kraftgebern beaufschlagten Druckstücken 26,28, die in diesem Falle nahe dem meißelseitigen Ende des Bohrwerkzeugs angeordnet sind.Finally, FIGS. 7, 8 and 9 schematically illustrate possible variations in the arrangement of the force transmitters within the drilling tool. FIG. 7 shows an arrangement of force transmitters 106, 108 acting on the bit drive shaft 3 near the bit-side end of the drilling tool, while FIG. 8 illustrates an embodiment with force transmitters acting on pressure pieces 26, 28, which are located near the end of the drilling tool facing away from the rotary drill bit 2. Finally, the embodiment according to FIG. 9 shows an embodiment with pressure pieces 26, 28 acted upon by force transmitters, which in this case are arranged near the end of the drilling tool on the bit side.

Claims

Drilling tool for sinking bores into underground rock formations with the specification of a selectable direction course for the borehole, with a tubular outer casing (1) which can be connected to a drill pipe string via upper connecting means and a circumferential one in the outer casing (1) which projects out of the outer casing (1) End a chisel drive shaft (3) carrying a rotary drill bit (2), with a number of hydraulically actuatable force transmitters (6, 7, 8, 9; 106, 107, 108, 109; 206, 207, 208, 209) distributed over the circumference in the outer housing (1) for generating straightening forces with radially aligned Power components for the alignment of the drilling tool, and with a control device for the power transmitter (6,7,8,9; 106,107,108,109; 206,207,208,209), each power transmitter (6,7,8,9; 106,107,108,109; 206,207,208,209) an electrically operated control valve (10 , 12,110,112) for their hydraulic application, transducers (20,21,22) for position data of the Bo hrwerkzeugs and comprises an electrical control signals for the control valve drives (14,16,114,116) generating signal generators (18,19) characterized in that each hydraulic pressure chamber (32,33,34,35; 132,133,134,135; 232,233,234,235; 306.308; 406,407,408,409) of a motor encoder 6, 7,8,9; 106,107,108,109; 206,207,208,209) via at least one connecting channel (36,37,38,39; 136,137,138,139; 236,237,238,239) and the control valve assigned to it (10, 12, 110, 112) can be supplied with either drilling fluid with a higher pressure or drilling fluid with a lower pressure.

Drilling tool according to claim 1, characterized in that each hydraulic pressure chamber (32,33,34,35; 132,133,134,135; 232,233,234,235; 306.308; 406,407,408,409) of a motor encoder (6,7,8,9; 106,107,108,109; 206,207,208,209) has two connection channels are assigned by one of which is connected to a higher pressure drilling fluid and the other is connected to a lower pressure drilling fluid, and one of which is provided with a control valve (10, 12; 110, 112).

Drilling tool according to claim 1, characterized in that a connecting channel (36,37,38,39) is provided at one end of the drilling fluid with higher and at the other lower pressure drilling mud in communication between its ends and via a branch channel (56,57,58 , 59) is connected to the pressure chamber (36,37,38,39) of the force transmitter (6,7,8,9).

Drilling tool according to one of claims 1 to 3, characterized in that the application of drilling fluid from a higher pressure Bohrspülungskanal (45) low in the outer casing and the drilling fluid pressure is derived from the surrounding annular space, the outer housing (50).

Drilling tool according to any one of claims 1-3, characterized in that the application of drilling fluid of higher pressure from a Bohrspülungskanal (45) derived in the outer housing (1) upstream of a throttle point and drilling mud lower pressure from the Bohrspülungskanal (45), meanwhile restrictor becomes.

Drilling tool according to claim 4 or 5, characterized in that the central Bohrspülungskanal is provided in the bit drive shaft (3) (45) as Bohrspülungskanal.

Drilling tool according to claim 1, characterized in that the application for the derived with the drilling fluid of higher pressure from the outer housing (1) surrounding the annular space (50) upstream of a throttle point the annulus by flowing drilling mud and lower drilling mud pressure from the annular space behind the throttle point becomes.

Drilling tool according to one or more of claims 1 to 7, characterized in that the control valve (10,12; 110,112) for controlling the hydraulic actuating a hydraulic force transmitter (6,7,8,9; 106,107,108,109; 206,207,208,209) the higher drilling mud acted upon connection channel or channel part is assigned.

Drilling tool according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that the control valve (110,112) is associated -kanalteil for the hydraulic action of a force sensor which is acted upon with lower drilling mud channel or connection.

Drilling tool according to claim 7 or 8, characterized in that the respective control valve-free connection channel is formed -kanalteil or as a throttle point (46,48) or provided with such.

Drilling tool according to one or more of claims 1 to 7, characterized in that is disposed in both connecting passages or -kanalteilen a control valve (10,12,110,112).

Drilling tool according to one or more of claims 1 to 11, characterized in that the control valves comprise an unbranched, variable only in its flow cross section of the valve channel.

Drilling tool according to one or more of claims 1 to 12, characterized in that control valves are provided with a valve body which in final closed the flow cross section of the valve channel is only reduced, but not closed.

Drilling tool according to one or more of claims 1 to 13, characterized in that the bit drive shaft (3) is supported in the outer housing (1) bounded radially displaceable and distributed by a plurality of circumferentially arranged force transmitters (106,107,108,109; 206,207,208,209) from a position in Outer housing (1) can be moved to another position for directional purposes.

Drilling tool according to one or more of claims 1 to 13, characterized in that the force transmitter (6,7,8,9; 106,107,108,109; 206,207,208,209) one to four in or on the outer casing (1) and outwardly displaceable supported, at 90 ° central angle arranged pressure pieces (26, 27, 28, 29; 426, 427, 428, 429) that can be placed on the borehole wall.

Drilling tool according to claim 15, characterized in that the pressure pieces (26,27,28,29) are constructed as stabilizer ribs.

Drilling tool according to one or more of claims 1 to 16, characterized in that in the outer housing (1) groups of several parallel-acting force transmitters (6,7,8,9; 106,107,108,109; 206,207,208,209) for acting on the bit drive shaft (3) and / or the pressure pieces (26, 27, 28, 29) are provided.

Drilling tool according to claim 17 , characterized in that one of the groups of parallel-connected force transmitters (6,7,8,9; 106,107,108,109; 206,207,208,209) acting on the chisel drive shaft (3) and / or the pressure pieces (26,27,28,29) acts as the force transmitter group is provided for specifying a basic position of the chisel drive shaft (3) and / or the pressure pieces (26, 27, 28, 29) in the outer housing (1).

Drilling tool according to claim 18, characterized in that that the force transducers (306, 308) specifying the basic position have actuators (316, 318) which can be extended to a limited extent by stops.

Drilling tool according to claim 18 or 19, characterized in that the basic position predetermining force generator (306.308) specify the bit drive shaft (3) coaxial to the outer housing centering.

Drilling tool according to claim 19 or 20, characterized in that the basic position predetermining force generator (306.308) the thrust pieces (26,27,28,29) or separate thrust pieces a same distance extended from the outer housing (1) centering the outer casing (1) pretend.

The drilling tool as claimed in any one of the preceding claims 14 to 17, that the force transmitter (6,7,8,9; 106,107,108,109; 206,207,208,209) or force transmitter Grupen for a position setting and changing the bit drive shaft (3) in the outer housing (1) and those for a setting and change of position of the pressure pieces (26, 27, 28, 29) relative to the outer housing (1) can be acted upon hydraulically independently of one another.

Drilling tool according to one or more of claims 18 to 22, characterized in that the basic position of the bit drive shaft (1) and / or the thrust pieces (26,27,28,29) determining force generator (306.308) independently of the actuation of the other force transmitters ( 6,7,8,9; 106,107,108,109; 206,207,208,209).

Drilling tool according to claim 23, characterized in that the basic position of the bit drive shaft (1) and / or the thrust pieces (26,27,28,29) determining force generator (306.308) are exposed to an uncontrolled Dauerbeaufschlagung and on the bit drive shaft (1) and / or the pressure pieces transmit basic forces which are lower than the actuating forces of the force transducers (6, 7, 109; 206, 207, 208, 209) which bring about a setting or change in position.

Drilling tool according to one or more of claims 1 to 24, characterized in that the force transmitter (6,7,8,9; 206,207,208,209) as the actuating piece a slidable in a cylinder space in the outer casing (1) pressure piston (66,67,68,69) exhibit.

Drilling tool according to claim 25, characterized in that the mutually facing surfaces of the pressure piston (66,67,68,69) and the receiving cylinder this are armored by a hard surface and the sealing gap between plunger (66,67,68,69) and cylinder forms the connection channel or channel part connected to drilling fluid of lower pressure.

Drilling tool according to one or more of claims 1 to 26 , characterized in that the force transmitters (106, 107, 108, 109) have metal bellows as adjusting pieces and pressure space delimitation.

Drilling tool according to one or more of claims 1 to 27, characterized in that the constructed as stabilizer ribs plungers are mounted on lugs of the outer housing and limited in its outward movement by a stop.

Drilling tool according to one or more of the preceding claims 1 to 27, characterized in that the forces acting on the bit drive shaft (3) force transmitters are arranged near the lower end of the outer housing (1).

Drilling tool according to one or more of claims 1 to 28, characterized in that the retractable and extensible thrust pieces (26,27,28,29) are arranged near the lower end of the outer housing (1).

Drilling tool according to one of claims 1 to 28, characterized in that the retractable and extensible thrust pieces (26,27,28,29) fixed at a considerable distance above the with Stabilizer ribs provided lower end of the outer housing (1) are arranged.