Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftdrehkopfaxiallager für eine Bohranlage, wo- bei das Kraftdrehkopfaxiallager eine Materialausnehmung mit einem eingepressten Messelement mit einem Sensor aufweist. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Kraftdrehkopfaxiallager, das als Axialkegelrollenlager ausgebildet ist.

Hintergrund der Erfindung Das Erstellen von Erdbohrungen, insbesondere im Bereich der Öl- und Gasindustrie, erfordert eine vorsichtige Handhabung des Bohrwerkzeugs, um entlang eines gewünschten Weges zu bohren. Der Aufbau eines solchen Bohrwerkzeugs umfasst im Wesentlichen einen Bohrstrang mit einer Bohrspitze, die am unteren Ende des Bohrstrangs angeordnet ist, wobei der Bohrstrang sich von einem Bohrturm nach un- ten in die Erdformation bzw. das Bohrloch erstreckt. Im Bohrturm ist in der Regel ein sogenannter Kraftdrehkopf (engl.„Top Drive") zum Antreiben des Bohrstrangs über ein Seil in einen Kranhaken an einer Kranflasche eingehängt. Das Seil ist wiederrum mit einem Totseilanker mit dem Erdreich verankert. Die Steuerung des Bohrens kann unter anderem durch Nach- oder Zurückführen des Seils beeinflusst werden. Die Bohrspitze umfasst einen sogenannten Untertagemotor (engl,„downhole motor") und einen Bohrmeißel zur eigentlichen Bohrung.

Für den Bohrvorgang ist es wichtig, die auf die Bohrspitze wirkenden Kräfte zu kennen, um Schäden am Bohrwerkzeug, insbesondere am Bohrmeißel, zu vermeiden. Die Kenntnis über die an der Bohrspitze wirkenden Kräfte ist auch hilfreich, um den Bohrvorgang wirtschaftlich durchführen zu können.

Es ist bekannt, dass die Axiallast und das Drehmoment, die auf einen Bohrmeißel (im Folgenden auch Bohrbit genannt) während des Bohrvorgangs einwirken, wichtige Parameter sind, welche die Richtung und Neigung des Bohrlochs wie auch die Wirt- schaftlichkeit der Bohrarbeit beeinflussen. Die Axialbelastung auf das Bohrbit ist auch bekannt als Bitgewicht (engl.„Weight-on-bit" (WOB)). Eine Last wirkt auf das Bohrbit über den Bohrstrang, der mit den weiteren an der Erdoberfläche angeordneten Komponenten, beispielsweise dem„Top Drive", an dem Bohrturm in Vorspannung hängt, so dass die Größe des WOB durch Veränderung der übertätigen Hakenlast eingestellt werden kann. WOB beeinflusst die Eindringrate, den Bohrbitverschleiß und die Bohrrichtung. Das auf das Bohrbit wirkende Drehmoment (engl.„Torque-on-bit" (TOB)) ist in Bezug auf den Bohrbitverschleiß und der Bohrrichtung, insbesondere in kombinierter Betrachtung mit WOB, ebenfalls wichtig. So ist ein exzessiver TOB indikativ für ei- ne ernsthafte Bitbeschädigung, etwa Versagen eines Lagers unter verklemmten Kegeln.

Verfahren und Vorrichtungen zur Messung des WOB und/oder TOB sind über Tage oder unter Tage bekannt. Über Tage erflogen bekannte Messungen durch Vergleichen des Hakenlastgewichts mit dem„Über-Sohle-Gewicht": wenn die Hakenlast bei abgehobenem Bohrstrang beispielsweise 100 Tonnen und nach dem Herablassen auf die Bohrsohle nur noch 95 Tonnen beträgt, dann muss der Bohrmeißel nun folglich mit fünf Tonnen Last auf der Bohrsohle stehen. Ein Bohrwerkzeugführer kann nun den Bohrstrang wieder von der Bohrsohle abheben und seine Steuerung justieren. Bei Fortführung des Borvorgangs erhält er dann die„fehlende" Hakenlast als Meißelbelas- tung.

Um die Hakenlast über Tage zu erfassen, sind Druckmessdosen am Totseilanker oder dem sogenannten Flaschenzug im Bohrturm (engl.„Crown Block") bekannt. Auch bekannt sind Messsensoren, wie Dehnungsmesstreifen, am (Tot)Seil selbst.

Messungen unter Tage erfolgen häufig über Kraftsensoren, die beispielsweise an zu- sätzlichen Zylindern oder Taschen im Untertagewerkzeug angeordnet sind. Diese Messungen unterliegen jedoch deutlichen Ungenauigkeiten infolge der Effekte von Bohrlochdruck und Temperaturgradienten. Sie können in der Regel auch nicht zwischen Zug, hervorgerufen durch das Gewicht, und Axialzug, hervorgerufen durch die Druckdifferenz, unterscheiden. Sie werden auch nachteilig durch den von Bohrfluiden ausgeübten Druck beeinflusst. Zusammenfassung der Erfindung

Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Erfassung der Meißelbelastung zu verbessern, insbesondere robuster gegen Messfehler zu gestalten und weitere Parameter für die Steuerung des Bohrwerkzeugs zu erfassen.

Diese Aufgabe wird durch ein Kraftdrehkopfaxiallager für eine Bohranlage nach Anspruch 1 gelöst. Das Kraftdrehkopfaxiallager ist in einem„Top Drive" einsetzbar. Das Lager umfasst zwei Lagerringe mit dazwischen angeordneten Wälzkörpern. Erfindungsgemäß weist einer der Lagerringe mindestens eine Materialausnehmung auf dessen Stirnseite auf. In die mindestens eine Materialausnehmung ist ein Messelement mit mindestens einem Sensor zur Messung der Lagerlast mit Übermaß einge- presst.

Die Erfassung der durch die Wälzkörper übertragenen Kräfte bei Überrollung des Messelements in der Materialausnehmung ermöglicht es, die Belastung des Meißels im Bohrloch abzuleiten. Das Kraftdrehkopfaxiallager ist hierbei nicht durch die oben beschriebenen Probleme von unter Tage Kraftmessungen beeinflusst. Auch gegenüber den bekannten über Tage Kraftmessungen hat die Erfassung der Kräfte am Kraftdrehkopfaxiallager erhebliche Vorteile in Bezug auf Messfehler.

In einer Ausführungsform ist die mindestens eine Materialausnehmung an dem im Be- zug zur Rotation stehenden Lagerring angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass keine Telemetrie zur Erfassung der Kräfte des rotierenden Bohrstrangs erforderlich ist. Insbesondere müssen auch keine Daten aus dem Bohrloch übertragen werden.

In einer Ausführungsform ist der erste Lagerring eine Wellenscheibe und der zweite Lagerring eine Gehäusescheibe. So kann die Wellenscheibe rotieren und die Gehäu- sescheibe steht im Bezug zur Rotation still.

In einer weiteren Ausführungsform ist das mindestens eine Messelement als Bolzen und/oder der mindestens eine Sensor als dehnungssensitiver Sensor, insbesondere als Direktbeschichtung, ausgebildet. Eine Direktbeschichtung weist gegenüber Folien- Dehnungsmessstreifen unter anderem eine individuell anpassbare Messstruktur, eine höhere Präzision und Langzeitstabilität sowie erhöhte Beständigkeit gegenüber Umgebungsbedingungen wie starken Temperaturschwankungen auf. Eine solche Direkt- beschichtungstechnologie bzw. Dünnschichttechnologie ist bei der Anmelderin unter dem Namen Sensotect® bekannt. Ein Messbolzen mit unterschiedlichen Anordnun- gen eines dehnungssensitiven Sensors ist beispielsweise in DE 10 2014 204 025 A1 beschrieben.

Die äußere Belastung des Kraftdrehkopfaxiallagers hat Dehnungen und Stauchungen der einzelnen Lagerkomponenten zur Folge. Diese Dehnungen und Stauchungen können messtechnisch mit dem mindestens einen Messelement, beispielsweise ei- nem Messbolzen mit Sensotect® Beschichtung, also einem Sensotect® Pin, erfasst werden.

Dieser Sensotect® Pin kann kleinbauend hergestellt werden. Da nicht der großbauende Lagerring, also beispielsweise die Wellenscheibe, sondern nur kleinbauende Sensotect® Pins direktbeschichtet werden, können Kosten eingespart werden. Zusätzlich wird mit dem in der Materialausnehmung eingepressten Messelement erreicht, dass die dehnungsempfindlichen Sensoren in das Material des Lagerrings hineingebracht werden und dort im Inneren des Lagerrings Stauchungen und Dehnungen erfassen, die durch die Wälzkörper in den Lagerring eingeleitet werden. Die Dehnungssensoren werden mit Hilfe eines Messelements, wie dem Bolzen, an Messorten positioniert, an denen wesentlich größere Dehnungen und Stauchungen auftreten als dies an der Oberfläche eines Lagerrings der Fall ist. An der Oberfläche eines Lagerrings könnten ähnlich große Dehnungen und Stauchungen nur dann erreicht werden, wenn der Lagerring beispielsweise durch eine Nut geschwächt wird. Dies hat jedoch den Nachteil, dass die Lebensdauer des Lagers abnimmt. Ein Messelement jedoch wird mit Übermaß eingepresst, damit es auch Dehnungen erfassen kann, und damit es einstückig mit dem Lagerring wirkt. Der Lagerring wird also nicht wesentlich geschwächt. Das Lager wird also insgesamt in seiner Struktur und Steifigkeit nicht geschwächt.

Da die Lagerlast über die Wälzkörper in den Lagerring eingeleitet wird, erfasst ein Messelement die Lagerlast dann maximal, wenn ein Wälzkörper genau über dem Messelement steht. Daher können die Maxima der Sensorsignale für eine Berechnung der Lagerlast herangezogen werden. Es können also die Lastvariationen ermittelt werden, die in ihrer Frequenz kleiner sind als die Wälzkörperüberrollfrequenz.

Um dieser Einschränkung begegnen zu können, weist in einer Ausführungsform einer der Lagerringe mindestens zwei benachbarten Matenalausnehmungen mit jeweils einem Messelement auf, wobei der Abstand zwischen den mindestens zwei Material- ausnehmungen kleiner ist als der Abstand zwischen zwei benachbarten Wälzkörpern. Der Abstand ist bevorzugt um den Faktor 10 kleiner. Somit wird immer eines der Messelemente nacheinander in kurzen Abständen von einem Wälzkörper überrollt. In einer weiteren Ausführungsform weist einer der Lagerringe mindestens zwei weitere benachbarte Matenalausnehmungen mit jeweils einem Messelement auf. Hierbei ist der Abstand zwischen den benachbarten Matenalausnehmungen und der weiteren benachbarten Matenalausnehmungen ein Vielfaches, insbesondere ein ganzzahliges Vielfaches, des Abstands zwischen zwei benachbarten Wälzkörpern. In anderen Wor- ten, weist einer der Lagerringe mindestens zwei Gruppen von eng beabstandeten Messelementen auf, wobei die mindestens zwei Gruppen um ein Vielfaches des Wälzkörperabstands voneinander beabstandet in Materialausnehmungen eingepresst sind.

In einer weiteren Ausführungsform weist einer der Lagerringe mindestens eine Gruppe von mindestens drei Materialausnehmungen mit jeweils mindestens einem Messelement auf. Hierbei ist die mindestens eine Gruppe derart angeordnet ist, dass die drei Messelemente gleichzeitig von einem Wälzkörper überrollbar sind. Dies hat den Vorteil, dass auch unterschiedliche Kraftrichtungen bestimmt werden können. Inner- halb einer solchen Gruppe können nämlich Betrag und Richtung der Kraft ermittelt werden, indem die Messwerte als Stützpunkte einer virtuellen Ebene betrachtet werden. Der Kraftvektor steht senkrecht zu dieser virtuellen Ebene und hat die Länge des Mittelwerts der Messwerte aller Sensoren innerhalb der Gruppe.

In einer Fortbildung der vorbeschriebenen Ausführungsform einer Gruppe von min- destens drei Materialausnehmungen mit Messelementen, sind mindestens drei derar- tige Gruppen am Umfang des Lagerringes angeordnet. Vorzugsweise sind die Gruppen in näherungsweise gleichen Winkelabständen angeordnet. Die Anordnung mit solchen zueinander versetzten Gruppen hat den Vorteil, dass eine höhere zeitliche Auflösung der Messung erreicht werden kann. Weiter können die Ergebnisse der Gruppen untereinander gemittelt werden, um damit die Genauigkeit zu erhöhen.

Um jedoch diese höhere zeitliche Auflösung zu erreichen, dürfen die Wälzkörper nicht gleichzeitig über den Materialausnehmungen mit Messelementen stehen. Dies ist dann erfüllt, wenn die Wälzkörperanzahl dazu führt, dass bei gleich beabstandeten Materialausnehmungen mit Messelementen die Wälzkörper nicht gleichzeitig über diesen stehen.

In einer weiteren Ausführungsform, können daher die Abstände der Materialausnehmungen mit Messelementen auch untereinander gezielt variiert werden, also nicht exakt gleich gehalten werden, damit die Wälzkörper eben nicht alle gleichzeitig über den Materialausnehmungen stehen. Beispielsweise kann eine erstes Messelement sich genau unter einem ersten Wälzkörper befinden, ein zweites Messelement in 1/10 Teilung unter einem zweiten Wälzkörper, ein drittes Messelement in 2/10 Teilung unter dem dritten Wälzkörper usw. Dies hat den Vorteil, dass auch 10 Messelemente nebeneinander in den Abstand zwischen zwei Wälzkörper eingebracht werden können. Alternativ können beispielsweise auch die ungeraden Messelemente unter einem ersten Wälzkörper positioniert werden und die geraden Messelemente entsprechend versetzt unter einem zweiten Wälzkörper.

In einer Ausführungsform ist das Kraftdrehkopfaxiallager als Axialkegelrollenlager ausgebildet. Axialkegelrollenlager ermöglichen axial sehr hoch belastbare, stoßunempfindliche und steife Lagerungen bei nur geringem axialem Platzbedarf. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Figuren.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren dargestellt. Die Figuren zeigen nicht-skalierte Zeichnungen. Es zeigen:

Figur 1 eine Überblicksdarstellung einer Bohranlage mit Bohrwerkzeug in Anwendung,

Figur 2 ein Kraftdrehkopfaxiallager mit Messbolzen in einem Lagerring,

Figur 3 einen vergrößerten Querschnitt eines Teils eines Kraftdrehkopfaxiallagers mit einem Messbolzen in einer Ausnehmung auf einer Stirnseite eines Lagerrings, und

Figur 4 eine Anordnung mehrere Messbolzen in Ausnehmungen auf einer Stirnseite eines Lagerrings.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen Figur 1 zeigt eine Überblicksdarstellung einer Bohranlage 100 mit Bohrwerkzeug in Anwendung. Die Bohranlage 100 umfasst den Bohrturm 120, welcher auf dem Boden über Tage angeordnet ist. Von dem Bohrturm 120 erstreckt sich ein Bohrstrang 1 10 in das Erdreich 105. Der Bohrstrang umfasst an dessen Ende einen Untertagemotor 1 12 der in einem Bohrmeißel 1 14 endet. Auf den Bohrmeißel 1 14 wirkt im Betrieb die Kraft F 1 16. Untertagemotor 1 12, Bohrmeißel 1 14 und teilweise der Bohrstrang 1 10 befinden sich unter Tage, also im Erdreich 105 in einem Bohrloch. An dem Bohrturm 120 ist an einer Kranflasche und Kranhaken 124 ein Kraftdrehkopf und Komponenten 122 eingehängt. Der Kraftdrehkopf und Komponenten 122, die den Bohrstrang 1 10 antreiben, sind mit dem (Tot)seil 126 an einem Totseilanker 128 gesichert. Der Totseilanker ist typischerweise fest mit dem Erdboden verbunden. In Figur 1 ist über Tage und unter Tage mittels der waagerechten Linie getrennt. Figur 2 zeigt ein Kraftdrehkopfaxiallager 200 mit Messbolzen in dem Lagerring 234, beispielsweise einer Gehäusescheibe. Die Messbolzen sind in den Materialausneh- mungen 240-244 auf der Stirnseite des Lagerrings 234 mit Übermaß eingepresst. Die Messbolzen, oder auch Messelemente, umfassen je einen Sensor zur Messung der Lagerlast (nicht in Figur 2 illustriert). Zwischen den Lagerringen 232, 234 sind Wälzkörper 236 angeordnet. Wälzkörper 236 überrollen die Materialausnehmungen 240- 244 mit den Messbolzen. Bei Überrollung können die Sensoren an den Messbolzen den wirkenden Krafteintrag erfassen. Dies erfolgt beispielsweise mit einer Sensorschicht am Ende des Kraftmessbolzens, die auf der Druckwinkelwirkungslinie eines Wälzkörpers 236 zum Liegen kommt. Siehe hierzu auch die Beschreibung zu Figur 3.

Figur 3 zeigt einen vergrößerten Querschnitt eines Teils eines Kraftdrehkopfaxialla- gers 300 mit einem Messbolzen in einer Ausnehmung 340 auf einer Stirnseite eines Lagerrings 334, insbesondere einer Gehäusescheibe. Das Kraftdrehkopfaxiallager 300 weist einen weiteren Lagerring 332 mit zwischen den Lagerringen 332, 334 lie- genden Wälzkörper 336 auf. Am Ende des Messbolzens ist eine dehnungsempfindliche Sensorschicht 350 angeordnet. Die Materialausnehmung 340 ist derart in den Lagerring 334 eingebracht, dass das Ende des Kraftmessbolzens, und damit die dehnungsempfindliche Sensorschicht 350, auf der Druckwinkelwirkungslinie 352 des Wälzkörpers 336 liegt. Figur 4 zeigt eine Anordnung mehrere Messbolzen in Ausnehmungen 440, 441 , 442 auf einer Stirnseite eines Lagerrings 400. Die Ausnehmungen 440, 441 , 442 bilden eine Gruppe 447 von Materialausnehmungen, welche von Wälzkörpern in kurzen Abständen überrollt werden. Weitere dementsprechende Gruppen 445, 446 von Materialausnehmungen mit Messbolzen sind in annähernd gleichen Winkelabständen über den Umfang des Lagerrings 400 verteilt. Bezugszeichenliste

100 Bohranlage

105 Erdreich

1 10 Bohrstrang

1 12 Untertagemotor

1 14 Bohrmeißel

1 16 Kraft F auf Bohrmeißel

120 Bohrturm

122 Kraftdrehkopf und Komponenten

124 Kranhaken und Kranflasche

126 (Tot)seil

128 Totseilanker

200, 300 Kraftdrehkopfaxiallager

232, 332 erster Lagerring

234, 334 zweiter Lagerring

236, 336 Wälzkörper

240-244 Materialausnehmung mit Bolzen

340 Materialausnehmung mit Bolzen

350 Dehnungsempfindliche Sensorschicht

352 Druckwinkelwirkungslinie

400 Lagerring eines Kraftdrehkopfaxiallagers

440, 441 , 442 Materialausnehmung mit Bolzen

445, 446, 447 Gruppen von Matehalausnehmungen mit Bolzen