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Führungshülse für Schwerstangen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Führungshülse für Schwerstangen. Führungseinrichtungen bzw. Führungshülsen dieser Art werden beim Bohren von Bohrlöchern, insbesondere beim Bohren von Bohrlöchern grosser Tiefe, verwendet, um einen möglichst geradlinigen Verlauf des Bohrloches zu gewährleisten, um das Festklemmen des Bohrgestänges im Bohrloch zu verhindern und um ein Scheuern des Bohrgestänges an der Bohrlochwand auf Grund einer unerwünschten Durchbiegung des Bohrgestänges möglichst zu vermeiden.
Bei der Herstellung von Bohrlöchern grosser Tiefe tritt eine Anzahl von Problemen hinsichtlich des einwandfreien Funktionierens des unteren Bohrgestängeabschnittes auf, welcher üblicherweise mehrere Schwerstangen und das Bohrwerkzeug als solches umfasst.
Insbesondere ist hiebei die Möglichkeit der Beschädigung der Schwerstangen durch Reibung an der Bohrlochwand von Nachteil. Diese Reibung des Bohrgestänges an der Bohrlochwand tritt bei einer unbeabsichtigten Durchbiegung des Bohrlochgestänges auf. Es wird hiedurch die Bohrleistung wesentlich vermindert, und die Gewindeverbindungen der einzelnen Bohrgestängeabschnitte werden sehr µtärk abgenützt. Bei der Drehung des Bohrgestänges legt sich dieses auf Grund seiner Biegsamkeit zum Teil an die Bohrlochwand an, u. zw. insbesondere in dem dem Bohrwerkzeug benachbarten Abschnitt des Bohrgestänges. Da nun das Bohrloch fast nie genau lotrecht verläuft, entsteht eine einseitige Auflagerung des Bohrgestänges an der Bohrlochwand und ebenfalls eine einseitige Abstützung des Bohrwerkzeuges am Grund des Bohrloches.
Dies wiederum hat in Wechselwirkung unerwünschte Richtungsänderungen des Bohrgestänges zur Folge. Es tritt dann häufig eine derart grosse Abweichung der Bohrlochrichtung von der geplanten Richtung auf, dass es häufig erforderlich ist, sogenannte Ablenkkeile zu verwenden, um dieser Richtungsabweichung wieder entgegenzuwirken.
In weichen Erdformationen dringen die rotierenden Schwerstangen auch seitlich in die Bohrlochwand ein und bilden gleichzeitig zusammen mit der Bohrlochwand einen einseitigen Flüssigkeitsabschluss.
Der Druck der auf der andern Seite wirkenden Flüssigkeit drückt nun die Schwerstangen mit vermehrter Kraft an die Bohrlochwand an, und es kann hiebei der Fall eintreten, dass eine Bewegung des Bohrgestänges auf diese Weise unmöglich gemacht wird.
Zur Behebung dieser Nachteile wurde nun bereits eine Anzahl von Einrichtungen vorgeschlagen, welche dazu dienen sollen, die Schwerstangen zu führen und eine unbeabsichtigte Abweichung der Richtung des Bohrloches von der geplanten Richtung zu vermeiden. Es wurden zu diesem Zwecke sogenannte Stabilisatoren geschaffen, welche verschiedene Konstruktionen aufweisen. Eine dieser Stabilisatorkonstruktionen weist Gusseisenrippen auf, welche in Anlage mit der Bohrlochwand gelangen. Weiters wurden auch Wälzlager, rotierende Flügel und mit Rippen versehene Gummihülsen zu diesem Zwecke vorgeschlagen.
Eine mit Gusseisenrippen ausgebildete Führungseinrichtung für Schwerstangen zeigte sich wegen ihrer geringen Leistungsfähigkeit, ihrer kurzen Verwendungsdauer und der durch sie hervorgerufenen Erosion der Bohrlochwand sowie auf Grund der erheblichen Schwierigkeiten beim Fangen im Fall eines Bruches im unteren Abschnitt des Bohrgestänges als praktisch nicht verwendbar. Ebenso wurde von der Verwendung von Wälzlagern wieder abgegangen, da auch diese eine beträchtliche Erosion der Bohrlochwand verursachen, wodurch naturgemäss die erstrebte Wirkung einer derartigen Einrichtung, nämlich die geradlinige Führung der Schwerstangen, wieder zunichte gemacht wird.
Auch treten hiebei die gleichen
Schwierigkeiten bei der Fangarbeit ein, wie dies bei den Vorrichtungen mit Gusseisenrippen der Fall ist. Führungs- bzw. Stabilisierungseinrichtungen mit rotierenden Flügeln sind nur in weichen Erdformationen verwendbar und verursachen ebenfalls unerwünschte und nachteilige Erosion der Bohrlochwand. Auch hiebei treten beim Fangen erhebliche Schwierigkeiten auf. In harten Erdformationen sind derartige Vorrichtungen mit rotierenden Flügeln wegen ihrer geringen Dauerhaftigkeit praktisch nicht verwendbar.
Durch die starre Ausbildung aller bekannten und oben erwähnten Führungs- bzw. Stabilisierungseinrichtungen ist es bedingt, dass diese dem Bohrwerkzeug nicht bis zum Bohrlochgrund folgen können,
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wenn diese Führungseinrichtungen im wesentlichen denselben Durchmesser aufweisen wie das Bohr- werkzeug. Es ist daher erforderlich, dass der Durchmesser dieser Einrichtungen geringer ist als der Durch- messer des Bohrwerkzeuges, und dies bedingt wiederum, dass derartige Vorrichtungen ihrer Funktion der
Führung und Zentrierung nicht in zufriedenstellender Weise entsprechen können.
'Die ebenfalls bereits bekannten Führungseinrichtungen aus Kautschuk sind den oben genannten
Führungseinrichtungen wesentlich überlegen. Eine derartige Führungseinrichtung aus Kautschuk ist frei drehbar um einen einen Teil der Schwerstange bildenden Dom. Sie liegt an der Bohrlochwand mit ihren Kautschukrippen an. Bei der Verwendung einer derartigen Führungseinrichtung aus Kautschuk bleibt diese im wesentlichen still stehen, während das Bohrgestänge sich in seiner mit Nuten versehenen ) Büchse, welche von der Bohrlochflüssigkeit geschmiert wird, dreht. Obzwar nun eine derartige Führungs- einrichtung aus Kautschuk eine Anzahl von den vorgenannten, starren Führungseinrichtungen anhaftenden
Nachteilen nicht aufweist, besteht ein wesentlicher Nachteil einer derartigen Vorrichtung in ihrer geringen
Lebensdauer.
Die Kautschukrippen werden durch das Anlegen an rauhe Erdformationen stark in Anspruch genommen, und es tritt auch durch die Späne und Schleifteilchen, welche von der Bohrflüssigkeit zwischen die Rippen und die Bohrlochwand gepresst werden, ein erheblicher Verschleiss auf. Es müssen daher derartige Führungseinrichtungen aus Kautschuk sehr häufig ausgewechselt werden, was naturgemäss mit sehr grossen Kosten verbunden ist, da hiebei das gesamte Bohrgestänge aus dem Bohrloch entfernt werden muss.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht nun in der Schaffung einer Führungshülse für Schwer- stangen, bei welcher die oben angegebenen Nachteile der bekannten Konstruktionen vermieden sind und welche eine dauerhafte, robuste und hinsichtlich ihrer Führungswirkung verlässliche Konstruktion darstellt. Dies wird bei einer Führungshülse mit einem rohrförmigen Metallschaft, der an seiner Innen- seite ein einen drehbaren Kern tragendes Lager und an seiner Aussenseite radial vorstehende Rippen aufweist, welche zwischen sich Strömungskanäle bilden, dadurch erreicht, dass jede Rippe aus einem Metall- streifen und einem diesen Metallstreifen auf dem Metallschaft federnd befestigenden Fuss besteht.
Es wird auf diese Weise eine Führungshülse geschaffen, welche eine wesentlich höhere Lebensdauer aufweist als die bisher bekannten Führungseinrichtungen, welche eine einwandfreie und verlässliche Führung der
Schwerstangen ermöglicht und welche auch bei einem Bruch im Bohrgestänge in verhältnismässig einfacher
Weise ohne Komplikationen gefangen werden kann.
Zweckmässig ist hiebei die Anordnung so getroffen, dass die Rippen an ihren Enden Leitflächen auf- weisen, die das Strömungsmittel in die Strömungskanäle leiten, und dass die Enden der Rippen sich all- mählich zu voller Umfangsbreite der Rippen erweitern. Es wird hiedurch ein Rippenprofil erzielt, durch welches eine Erosion der Bohrlochwand in weitestgehendem Masse vermieden ist und welches ermöglicht, dass die Führungshülse auch durch enge Stellen des Bohrloches hindurchgedrückt und im Bohrloch leicht auf- und abbewegt werden kann.
Der Fuss der Metallstreifen ist zweckmässig aus Kautschuk und sowohl mit dem Metallstreifen als auch mit dem Metallschaft verldebt.
Im Sinn einer leichten Abschermöglichkeit der Rippen bei der Fangarbeit bestehen die Metallstreifen vorzugsweise aus einem Metall, dessen Streckbarkeit im Bereich von 10 bis 45% Dehnung liegt. Dieses
Metall soll weiters möglichst eine Brinell-Härte von 20 bis 150 bei einer Belastung von 500 kg und Ver- wendung einer Druckkugel von 10 mm und ein spezifisches Gewicht zwischen 1, 5 und 3, 2 aufweisen.
Insbesondere hat sich als ein derartiges Metall Aluminium als vorteilhaft erwiesen. Metallstreifen aus einem derartigen Metall sind naturgemäss wesentlich widerstandsfähiger als Kautschukrippen, ermöglichen aber dennoch ein leichtes Abscheren beim Fangen.
In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispieles schematisch dargestellt.
Fig. 1 der Zeichnung zeigt teilweise im Schnitt eine Seitenansicht einer erfindungsgemässen Führungs- hülse. Fig. 2 ist ein Schnitt nach Linie 2-2 der Fig. 1 und Fig. 3 ist eine Ansicht in Richtung der Pfeile 3 der Fig. 1.
Auf den Kern 12 eines Schwerstangenteiles 11 ist ein Stahlrohr 10 aufgesetzt. Der Kern 12 weist eine obere Ringschulter 14 und eine untere Ringschulter 16 auf. Die obere Schulter 14 ist auf den Kern 12 des Schwerstangenteiles 11 aufgeschraubt. Im Raum zwischen der Innenwand des Rohres 10 und der Aussenwand des Kernes 12 sowie ausserhalb der Aussenwand des Rohres 10 ist eine Lage aus Natur- oder Kunstkautschuk vorgesehen, deren innerer Teil 18 zwischen dem Kern 12 und dem Rohr 10 liegt, während der äussere Teil 20 den Fuss für Rippen 32 bildet. Am oberen Teil bzw. am unteren Teil des Rohres 10 sind ringförmige Kautschukflanschen 24 und 26 gebildet und bilden Fortsetzungen des Innenteiles 18 der Kautschuklage.
Eine gefräste Riegel- oder Klauenkupplung im unteren Ende der Führungshülse besteht aus Kupplungsklauen 28 des Rohres 10 und aus Schlitzen 30 der unteren Schulter 16. Die an der Bohrlochwand anliegenden Rippen 32 bestehen aus Aluminium oder einem andern Metall, das so leicht ist, dass es von der umlaufenden Bohrlochflüssigkeit mitgenommen wird, und das so weich ist, dass es von einem Fangschuh abgefräst werden kann. Die Rippen 32 sind am Fuss 20 angeklebt und haben hydrodynamisch profilierte obere Flächen 34 bzw. untere Flächen 36. Der Winkel 38 zwischen den hydrodynamisch profilierten Flächen 34 und 36 und der Achse des Rohres 10 ist kleiner als 45 .
Der Kegel 37 zwischen der am weitesten entfernten Kante 39 der Seitenfläche der hydrodynamisch profilierten Flächen 34 und 36 und der Achse des Rohres 10 beträgt üblicherweise annähernd 600.
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Die Aussenflächen der in Fig. 2 im Querschnitt dargestellten Metallrippen sind seitlich gekrümmt und haben einen Radius, der im wesentlichen gleich dem Radius der Bohrung des Bohrloches ist. Der Innenteil. M der Kautschuklage hat lotrechte Nuten oder Kanäle 40, die die auf dem Kern der Schwer- stangen befindliche Führungshülse mit Bohrlochflüssigkeit schmieren.
Das Rohr 10 der Führungshülse wird auf den Kern 12 aufgeschoben, nachdem der Kern aus dem
Bohrgestänge herausgenommen worden ist. Da die obere Ringschulter 14 abgeschraubt werden kann, lässt sich die Führungshülse leicht über den Kern 12 schieben. Die Schwerstangen und das Bohrgestänge mit der auf dem Kern 12 befindlichen Führungshülse werden in das Bohrloch bis zu der Stelle gesenkt, an der mit dem Bohren begonnen werden soll. Dies kann infolge der hydrodynamischen Profilierung der
Rippenflächen und der Biegsamkeit und Federung der gesamten Führungshülse leicht geschehen. Die
Führungshülse wird an einem vorberechneten Niveau oberhalb des Meissels in Stellung gebracht.
Beim
Bohrbeginn drehen sich das Bohrgestänge und der Kern 12 innerhalb der Führungshülse, und der mit
Nuten versehene Innenteil 18 der Kautschuklage wirkt als Gleitlager zwischen dem sich drehenden Kern und der Kautschuklage der Führungshülse, die mittels der Metallrippen 32 in einer mehr oder weniger festen Stellung gehalten wird, wobei die Metallrippen an der Wand des Bohrloches 35 anliegen.
Durch die hydrodynamisch profilierten Flächen 34 und 36 der Rippen wird die in dem Bohrloch umlaufende Bohrlochflüssigkeit zwischen den Rippen in solcher Weise verteilt, dass die Bohrlochflüssigkeit keine Neigung zeigt, über die an der Bohrlochwand anliegenden Flächen der Metallrippen 32 zu strömen, so dass sich an diesen Stellen keine Schleifteilchen festsetzen, die von der Bohrlochflüssigkeit mitgenommen werden und die sonst das Bestreben haben, sich zwischen den Rippen und der Bohrlochwand zu verkeilen.
Der federnde, aussenliegende Fuss 20 der Führungshülse ermöglicht eine federnde Berührung der verhältnismässig harten Metallrippen mit der Bohrlochwand. Es besteht daher keine Neigung zum Abblättern und Zerreissen wie bei den völlig aus Kautschuk hergestellten Rippen. Die Metallrippen können weit zurückweichen und nachgeben, so dass der Stabilisator durch gekrümmte und unregelmässige Abschnitte des Bohrloches leicht hindurchgeschoben werden kann. Ist keine Führungshülse vorhanden, dann berührt das Bohrgestänge die Bohrlochwand an einer tiefer gelegenen Stelle, so dass die Pendelwirkung der Schwerstangen mit ihrer Richtungsstabilisierwirkung auf den Bohrer vermindert wird. Mit der erfindungsgemässen Führungshülse wird daher ein geradlinig verlaufendes Bohrloch gebohrt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Führungshülse für Schwerstangen mit einem rohrförmigen Metallschaft, der an seiner Innenseite ein einen drehbaren Kern tragendes Lager und an seiner Aussenseite radial vorstehende Rippen aufweist, die zwischen sich Strömungskanäle bilden, dadurch gekennzeichnet, dass jede Rippe aus einem Metallstreifen (32) und einem diesen Metallstreifen (32) auf dem Metallschaft (10) federnd befestigenden Fuss (20) besteht.