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Pistonierkolben und aus Draht bestehendes
Bewehrungselement hiefür
Die Erfindung betrifft einen Pistonierkolben zur Verwendung in Ölbohrlöchern, insbesondere einen Pistonierkolben, der an einem Drahtseil in einem Rohr in einem Bohrloch hinuntergelassen werden und aus
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keit mitnimmt. Ferner betrifft die Erfindung ein aus Draht bestehendes Bewehrungselement für solche
Kolben.
Derartige Pistonierkolben besitzen gewöhnlich einen Dorn, an dem ein oder mehrere Dichtungskör- per abnehmbar-befestigt sind. Der Dorn wird am Ende eines Drahtseiles angebracht, mit dem der Pisto- nierkolben in einem Steigrohr eines Bohrloches auf eine gewünschte Tiefe hinuntergelassen werden kann, so dass beim anschliessenden Herausziehen des Pistonierkolbens aus dem Bohrloch die in dem Steigrohr enthaltenen Flüssigkeiten mitgenommen werden.
Gewöhnlich wird ein Bohrloch nach seiner Fertigstellung pistoniert, um dadurch den Produktionsvorgang einzuleiten, oder nach Behandlungen des Bohrloches, beispielsweise einem hydraulischen Durchbruch durch die Formation, und/oder das Bohrloch wird nach einer Säurebehandlung oder Reinigung der Formation u. dgl. zum Herausziehen der in das Bohrloch eingeführten Flüssigkeit pistoniert, so dass der Formationsdruck das Bohrloch zum Fliessen bringen kann.
Wenn zum Pistonieren von Bochlöchern Pistonierkolben mit manschettenförmigen Dichtungskörpern verwendet werden, die nicht imstande sind, einen bestimmten Wert überschreitende Lasten abzuwerfen, ist es sehr erwünscht, den napfförmigen Dichtungskörper des Pistonierkolbens so auszubilden, dass er in dem Steigrohr eine beträchtliche Säule der Bohrlochflüssigkeit heben kann. Dabei unterliegen die manschettenförmigen Dichtungskörper des Pistonierkolbens jedoch einem äusserst starken Verschleiss, weil sie in reibender Anlage mit dem Steigrohr in diesem angehoben werden.
Wenn der Pistonierkolben beispielsweise aus einer Bohrlochtiefe einer Grössenordnung von über 3000 m herausgeholt wird, werden die Dichtungskörper des Pistonierkolbens ständig dem Verschleiss ausgesetzt, der durch ihre unter dem hydrostatischen Druck der oberhalb der Dichtungskörper vorhandenen Flüssigkeit erfolgende gleitende Berührung mit dem Steigrohr bewirkt wird. Mit zunehmendem hvdrotatchem Druck nimmt auch die Reibung der Dichtungsmanschetten an dem Steigrohr zu.
Die Erfindung bezweckt daher die Schaffung eines Pistonierkolbens mit einer Dichtungsmanschette, die imstande ist, eine besonders schwere Flüssigkeitssäule durch einen langen Steigrohrstrang hindurch anzuheben und die eine viel grössere Dauerhaftigkeit hat als die bisher bekannten Dichtungsmanschetten.
Der Pistonierkolben ist mit einem Dorn, der an einem Ende einen Anschlusskopf für ein Drahtseil od. dgl. aufweist, und zumindest einem auf dem Dorn angeordneten Dichtungskörper versehen und ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass jeder Dichtungskörper einen Gummikörper aufweist, der mit in Abständen voneinander angeordneten, biegsamen und zwecks Anlage an der Verrohrung ausdehnbaren Abschnitten sowie mit einem dazwischen angeordneten, starren Abschnitt versehen ist, wobei in dem Gummikörper bei Abbiegen eines der biegsamen Abschnitte einem Abbiegen des andern biegsamen Abschnittes entgegenwirkende Bewehrungen vorgesehen sind.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Pistonierkolben einen langgestreckten, starren Kern auf, auf den der mit den Bewehrungen versehene manschettenartige Gummikörper,
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der innen mit auf Flüssigkeitsdruck ansprechenden Flächen versehen ist, mit seinem unteren Abschnitt aufgepresst ist, wogegen sein oberer Abschnitt frei ist.
Bei einer derartigen Ausführungsform können die Bewehrungen aus mehreren in der Umfangsrichtung in Abständen angeordneten und sich in der Längsrichtung erstreckenden Drähten bestehen, deren untere Enden im unteren Teil und deren obere Enden im oberen Teil des Gummikörpers angeordnet sind und zwischen ihren Enden je einen Einsprung aufweisen, in welchen Einsprüngen ein starrer Ring angeordnet ist.
Weiterhin können bei derartigen Ausführungsformen der untere Teil des Gummikörpers mit einem den Kern umgebenden, starren zylindrischen Körper versehen sein und die unteren Enden der Bewehrungen zwischen den Kern und den zylindrischen Körper reichen.
Für bestimmte Kolben der oben beschriebenen Ausführungsart hat sich ein aus Draht bestehendes Be- wehrungselementals zweckmässig erwiesen, bei welchem der Draht U-förmig gebogen ist und die Schenkel zwischen ihrem unteren Abschnitt und ihrem oberen Abschnitt einen Einsprung aufweisen.
Weitere Zwecke und Vorteile der Erfindung sind nachstehend beschrieben oder für den Fachmann erkennbar gemacht.
In der Zeichnung zeigt Fig. 1 im Vertikalschnitt einen erfindungsgemässen Pistonierkolben während des Herunterlassens desselben in dem Steigrohr eines Bohrloches, wobei der Dorn in Ansicht gezeigt ist. Fig. 2 zeigt in einer ähnlichen Darstellung wie Fig. 1 den ganzen Dorn in Ansicht mit darauf angeordneten Dichtungskörpern beim Herausholen des Pistonierkolbens aus dem Bohrloch zum Hochfördern der in dem Steigrohr enthaltenen Flüssigkeit.
Fig. 3 zeigt in grösserem Massstab als Detail die Ventilkopfausbildung einer Ausführungsform des Dichtungskörpers des Pistonierkolbens sowie die Ventilsitzausbildung an der Nase des Dornes, wobei die Teile ausgezogen in der Stellung gezeigt sind, die sie während des Herunterlassens des Pistonierkolbens in einem Bohrloch einnehmen, während strichliert die Nase des Dornes mit dem unter geringer Last daran. anliegenden Ventilkopf des Dichtungskörpers dargestellt ist. Fig. 4 zeigt im Detail. wie der Ventilkopf des Dichtungskörpers der Fig. 3 unter mittlerer Last an der Dornnase anliegt.
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zeigt in einer Seitenansicht eine Dichtungsmanschette des erfindungsgemäss ausgebildeten Pistonierkolbens. Fig. 7 zeigt einen vergrösserten Teilquerschnitt nach der Linie 7-7 der Fig. 6, Fig. 8 einen vergrö- sserten Teilquerschnitt nach der Linie 8-8 der Fig. 6.
Fig. 9 zeigt in Ansicht als Detail einen der Last- ausgleichs - und Bewehrungsdrähte der Manschette gemäss Fig. 6. Fig. 10 zeigt in einem Querschnitt nach der Linie 10-10 der Fig. 9 mehrere der in Umfangsrichtung in Abständen angeordneten Drähte der Fig. 9, Fig. 11 zeigt in einem vergrösserten Längsschnitt den Zustand der Dichtungsmanschette des Kolbens während des Herunterlassens in einem Bohrloch.
Fig. 12 zeigt in einer ähnlichen Darstellung den Zustand der Manschette unter geringer Last. Fig., 13 zeigt in einer ähnlichen Darstellung wie die Fig. 11 und 12 den Zustand der Manschette unter einer stärkeren Last, Fig. 14 in einer ähnlichen Darstellung wie die Fig. 11. bis 13 den Zustand der Manschette unter einer noch stärkeren Last und Fig. 15 zeigt in einer Darstellung entsprechend den Fig. llbis 14 die einer äusserst starken Belastung ausgesetzte Manschette bei maximaler Durchbiegung der Lastausgleichsdrähte.
In der Ausführungsform gemäss den Fig. 1 und 2 besitzt der erfindungsgemässe Pistonierkolben einen Dorn M, der einen sich in der Längsrichtung erstreckenden Dornkörper 1 hat, an dessen oberem Ende ein Anschlusskopf 2 angeschraubt ist, der mit einem Gewindezapfen 3 versehen ist, der in üblicher Weise mit einer nicht gezeigten Seilhülse verbunden werden kann. Vorzugsweise ist der Anschlusskopf 2 beispielsweise wie dargestellt durch Verschraubung fest mit dem oberen Ende des Dornkörpers 1 verbunden. Diese Verschraubung kann beispielsweise durch ein Silberlot fixiert werden. Der Querschnitt des Kopfes 2 ist so gewählt, dass zwischen ihm und dem mit T bezeichneten Steigrohr ein beträchtlicher Strömungsquerschnitt frei bleibt.
An seinem unteren Ende ist der Kopf 2 mit vorzugsweise bogenförmigen, einander diametral entgegengesetzten konvergierenden Flächen 4 versehen, so dass am unteren Ende des Kopfes zwei radial angeordnete Schultern oder Anschläge 5 vorgesehen sind, deren Zweck nachstehend beschrieben ist. Am unteren Ende des Dornkörpers 1 ist abnehmbar eine Führungsnase 6 angebracht. die eine im wesentlichen konische Oberfläche 7 hat, welche einen Ventilsitz bildet. Um den freien Niedergang der Nase 6 in dem Steigrohr T zu ermöglichen, ist die Nase vorzugsweise mit axialen Rillen versehen bzw. mit einer Anzahl von in der Umfangsrichtung in Abständen angeordneten Führungsrippen 8 ausgebildet, zwischen denen Strömungskanäle 9 vorhanden sind. Die Nase 6 ist vorzugsweise, wie bei 10 angedeutet, mit dem unteren Ende des Dornkörpers 1 verschraubt.
Die Nase kann jedoch auch auf andere Weise abnehmbar an dem Dornkörper befestigt sein. Längs eines beträchtlichen Teiles des Dornkörpers 1 erstrecken sich mehrere radial vorspringende und in der Umfangsrichtung in Abständen angeordnete Rippen 11,zwischen
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demInfolge der verjüngten oder konischen Form des auf der Nase 6 ausgebildeten Sitzes 7 wird der unter- ste Dichtungskörper S auf der Nase und damit auch im Steigrohr T zentriert, in dem die Nase 6 durch ihre Rippen 8 zentriert ist.
Der obere Dichtungskörper legt sich gegen das untere Ende des rohrförmigen
Kernes 13 des unteren Dichtungskörpers S an und verhindert somiteinen Durchtritt der Flüssigkeit zwischen den Dichtungskörpern, wenn der Pistonierkolben angehoben wird, um die über ihm in dem Rohr befind- liche Flüssigkeit hochzufördern.
Wie aus Fig. 9 deutlicher hervorgeht, hat jeder der Bewehrungs- und Lastausgleichsdrähte 16 annä- hernd die Form einer Haarnadel und besitzt einen unteren Teil 16a, in dem der Draht U-förmig gebogen ist, so dass Schenkel 16b gebildet werden, die sich im unteren Teil 16a im wesentlichen parallel zuein- ander zu einem Punkt 16c erstrecken, an dem die Schenkel so abgebogen sind, dass sie etwas voneinan- der divergieren und in einem Winkel zur Ebene der parallelen Drahtstrecken des unteren Teiles 16a vor- stehen. Bei 16d sind die Drahtschenkel 16b erneut so abgebogen, dass sie sich parallel zueinander in einer
Ebene erstrecken, die radial im Abstand von der Ebene des unteren Teiles 16a parallel zu diesen liegt.
Zwischen der Biegung 16d und dem oberen Ende der Drahtschenkel 16b hat jeder Schenkel beispielsweise bei 16e einen einspringenden Teil (Einsprung), während jeder Drahtschenkel 16b an seinem oberen En- de, wie bei 16f angedeutet, nach innen abgebogen ist. Während des Pressens des Dichtungskörpers S sind die Drähte im Kreis um den Kern 13 herum angeordnet, und es liegen die unteren Teile einander benach- barter Drähte aneinander. Der zwischen den Biegungen 16c und 16d zwischen den Drahtschenkeln vor- handene Divergsnzwinkelist so gewählt, dass die Schenkel der im Kreis angeordneten Drähte oberhalb der
Biegungen 16d in gleichen Abständen um den Kern 13 herum angeordnet sind.
Bei der Herstellung eines der Dichtungskörper S werden mehrere der haarnadelförmigen Drähte 16 in der Umfangsrichtung in Abständen voneinander angeordnet, wie in Fig. 10 dargestellt ist, wobei die un- teren Teile 16a in dem Ringraum zwischen dem zylindrischen Körper 18 und dem gegenüberliegenden
Aussenumfang des Kernes 13 angeordnet sind. Durch das Pressen des Gummikörpers 15 werden die unteren
Teile 16a der Drähte vorzugsweise in dem Material des Dichtungskörpers im wesentlichen eingebettet.
Der Dichtungskörper hat die Form einer Manschette und ist über den grössten Teil seiner Axialausdehnung im Abstand von dem Kern 13 angeordnet. An einer Stelle zwischen dem einspringenden Teil 16e und der Biegung 16d der Drähte ist der Gummikörper 15 jedoch mit dem Aussenumfang des Kefnes 13 verbunden und mit einer Dichtungslippe 15a versehen, welche die Beaufschlagung der Verbindungsstelle des Gummikörpers mit dem Kern durch Druckflüssigkeit verhindert.
Wie besonders in Fig. 2 gezeigt ist, sind die Drahtschenkel 16b der Elemente 16 bis auf den einspringenden Teil 16e und den unterhalb der Biegung 16d angeordneten unteren Teil der Drähte in dem Gummikörper 15 so angeordnet, dass sie an der Aussenfläche des Dichtungskörpers S freiliegen und sich an das Steigrohr anlegen können, so dass relativ verschleissfeste Anlageflächen geschaffen werden, die in dem Steigrohr gleiten können, selbst wenn sie mit beträchtlicher Kraft gegen das Steigrohr angedrückt werden.
Gemäss den Fig. 11 bis 15 sind die in der Umfangsrichtung in Abständen angeordneten Drähte 16 an ihrem einspringenden Teil 16e von dem Ring 17 umgeben, der genügend steif ist, um den normal auf ihn einwirkenden Radialbelastungen ohne Durchbiegung gewachsen zu sein, so dass die Drähte 16 innerhalb des Ringes 17 gegen eine translatorische Radialbewegung starr abgestützt sind. Dagegen bildet der Ring 17 einen Drehpunkt für die Drähte 16. Im Innern der Manschette 15 des Dichtungskörpers S sind axial in Axialabständen angeordnete, auf Druck ansprechende Flächen 15b und 15c vorgesehen. Die Flä- che 15b erstreckt sich von dem Ring 17 bis zum oberen Ende des Körpers 15, und die auf Druck ansprechende Fläche 15c erstreckt sich von dem einspringenden Teil 16e bis zu der vorstehend genannten Lippe 15a.
Da der obere Teil des Körpers 15, d. h. der oberhalb des Ringes 17 angeordnete Teil dieses Körpers, nicht gegen eine radiale Ausdehnung abgestützt ist, kann sich dieser Teil relativ leicht biegen und bei Einwirken von relativ leichten, Drücken auf die Fläche 15b bis zur Anlage an dem Steigrohr T abgebogen werden. Dagegen ist der sich von dem Ring 17 zu dem zylindrischen Körper 18 erstreckende Teil der Drähte 16 an beiden Stellen gegen eine radiale Ausnehmung abgestützt, so dass der untere Teil des Körpers 15, d. h. der zwischen dem Ring 17 und dem zylindrischen Körper 18 befindliche Teil desselben, nicht ohne weiteres zur Anlage an dem Steigrohr T abgebogen werden kann und zum Abbiegen des unteren Teiles des Körpers 15 beträchtlich höhere Drücke erforderlich sind als zum Abbiegen des oberen Teiles des Körpers 15.
Vorzugsweise sind die Dichtungskörper S so ausgebildet, dass beim Herunterlassen eines Pistonierkolbens ein kleiner Abstand zwischen deren Aussenumfang und dem Steigrohr T vorhanden ist, so dass der Pi-
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stonierkolben rasch heruntergelassen werden kann, ohne dass dies durch eine Reibung der Dichtungskörper an der Steigrohrwandung behindert wird.
Wenn auf die auf Druck ansprechende Fläche 15b ein Druck einwirkt, der von einer relativ geringen
Flüssigkeitsmenge ausgeübt wird, die sich zu Beginn des Herausziehens des Pistonierkolbens oberhalb des- selben befindet, biegt sich der obere Teil des Gummikörpers radial auswärts um den Lastausgleichsring 17 herum bis zur Anlage an dem Steigrohr T, so dass die oberhalb des PistonierkolbensvorhandenenBohrloch- flüssigkeiten nicht zwischen dem Dichtungskörper und dem Steigrohr hindurchtreten können. Gleichzeitig legt sich der Ventilkopf 19 an die konische Sitzfläche 7 der vorstehend beschriebenen Dornnase 6 an, so dass ein Durchtritt der Bohrlochflüssigkeiten innerhalb des zentral angeordneten Kernes 13 des Dichtungs- körpers S verhindert wird.
Dabeisind mit leichten Drücken Drücke einer Grössenordnung von etwa 1, 4 kg/cm2 bezeichnet. Die hier beschriebene Manschette ist also geeignet, ein kleines Flüssigkeitsvolumen leckfrei anzuheben. Wenn die Druckhöhe der in dem Steigrohr oberhalb der Manschette S befindlichen Flüssigkeit jedoch so gross ist, dass die auf Druck ansprechenden Flächen 15b und 15c Drücken einer Grössenordnung von 35 kg/cm ausgesetzt sind, wird der obere Teil der Manschette 15 fester gegen das Steigrohr T und der Ventilkopf 19 leicht gegen die konische Sitzfläche 7 der Dornnase 6 angedrückt, wie in Fig. 5 dargestellt ist. Dabei gelangt das untere Ende des Mündungstrichters 14 des zentral angeordneten rohrförmigen Kernes 13 im wesentlichen in metallische Berührung mit der konischen Sitzfläche 7.
Da jedoch der untere Teil der Manschette 15 zwischen dem Lastausgleichsring 17 und dem zylindrischen Körper (Fingerhut) 18 steifer ab- gestützt ist als der obere Teil der Manschette, berührt der untere Teil der Manschette das Steigrohr T nicht.
Wenn die auf die auf Druck ansprechende Fläche 15c einwirkenden Drücke zunehmen, d. h. wenn stärkere Bohrlochflüssigkeitslasten von dem Pistonierkolben angehoben werden, wird der untere Teil des Körpers 15 so weit abgebogen, dass er sich gemäss Fig. 14 an das Steigrohr T anlegt. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn die auf Druck ansprechende Fläche 15c Drücken einer Grössenordnung von 70 kg/cm ? ausgesetzt ist. Wenn die Fläche 15c einem noch höheren Druck, beispielsweise einer Grössenordnung von 100 kg/cm, ausgesetzt ist, wird der untere Teil des Körpers 15, wie besonders in Fig. 15 dargestellt, radial noch stärker gegen das Steigrohr T angepresst.
Angesichts der Tatsache, dass der einspringende Teil 16e der Drähte 16 für jeden Draht eine Lagerstelle bildet, an der sich der Draht an einem starren Ring 17 abstützt, welcher unter der Wirkung von radialen Kräften nicht abgebogen wird, trachten auf die Fläche 15b wirkende Drücke, die Drähte 16 um den Ring 17 herum zu verschwenken und damit den auf die Fläche 15c wirkenden Drücken entgegenzuwirken. Ebenso trachten auf die Fläche 15c wirkende Drücke, den unteren Teil der Manschette 15 an das Steigrohr T anzudrücken, und dabei die Drähte 16 um den Ring 17 herum derart zu verschwenken, dass die Wirkung eines auf die Fläche 15b wirkenden Druckes ausgeglichen wird. Effektiv trachten daher die auf den oberen und den unteren Teil der Manschette wirkenden Drücke, die auf den unteren bzw. den oberen Teil der Manschette wirkenden Drücke auszugleichen.
Diese neuartige Eigenschaft der erfindungsgemässen Manschette vermindert die Tendenz von innerhalb der Manschette herrschenden Innendrücken, die Aussenfläche der Manschette so gegen das Steigrohr anzupressen, dass der Dichtungskörper einem raschen Verschleiss unterliegt, wie dies bei den bisher vorhandenen Dichtungskörpern der Fall war.
Es dürfte ersichtlich sein, dass die Erfindung keineswegs auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt ist, sondern Abänderungen möglich sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Pistonierkolben mit einem Dorn, der an einem Ende einen Anschlusskopf für ein Drahtseil od. dgl. aufweist, und zumindest einem auf dem Dorn angeordneten Dichtungskörper, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Dichtungskörper einen Gummikörper (15) aufweist, der mit in Abständen voneinander angeordneten, biegsamen und zwecks Anlage an der Verrohrung (T) ausdehnbaren Abschnitten (15b, 15c) sowie mit einem dazwischen angeordneten, starren Abschnitt (15d) versehen ist, wobei in dem Gummikörper bei Abbiegen eines der biegsamen Abschnitte (15b oder 15c) einem Abbiegen des andern
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