EP0486751B1

EP0486751B1 - Directional drill string with an integrated electrical generator

Info

Publication number: EP0486751B1
Application number: EP91106102A
Authority: EP
Inventors: Klaus-Dieter Schwidder; Udo Weber; Paul Braun; Heinz Wallussek
Original assignee: Bergwerksverband GmbH; Schwing Hydraulik Elektronik GmbH and Co
Current assignee: Bergwerksverband GmbH; Schwing Hydraulik Elektronik GmbH and Co
Priority date: 1990-11-23
Filing date: 1991-04-17
Publication date: 1995-01-04
Anticipated expiration: 2011-04-17
Also published as: DE4037259C2; DE4037259A1; ATE116711T1; EP0486751A1

Abstract

In a directional drill rod having its own electrical power supply from an integrated generator (29), whose stator (30) is integrated in a stationary outer tube (2, 25), while the rotor (30) surrounds a concentrically inner drilling shaft, the invention is characterised by a brushless three-phase synchronous generator whose stator has two axial windings (33, 34) which are arranged axially one behind the other and have their own connecting leads (37, 38), of which one connecting lead is used for the power supply of an electro-hydraulic pressure generator (19, 20) and the drives (15, 20) of the directional controller, while the connecting lead of the other stator winding carries the power supply for the control electronics, the excess power of the generator (29) being destroyed electronically. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Zielbohrstange mit eigener elektrischer Energieversorgung durch einen eingebauten Generator gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a target boring bar with its own electrical energy supply through a built-in generator according to the preamble of claim 1.

Die erfindungsgemäße Zielbohrstange ist darauf eingerichtet, drehende Bohrungen und insbesondere Bohrungen nach dem Rotary-Tiefbohrverfahren in der Regel senkrecht nach unten, gegebenenfalls aber auch senkrecht nach oben und dann ohne flüssige Bohrlochspülung so zu steuern, daß sie nicht aus der vorgegebenen senkrechten Bohrrichtung abweichen. Im allgemeinen bildet eine solche Zielbohrstange ein Gestängerohr, welches meistens als letztes Bohrrohr vor dem Bohrmeißel in den Gestängezug eingebaut wird, so daß das vordere Wellenende die übliche Aufnahme für das Bohrwerkzeug, in der Regel einen Bohrmeißel aufweist. Mit Hilfe hydraulischer Antriebe werden während des Bohrens Korrekturmomente auf das Bohrwerkzeug ausgeübt, welche die Kräfte aufheben, die das Bohrwerkzeug und damit die Bohrung aus der Bohrrichtung ablenken. Bei praktischer Ausführung einer solchen Zielbohrstange trägt ein die Bohrwelle konzentrisch umgebendes Außenrohr auf seinem Mantel die Mechanik der Zieleinrichtung. Diese besteht in der Regel aus Steuerleisten, die jeweils um 90° gegeneinander versetzt mit einem Ende an das Außenrohr angelenkt sind und sich auf hydraulisch betätigten Plungerkolben abstützen. Da während des Bohrens das Außenrohr steht, können sich die Leisten auf dem Bohrlochstoß abstützen und während des Bohrens in der Bohrachse gleiten, wobei die Plungerkolben ihre Reaktionsmomente als Korrekturkräfte auf die Bohrwelle und damit auf das Bohrwerkzeug übertragen.The target boring bar according to the invention is set up to control rotating bores and in particular bores according to the rotary deep drilling method generally vertically downwards, but possibly also vertically upwards and then without liquid borehole flushing so that they do not deviate from the predefined vertical drilling direction. In general, such a target boring bar forms a drill pipe, which is usually installed as the last drill pipe in front of the drill bit in the drill string, so that the front shaft end has the usual receptacle for the drilling tool, usually a drill bit. With the help of hydraulic drives, corrective moments are exerted on the drilling tool during drilling, which cancel out the forces that deflect the drilling tool and thus the drilling from the drilling direction. In the practical implementation of such a target boring bar, an outer tube concentrically surrounding the drilling shaft carries the mechanics of the target device on its jacket. This usually consists of control strips, each of which is articulated at 90 ° to one another at one end and is attached to one another Support the hydraulically operated plunger. Since the outer tube is stationary during drilling, the strips can be supported on the borehole joint and slide in the drilling axis during drilling, the plungers transmitting their reaction moments as correction forces to the drilling shaft and thus to the drilling tool.

Dieser prinzipielle Aufbau der erfindungsgemäßen Zielbohrstange setzt eine eingebaute Arbeitshydraulik für die Betätigung der Plungerkolben und eine Regelstrecke voraus, deren Regelgröße die vorgegebene Bohrrichtung ist, wobei die durch Störgrößen bewirkte Regelabweichung in der überwiegenden Zahl der Fälle als Winkel zwischen der Senkrechten und der Bohrwellenachse festgestellt und in eine Stellgröße umgewandelt wird, die meistens über elektromagnetische Wegeventile die Plungerzylinder mit dem hydraulischen Arbeitsmedium versorgt. Die elektrische Energieversorgung der erfindungsgemäßen Zielbohrstange durch den eingebauten Generator liefert u.a. die für die Stellgröße und den elektrohydraulischen Druckerzeuger benötigte elektrische Energie.This basic structure of the target boring bar according to the invention requires built-in working hydraulics for the actuation of the plunger and a controlled system, the controlled variable of which is the predefined drilling direction, the control deviation caused by disturbing variables being determined in most cases as an angle between the vertical and the drilling shaft axis and in a manipulated variable is converted, which mostly supplies the plunger cylinders with the hydraulic working medium via electromagnetic directional valves. The electrical power supply of the target boring bar according to the invention by the built-in generator provides, among other things. the electrical energy required for the manipulated variable and the electro-hydraulic pressure generator.

Während bei Zielbohrstangen mit geringer Bohrteufe und entsprechend niedrigen Anforderungen an die Einhaltung der Regelgröße mit einer einfachen elektrischen Regelstrecke auszukommen ist, in der bereits die Regelabweichung als elektrisches Signal abgebildet wird, sind Zielbohrstangen mit erheblich höheren Anforderungen an die Einhaltung der Regelgröße nur mit einer komplexeren, empfindlicheren Regelstrecke ausführbar. Hierbei erfolgt die Messung der Regelabweichung von der vertikalen Richtung mittels Beschleunigungsgeber, wobei das Maß der Beschleunigung als ein der Regelabweichung analog entsprechendes elektrisches Signal (Stromwert) abgebildet wird, welches ein durch Ausfilterung der Schwingungen des Bohrgestänges und der Temperatureinflüsse korrigiertes Signal einem Fensterdiskriminator aufgibt. In Form einer Dreipunktregelung werden bereits geringe Regelabweichungen in der Größenordnung von Winkelminuten erfaßt und über Endstufen der elektronischen Regelstrecke in elektrische Signale für die beschriebenen Wegeventile der Plungerkolben umgesetzt. Die hierfür benötigte elektrische Leistung wird in der erfindungsgemäßen Zielbohrstange ebenfalls von dem Generator geliefert, so daß in allen Fällen eine Kabelverbindung von der Zielbohrstange zur Oberfläche entfällt.While in the case of target boring bars with a low drilling depth and correspondingly low requirements for compliance with the controlled variable, a simple electrical control path can be used, in which the control deviation is already mapped as an electrical signal, target boring bars with considerably higher requirements for compliance with the controlled variable can only be used with a more complex, sensitive control system executable. Here, the control deviation from the vertical direction is measured by means of an accelerometer, the degree of acceleration being represented as an electrical signal (current value) corresponding to the control deviation, which is obtained by filtering out the vibrations of the drill pipe and the temperature influences corrected signal gives a window discriminator. In the form of a three-point control, small control deviations in the order of magnitude of angular minutes are detected and converted into electrical signals for the described directional valves of the plunger via power stages of the electronic controlled system. The electrical power required for this is also supplied in the target boring bar according to the invention by the generator, so that a cable connection from the target boring bar to the surface is omitted in all cases.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Zielbohrstangen, welche in dieser Weise für extrem tiefe Bohrungen geeignet sind, die beispielsweise 14.000 m und mehr erreichen können. In diesen Teufen muß einerseits mit einer hohen Druckbelastung der Zielbohrstange durch den hydrostatischen Druck der aufsteigenden Bohrlochspülung, andererseits aber auch mit hohen Temperaturen gerechnet werden, die durch die geothermische Tiefenstufe bedingt sind. Dann muß den Druck- und Temperaturbelastungen auch bei der Unterbringung der elektrischen Energieversorgung Rechnung getragen werden, die jedoch nicht unabhängig von anderen Baugruppen vorgenommen werden kann, welche für das Funktionieren der Zielbohrstange von Bedeutung sind. Der Erfindung liegt dieses Problem zugrunde.The invention relates in particular to target boring bars which are suitable in this way for extremely deep bores which can reach 14,000 m and more, for example. In these depths, on the one hand a high pressure load on the target boring bar due to the hydrostatic pressure of the rising borehole drilling, but on the other hand also high temperatures, which are caused by the geothermal depth level. Then the pressure and temperature loads must also be taken into account when housing the electrical power supply, which, however, cannot be carried out independently of other assemblies which are important for the functioning of the target boring bar. The invention is based on this problem.

Es ist eine Zielbohrstange bekannt, welche eine eigene, d.h. eingebaute elektrische Energieversorgung durch einen Gleichstromgenerator aufweist, dessen Statorwicklungen in das stehende Außenrohr eingebaut ist, welches die beschriebene Mechanik der Zieleinrichtung auf seinem Außenmantel trägt.A target boring bar is known which has its own, ie built-in electrical energy supply by means of a direct current generator, the stator windings of which are built into the standing outer tube, which carries the described mechanism of the target device on its outer jacket.

Der Rotor des Generators sitzt dagegen auf der Bohrwelle und weist Schleifringe auf, an denen die Stromabnahme erfolgt (EP-A-88 10 06 57). Hierbei ist die Regelstrecke elektrisch ausgeführt. Ein Druckausgleich mit der Bohrspülung wird dadurch versucht, daß die Lagerschmierung der Bohrwelle in dem stehenden Außenrohr durch einen aus der absteigenden und gereinigten Bohrlochspülung abgezweigten zweiten Teilstrom mit der Spülung erfolgt.The rotor of the generator, on the other hand, sits on the drilling shaft and has slip rings on which the current is drawn (EP-A-88 10 06 57). The controlled system is designed electrically. A pressure equalization with the drilling fluid is attempted in that the bearing lubrication of the drilling shaft in the standing outer tube is carried out with the fluid by means of a second partial flow branched off from the descending and cleaned drilling fluid.

Die bekannte Zielbohrstange ist für hohe Anforderungen an die Zielgenauigkeit ungeeignet, weil die in elektrischen Signalen abgebildete Regelabweichung ein zu spätes Reagieren der Plungerkolben verursacht. Die beschriebene Lagerschmierung mit der absteigenden Bohrlochspülung ist für die Schleifringe ungeeignet, weil diese dadurch verschmutzt werden und weil u.a. auch in der gereinigten Bohrlochspülung Partikel enthalten sein können, die die Stromabnahme von den Schleifringen beeinträchtigen. Gerät eine solche Zielbohrstange unter erhebliche Drücke und Temperaturen, so ergeben sich Formänderungen, welche zu mechanischen, aber auch zu elektrischen Störungen führen können. Insbesondere ist festgestellt worden, daß in den Wickelköpfen des Stators die Lackierungen Poren aufweisen, durch die unter solchen Bedingungen Wasser eintreten und Kurzschlüsse hervorrufen kann. Problematisch ist ferner auch, daß die elektrische Leistung des Gleichstrommotors nicht gleichmäßig abgenommen wird, so daß Leistungsüberschüsse entstehen, die letztlich in Wärme in der Zielbohrstange umgesetzt werden, was ebenfalls zum Entstehen von Störgrößen führt.The known target boring bar is unsuitable for high demands on the target accuracy, because the control deviation shown in electrical signals causes the plunger to react too late. The described bearing lubrication with the descending borehole flushing is unsuitable for the slip rings because they become soiled and because, among other things, Particles can also be contained in the cleaned borehole mud, which impair the current draw from the slip rings. If such a target boring bar is subjected to considerable pressures and temperatures, shape changes result which can lead to mechanical as well as electrical faults. In particular, it has been found that in the winding heads of the stator the coatings have pores through which water can enter under such conditions and cause short circuits. It is also problematic that the electrical power of the direct current motor is not reduced evenly, so that excess power arises which is ultimately converted into heat in the target boring bar, which likewise leads to the occurrence of disturbance variables.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese auf unterschiedliche Störgrößen zurückgehenden Beeinträchtigungen des Bohrbetriebes, insbesondere bei den eingangs beschriebenen, extrem tiefen Bohrungen zu bekämpfen.The invention is based on the object to combat different disturbances in the impairment of drilling operations, in particular in the extremely deep drilling described above.

Diese Aufgabe löst die Erfindung mit den Merkmalen des Anspruches 1. Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.The invention achieves this object with the features of claim 1. Further features of the invention are the subject of the dependent claims.

Gemäß der Erfindung werden die bislang an den Schleifringen durch Verschmutzugen und andere Beeinträchtigungen auftretenden Störgrößen durch einen schleifringlosen Drehstromsynchronmotor vermieden, welcher infolge seiner Motortechnik die Überschußleistung unter weitgehender Vermeidung von Abwärme vernichtet. Indem man diesen Motor mit einer zweiten Wicklung seines Stators ausführt, läßt sich die Elektrik mit einer Wicklung und die Elektronik mit einer zweiten Wicklung energieversorgen. Dadurch wird einerseits die Elektronik erst ermöglicht, andererseits aber genügend Energie für die Elektrik bereitgestellt, was mit den voneinander getrennten Stromableitungen gewährleistet ist.According to the invention, the disturbance variables which have hitherto occurred on the slip rings due to contamination and other impairments are avoided by a three-phase synchronous motor without a slip ring, which, due to its motor technology, eliminates the excess power while largely avoiding waste heat. By executing this motor with a second winding of its stator, the electrical system can be supplied with one winding and the electronics with a second winding. On the one hand, this enables the electronics, but on the other hand provides enough energy for the electrical system, which is ensured by the separate power leads.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß sie elektronische Regelungen des Generators und der Zieleinrichtung ermöglicht, die praktisch druck- und temperaturunabhängig sind und daher auf die extremen Bedingungen von Tiefbohrungen nicht reagieren. Außerdem läßt sich elektrische Energie unabhängig von der Elektronik in erheblichem Umfang erzeugen. Dabei kann man davon ausgehen, daß unter praktischen Bedingungen Drehzahlen im Generator von 60 bis 100 min⁻¹ auftreten. Unter solchen Voraussetzungen ergeben sich im Generator Leistungsdichten, welche für die Versorgung des hydraulischen Teils der Steuereinrichtung ausreichen, die den extremen Bedingungen der Tiefbohrungen gewachsen ist, die insbesondere die in diesen Fällen erforderlichen erhöhten Korrekturmomente auf die Bohrwelle übertragen kann.The invention has the advantage that it enables electronic control of the generator and the target device, which are practically independent of pressure and temperature and therefore do not react to the extreme conditions of deep drilling. In addition, electrical energy can be generated to a considerable extent independently of the electronics. It can be assumed that, under practical conditions, engine speeds of 60 to 100 min⁻¹ occur. Under such conditions, there are power densities in the generator which are used to supply the hydraulic Sufficient part of the control device that is able to cope with the extreme conditions of the deep drilling, which in particular can transmit the increased correction torques required in these cases to the drilling shaft.

Mit den Merkmalen des Anspruches 2 wird auch das Problem gelöst, das sich aus den Druck- und Temperatureinwirkungen auf den Spalt des Generators zwischen Rotor und Stator ergibt. Hierbei ist durch das Verpressen des Stators mit einer dauerelastischen Kunststoffmasse dafür gesorgt, daß insbesondere die bisher an den Wickelköpfen auftretenden Kurzschlüsse vermieden werden. Da die bekannten dauerelastischen Kunststoffmassen unter Temperatureinwirkung ihr Volumen vergrößern, wirkt die dadurch bedingte Ausdehnung im Statorgehäuse den von außen auf die Aussparung des Außenrohres wirkenden Druckkräften entgegen und vermeidet so eine ungünstige Deformation des Generators, obwohl dessen Teile nicht durch eine anstehende Bohrspülung druckentlastet sind. Die Rotorwicklung ist hierbei durch das Riffelblech geschützt und die druckdichten Kabeldurchführungen aus dem Stator vermeiden das Ausweichen der Kunststoffverpressung aus der Aussparung, welche die Statorwicklungen enthält. Da man außerdem den Rotor auf zwei Halbschalen aufteilt, ist die Montage an der Bohrwelle stark vereinfacht.With the features of claim 2, the problem is also solved, which results from the pressure and temperature effects on the gap of the generator between the rotor and stator. Here, by pressing the stator with a permanently elastic plastic compound, it is ensured that, in particular, the short circuits that have previously occurred on the winding heads are avoided. Since the known permanently elastic plastic masses increase their volume under the influence of temperature, the resulting expansion in the stator housing counteracts the compressive forces acting on the recess of the outer tube from the outside and thus avoids an unfavorable deformation of the generator, although its parts are not relieved of pressure by an upcoming drilling fluid. The rotor winding is protected by the checker plate and the pressure-tight cable bushings from the stator prevent the plastic compression from escaping from the recess that contains the stator windings. Since the rotor is also divided into two half shells, assembly on the drilling shaft is greatly simplified.

Eine vereinfachte Ausführungsform der Erfindung ist Gegenstand des Anspruches 3. Hierbei sind die Statorwicklungen in einem eigenen Gehäuse in Form eines in der Außenrohraussparung untergebrachten Gehäusehohlzylinders untergebracht, der dementsprechend als solcher in die Aussparung eingesetzt werden kann, nachdem er durch Lagerverschweißung mit einem extrem dünnen Innenblech verschlossen und unter Vakuum verpreßt worden ist, was außerhalb der Zielbohrstange erfolgen kann.A simplified embodiment of the invention is the subject of claim 3. Here, the stator windings are accommodated in their own housing in the form of a housing hollow cylinder accommodated in the outer tube recess, which cylinder is accordingly inserted as such into the recess can, after it has been sealed by bearing welding with an extremely thin inner sheet and pressed under vacuum, which can take place outside the target boring bar.

Die hohen Anforderungen an die Leistungsdichte der eigenen elektrischen Energieversorgung auf der einen Seite und die begrenzte Länge des die mechanischen, hydraulischen, elektrischen oder elektronischen Komponenten der Zieleinrichtung aufnehmenden Außenrohres, dessen Länge u.a. aus Festigkeitsgründen begrenzt ist, stellt ein Problem bei der Unterbringung des Generators dar. Mit den Merkmalen des Anspruches 4 wird dieses Problem beseitigt. Denn das hierfür vorgesehene Tenderrohr läßt eine begrenzte Länge des Außenrohres zu, welches die beschriebenen Komponenten der Zieleinrichtung aufnimmt, erlaubt aber gleichzeitig seine Inanspruchnahme durch den Generator, der deswegen die Zieleinrichtung nicht beeinträchtigen kann. Das Tenderrohr hat außerdem den Vorteil, daß in ihm das Radiallager des Außenrohres untergebracht werden kann, dessen Schmierung besonders problematisch im Hinblick auf die zu überwindenden Bohrteufen ist.The high demands on the power density of one's own electrical energy supply on the one hand and the limited length of the outer tube receiving the mechanical, hydraulic, electrical or electronic components of the target device, its length, etc. is limited for reasons of strength, represents a problem in the housing of the generator. With the features of claim 4, this problem is eliminated. This is because the tender tube provided for this purpose allows a limited length of the outer tube, which accommodates the components of the target device described, but at the same time allows it to be used by the generator, which therefore cannot impair the target device. The tender pipe also has the advantage that the radial bearing of the outer pipe can be accommodated in it, the lubrication of which is particularly problematic with regard to the drilling depths to be overcome.

Bei Verwirklichung der Merkmale des Anspruches 5 läßt sich ein weiteres Axial-Radiallager für das Außenrohr verwenden, das mit einem Axial-Radiallager bereits hinter dem Bohrwerkzeug auf der Bohrwelle abgestützt werden muß. Dafür läßt sich dann eine Dauerschmierung unter Vermeidung einer Schmierung mit der Bohrtrübe benutzen, die mit dem Ringzylinder der Statorwicklung zusammenwirkt, indem sich dieser auf dem Lagerdeckel der Dauerschmierung abstützt.In realizing the features of claim 5, a further axial-radial bearing for the outer tube can be used, which must be supported with an axial-radial bearing behind the drilling tool on the drilling shaft. For this purpose, permanent lubrication can be used while avoiding lubrication with the drilling fluid, which interacts with the ring cylinder of the stator winding by being supported on the bearing cover of the permanent lubrication.

Die Einzelheiten, weiteren Merkmale und andere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung anhand der Figuren in der Zeichnung; es zeigen

Fig. 1: eine Zielbohrstange gemäß der Erfindung im Längsschnitt und
Fig .2: in der Fig. 1 entsprechender, jedoch vergrößerter Teildarstellung die Unterbringung des der elektrischen und elektronischen Energieversorgung dienenden Generators.

The details, further features and other advantages of the invention result from the following description of an embodiment of the invention with reference to the figures in the drawing; show it

Fig. 1: a target boring bar according to the invention in longitudinal section and
Fig. 2: in Fig. 1 corresponding, but enlarged partial view, the accommodation of the generator serving the electrical and electronic energy supply.

Gemäß der Darstellung der Fig. 1 ist auf einer Bohrwelle (1) ein Außenrohr (2) drehbar gelagert. Das freie Ende der Bohrwelle trägt die übliche Aufnahme (3) für ein Bohrwerkzeug, das in der Fig. 1 nicht dargestellt ist. Das Außenrohr (2) ist mit einem vorderen Axial-Radiallager (4) auf der Bohrwelle abgestützt, die ihrerseits hohlzylindrisch ausgebildet ist, wodurch sich ein Zentralkanal (5) ergibt, der den absteigenden Strom der Bohrlochspülung dem Bohrwerkzeug zuführt und den aufsteigenden Strom der Bohrlochspülung versorgt, der das vom Bohrwerkzeug gelöste Bohrklein aus dem Bohrloch austrägt. Das Außenrohr (2) ist ferner mit einem weiteren Axial-Radiallager (6) an seinem der Aufnahme (3) entgegengesetzten Ende auf der Bohrwelle (1) abgestützt.1, an outer tube (2) is rotatably mounted on a drilling shaft (1). The free end of the drilling shaft carries the usual receptacle (3) for a drilling tool, which is not shown in FIG. 1. The outer tube (2) is supported with a front axial-radial bearing (4) on the drilling shaft, which in turn is hollow-cylindrical, which results in a central channel (5) which supplies the descending flow of the drilling fluid to the drilling tool and the ascending current of the drilling fluid supplied, which discharges the cuttings detached from the drilling tool from the borehole. The outer tube (2) is also supported on the drilling shaft (1) by a further axial / radial bearing (6) at its end opposite the receptacle (3).

Eine spezielle Dichtungsanordnung (7) verschließt einen radialen Spalt (8), setzt jedoch über einen Ringkanal (9) die Dauerschmierung der hintereinandergeschalteten Nadel- und Kugellager unter den Druck der außen anstehenden Bohrspülung. Hierdurch wird die Axial-Radiallagerung teufenabhängig geschmiert, d.h. das Schmiermittel gegenüber der Spülung Druck ausgeglichen.A special sealing arrangement (7) closes a radial gap (8), but sets the permanent lubrication of the series connected needle and ball bearings under the pressure of the external drilling fluid via an annular channel (9). Hereby the axial-radial bearing is lubricated depending on the depth, ie the lubricant is equalized compared to the flushing pressure.

Auf der Stirnseite des der Aufnahme (3) zgeordneten Endes des Außenrohres (2) sind mit Hilfe von Horizontalgelenken (10, 11) die zwei in der Fig. 1 sichtbaren Stahlleisten (12, 14) angelenkt, welche sich auf der Bohrlochwandung abstützen. Jede dieser Leisten ist mit einem Plungerkolbenpaar (15, 16 bzw. 17, 18) beaufschlagt, das hydraulisch beaufschlagt werden kann. Zur hydraulischen Energieversorgung dient ein Drehstrommotor (19), auf dessen Welle ein hydrostatischer Antrieb (20) verkeilt ist. Ein Druckspeicher (21) nimmt die hydraulische Arbeitsflüssigkeit auf und gibt sie druckabhängig an die Plungerzylinder weiter. Die beschriebenen Teile gehören zu einem hydraulischen Arbeitskreis, welcher die Beaufschlagung der Plungerzylinder von der Bohrlochspülung unabhängig macht, jedoch einen dem hydrostatischen Druck der Bohrlochspülung entsprechenden Arbeitsdruck aufweist.On the end face of the end of the outer tube (2) associated with the receptacle (3), the two steel strips (12, 14) visible in FIG. 1, which are supported on the borehole wall, are articulated with the aid of horizontal joints (10, 11). Each of these strips is acted upon by a pair of plungers (15, 16 or 17, 18) which can be acted upon hydraulically. A three-phase motor (19) is used for the hydraulic energy supply and a hydrostatic drive (20) is wedged onto the shaft. A pressure accumulator (21) receives the hydraulic working fluid and passes it on to the plunger cylinders depending on the pressure. The parts described belong to a hydraulic working group, which makes the loading of the plunger cylinders independent of the drilling fluid, but has a working pressure corresponding to the hydrostatic pressure of the drilling fluid.

Die Steuerung der hydraulischen Arbeitsflüssigkeit erfolgt durch eine Steuerelektronik, die auf einer Platine (22) untergebracht ist, die ebenso wie die vorstehend beschriebenen Baugruppen in einer Aussparung des Außenrohres (2) untergebracht ist. Im übrigen ist der Bogenwinkel, um den sich die Steuerleisten (12, 14) in ihren Gelenken (10, 11) nach außen bewegen können, durch Wegbegrenzer (23, 24) vorgegeben, welche ebenfalls in Aussparungen des Außenrohres (2) untergebracht sind. Die von der Regelgröße abhängige Beaufschlagung der Plungerzylinder für den Druck der hydraulischen Arbeitsflüssigkeit wird durch nicht dargestellte Wegeventile gesteuert, welche in elektromagnetischer Ausführung über die Steuerelektronik (22) elektrisch beaufschlagt werden.The hydraulic working fluid is controlled by control electronics which are accommodated on a circuit board (22) which, like the assemblies described above, is accommodated in a recess in the outer tube (2). Otherwise, the arc angle by which the control strips (12, 14) can move outwards in their joints (10, 11) is predetermined by path limiters (23, 24), which are also housed in recesses in the outer tube (2). The action on the plunger cylinders for the pressure of the hydraulic working fluid, which is dependent on the controlled variable, is achieved by way valves, not shown controlled, which are electrified in an electromagnetic version via the control electronics (22).

Auf dem Außenrohr (2) ist ein Tenderrohr (25) drehfest, wie bei (26) in Fig. 1 dargestellt, verbunden. Das Tenderrohr ist seinerseits mit einem Radiallager (27) auf der Bohrwelle (1) abgestützt. Das Axiallager ist über eine der Dichtungsanordnung (7, 8) entsprechende Dichtungsanordnung (26') mit dem Druck der Bohrspülung beaufschlagt, die jedoch nicht an das Nadellager gelangen kann, sondern eine Dauerschmierung unter Druck setzt, die über einen Ringzylinder (28) von der Bohrspülung abgetrennt ist.A tender tube (25) is connected to the outer tube (2) in a rotationally fixed manner, as shown at (26) in FIG. 1. The tender tube is in turn supported by a radial bearing (27) on the drilling shaft (1). The axial bearing is subjected to the pressure of the drilling fluid via a sealing arrangement (26 ') corresponding to the sealing arrangement (7, 8), which, however, cannot reach the needle bearing, but instead puts permanent lubrication under pressure, which is exerted by an annular cylinder (28) Drilling fluid is separated.

Wie sich aus der Darstellung der Fig. 2 ergibt, ist zwischen dem Axial-Radiallager (6) und dem Radiallager (27) des Tenderrohres ein Generator (29) in das Tenderrohr (25) eingebaut. Der Generator hat einen Stator, der in dem stehenden Tenderrohr (25) eingebaut ist. Der Rotor (30) umgibt die Bohrwelle auf einem gegenüber dem Außendurchmesser der an ihn anschließenden Bohrwellenabschnitte (31, 32) im Durchmesser verminderten Zylinderabschnitt.As can be seen from the illustration in FIG. 2, a generator (29) is installed in the tender pipe (25) between the axial-radial bearing (6) and the radial bearing (27) of the tender pipe. The generator has a stator which is installed in the standing tender tube (25). The rotor (30) surrounds the drill shaft on a cylinder section which is reduced in diameter compared to the outer diameter of the drill shaft sections (31, 32) adjoining it.

Der Generator (29) ist ein Drehstromsynchrongenerator, dessen Stator aus zwei axial hintereinander angeordneten Wicklungen (33, 34) besteht, deren Wickelköpfe bei (35 und 36) in Fig. 2 zu erkennen sind. Jede dieser Wicklungen (33, 34) hat eine druckdichte Kabeldurchführung (37, 38), von denen die eine die Ableitung zur Stromversorgung des elektrohydraulischen Druckerzeugers (19, 20) für die Plungerkolbenantriebe und den diesen zugeordneten Steuerventilen aufweisen, wärend die andere Ableitung die betreffende Statorwicklung mit der Steuerelektronik (22) bzw. der Motorelektronik verbindet, die die überschüssige Leistung des Generators (29) elektronisch vernichtet.The generator (29) is a three-phase synchronous generator, the stator of which consists of two windings (33, 34) arranged axially one behind the other, the winding heads of which can be seen at (35 and 36) in FIG. 2. Each of these windings (33, 34) has a pressure-tight cable bushing (37, 38), one of which has the discharge line for supplying power to the electro-hydraulic pressure generator (19, 20) for the plunger drives and the control valves assigned to them, while the other Derivation connects the relevant stator winding to the control electronics (22) or the motor electronics, which electronically destroy the excess power of the generator (29).

Die Statorwicklungen (33, 34) sind in einer Aussparung (39) untergebracht, die ihrerseits in einer Aussparung (40) der inneren Zylinderfläche (41) des Außenrohres (2) vorgesehen ist. Die Aussparung (39) ist mit einem an den Aussparungsrändern (42, 43) befestigten, extrem dünnen Blech (44) verschlossen. Dadurch ergibt sich ein Raum, der nach außen abgeschlossen ist. Dieser enthält eine dauerelastische Kunststoffmasse, mit der er verpreßt ist. Dadurch liegen insbesondere die Köpfe (35, 36) in der dauerelastischen Kunststoffmasse. Sie sind deswegen gegen den Zutritt von Feuchtigkeit ausreichend geschützt.The stator windings (33, 34) are accommodated in a recess (39), which in turn is provided in a recess (40) in the inner cylindrical surface (41) of the outer tube (2). The recess (39) is closed with an extremely thin sheet (44) attached to the recess edges (42, 43). This creates a space that is closed to the outside. This contains a permanently elastic plastic mass with which it is pressed. As a result, the heads (35, 36) in particular lie in the permanently elastic plastic mass. You are therefore adequately protected against the ingress of moisture.

Der Rotor (30) ist in zwei Halbschalen aufgeteilt, die zusammen den den Durchmesser verminderten Zylinderabschnitt der Bohrwelle (2) umgeben und dadurch gegen axiale Verschiebung gesichert sind. Die beiden Halbschalen liegen in einem längsgeriffelten Blechmantel (45) und werden von zwei Schellbändern (46, 47) zusammengehalten, deren Enden miteinander verschraubt sind. Da die Kabeldurchführungen (37, 38) druckdicht sind, kann unabhängig von dem Verhalten der Kunststoffmasse deren Ausdehnung in die Aussparung (40) verhindert werden.The rotor (30) is divided into two half-shells, which together surround the cylinder section of the drilling shaft (2) with reduced diameter and are thereby secured against axial displacement. The two half-shells lie in a longitudinally corrugated sheet metal jacket (45) and are held together by two clamp bands (46, 47), the ends of which are screwed together. Since the cable bushings (37, 38) are pressure-tight, their expansion into the cutout (40) can be prevented regardless of the behavior of the plastic compound.

Diese Kabeldurchführungen (37, 38) liegen an den ringförmigen Stirnseiten eines Hohlzylinders (48), dessen Innenwand von dem Verschlußblech (44) gebildet wird, das mit den beiden Zylinderköpfen (49, 50) lagerverschweißt ist.These cable bushings (37, 38) lie on the annular end faces of a hollow cylinder (48), the inner wall of which is formed by the closure plate (44), which is welded to the two cylinder heads (49, 50).

Der Hohlzylinder (48) stützt sich über mehrere auf einem Teilkreis angeordnete, in den Zylinderkopf (49) eingeschraubte Axialzapfen (51) auf einem Lagerdeckel (52) ab, der als Ringzylinder ausgebildet und mit Stopfbuchsen (53, 54) versehen ist, welche einen Ringkolben (55) abdichten. Der Ringkolben wird mit einer am Ringzylinder bei (56) untergebrachten Dauerschmierung beaufschlagt und hält das Radiallager, welches sich seinerseits über einen Druckring (57) auf das Axiallager (58) abstützt. Die Beaufschlagung des Ringzylinders (52) erfolgt durch den Ringraum (59) von außen mit der Bohrtrübe, so daß die Dauerschmierung der Axial-Radiallagerung (6) druckabhängig entsprechend der Bohrteufe ist.The hollow cylinder (48) is supported on a bearing cover (52) by a plurality of axial pins (51) arranged on a pitch circle and screwed into the cylinder head (49) Seal the ring piston (55). The ring piston is subjected to permanent lubrication on the ring cylinder at (56) and holds the radial bearing, which in turn is supported on the axial bearing (58) via a pressure ring (57). The ring cylinder (52) is acted upon from the outside by the ring slurry (59) with the drilling slurry, so that the permanent lubrication of the axial / radial bearing (6) is pressure-dependent according to the drilling depth.

Der Zylinder (52) des Lagerdeckels und der Hohlzylinder (48) des Stators mit den beiden axialen Wicklungen (33, 34) sind in der gemeinsamen Aussparung (40) der Innenseite des Tenderrohres (25) zusammen mit der Axial-Radiallagerung (6) der Bohrwelle untergebracht. Deshalb kann die Montage in axialer Reihenfolge der Teile des Axial-Radiallagers, des Hohlzylinders der beiden Statorwicklungen nach Montgage des Rotors und der daran anschließenden Lagerteile des Tenderrohres erfolgen.The cylinder (52) of the bearing cover and the hollow cylinder (48) of the stator with the two axial windings (33, 34) are in the common recess (40) on the inside of the tender tube (25) together with the axial-radial bearing (6) Drill shaft housed. Therefore, the assembly can be carried out in the axial order of the parts of the axial-radial bearing, the hollow cylinder of the two stator windings according to the Montgage of the rotor and the bearing parts of the tender tube connected to it.

Claims

A directional drill string provided with its own electrical power supply by means of an integrated generator (29), the stator (33, 34) of which is incorporated in a stationary outer pipe (2, 25) whilst the rotor (30) surrounds a concentric inner pipe shaft, characterised by a non slip-ring synchronised three-phase current generator, the stator of which comprises two coils (33, 34) located axially one behind the other with their own branch circuits (37, 38), of which one branch circuit serves as the power supply of an electrohydraulic pressure generator (19, 20) and of the drive mechanisms (15, 20) of the directional control system, whilst the branch circuit of the other stator coil serves as the power supply of the electronic control system whereby the excess output of the generator (29) is electronically consumed.
A directional drill string according to claim 1, characterised in that the stator coils (33, 34) are housed within a common recess (39, 40) in the inner cylindrical surface (41) of the outer pipe (2) in a chamber which is sealed off by a cylindrical metal plate (44) attached to the recess edges (42, 43) and which is moulded by compression of a permanently flexible synthetic substance, and that the rotor (30), divided into two half bushes, is housed in a longitudinally fluted sheet metal casing which is held together at each end by screw clamps (46, 47), wherein the branch circuits (37, 38) are arranged to be pressure sealed and are located at the front ends of the recess (39).
A directional drill string according to claim 1 or 2, characterised in that the stator recess (39) is provided in a hollow cylinder (48), the inner wall of which is formed by a cylindrical metal locking plate (44) which is laser welded to both cylinder heads (49, 50), whereby, sealed within each of the cylinder heads (49, 50), there is a cable lead associated respectively with each branch circuit of the stator (33, 34).
A directional drill string according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the generator (29) is housed in a tender pipe (25) which is torsionally rigid at its connection to the outer pipe (2) comprising the mechanism of the directional apparatus, whereby the torsionally rigid connection (26) is positioned behind a rearwardly located axial-radial bearing (6) of the drill shaft (1) and the rearward end of the tender pipe (25) is supported on the drill shaft (1) by a radial bearing (26').
A directional drill string according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the cylinder (48) of the stator (33, 34) is housed in a common recess (40) together with the axial-radial bearing (6) of the drill shaft (1) and is supported with its cylinder head (29) on a bearing cap (52) which, within the common recess, closes off the constant lubrication insertion chamber of the drill shaft roller bearings (57, 58).