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Die Erfindung betrifft eine selbstsichernde Schnappmuffe für Ölbohrarbeiten, die an einem Schaft eines Bohrrohres oder einer Pumpenstange ansetzbar ist, mit einem Muffenkörper aus einem elastomeren od. ähnl.
Material, in den konzentrisch ein Federglied von im wesentlichen zylindrischer Form eingebettet ist, und mit mindestens zwei gegenüberliegenden und mit Abstand von den beiden Muffenenden angeordneten Ausnehmungen od. dgl. Angriffselementen zum Zusammenziehen der beiden Muffenenden.
Beim Bohren von Erdölbohrungen und beim Hochpumpen von Erdöl treten seit langem ungelöste Probleme dahingehend auf, dass eine ordnungsgemässe Funktion des Bohrrohres bzw. des Saugrohrgestänges im Bohrlochmantel nicht gewährleistet werden kann. Diese Probleme sind im wesentlichen die Folge der extrem hohen Temperaturen und Drücke, die dabei auftreten, und der sehr hohen Lasten und Spannungen als Ergebnis des Arbeitens in sehr grossen Tiefen.
Bei Pumpenstangen sind die verschiedensten Arten von Führungen konstruiert worden, um eine ordnungsgemässe Arbeit der Stange im Rohr zu erreichen. Diese sind so weiterentwickelt worden, dass die Bewegung der Stange im Rohr nach oben und nach unten erleichtert wird, wobei ein Festsetzen und Klemmen, übermässige Reibung, Verschleiss, Bruch usw. verhindert werden soll, insbesondere dann, wenn das Bohrloch selbst krumm ist, was oft der Fall ist.
Bei Bohrrohren trifft man auf ähnliche Probleme. Schutzeinrichtungen der verschiedensten Art sind konstruiert worden, um das Drehen des Rohres und dessen Absenken in das Bohrloch zu erleichtern. Sie wirken im allgemeinen wie Manschetten, und sie können fest am Rohr angeordnet sein und sich mit ihm mitdrehen, oder sie können lose daran angeordnet sein und eine begrenzte Bewegung in axialer Richtung ermöglichen.
Ausserdem können sie in bezug auf das Bohrloch in derselben Lage bleiben und sich nicht mit dem Rohr mitdrehen, während dieses sich dreht und in das Bohrloch abgesenkt wird.
Darstellungen der ersten Ausführung sind aus den USA-Patentschriften Nr. 3, 019, 063 und 3, 094, 360 zu entnehmen, eine Darstellung der letzteren Ausführung ist aus der USA-Patentschrift Nr. 3, 397, 017 zu ersehen.
Die Probleme sind auch durch die Verwendung anderer Werkstoffe für die Schutzeinrichtungen und Führungen angegangen worden, beispielsweise durch die Verwendung von Spezialelastomeren und verschiedenen Kunststoffen mit oder ohne Kombination mit metallischen Elementen in den verschiedensten Formen.
In allen Fällen, gleichgültig, ob die Schutzeinrichtung oder die Führung feststeht, oder ob sie sich bewegt oder schwebt, besteht das Problem des Begrenzens derselben auf eine Fixposition oder des Begrenzens ihres Bewegungsweges innerhalb festgelegter Grenzen. Das ist sehr wichtig, weil die Führung bzw. Schutzeinrichtung nicht an der Stange oder am Rohr zu Stellen entlangwandern darf, an denen sie nicht benötigt wird, besonders nicht zu vergrösserten Partien der Stange oder des Rohres, wo sie gespreizt und verklemmt wird.
Um einen Schutz vor dem letzteren Zustand zu bieten, sind die verschiedensten Arten von Anschlagmuffen bekannt. Diese bestehen im wesentlichen aus Druckmuffen ähnlich jenen, die an rotierenden Wellen von Maschinen verwendet werden und die in einer Fixlage an der Stange oder am Rohr durch Klemmschrauben oder Schellen gehalten werden, u. zw. in der jeweils vorgesehenen Lage. Beispiele dafür zeigen die USA-Patentschriften Nr. 3, 094, 360 und 3, 397, 017.
Das Problem des Haltens dieser Anschlagmuffen an den festgelegten Stellen unter den extremen Bedingungen, die bei Bohrlocharbeiten vorliegen, ist für viele Jahre besonders schwerwiegend gewesen.
Die Kräfte, die auf Bohrrohre ausgeübt werden, können bis zu vierzig Tonnen oder mehr betragen. Die Zugspannung auf die Rohrwände bewirkt natürlich, dass sie eine Längsdehnung erfahren und die Folge davon ist, dass die Aussendurchmesser abnehmen bzw. schrumpfen. Diese Effekte addieren sich, wobei ein Lockern der Anschlagmuffen an den Rohren oder Stangen bewirkt und folglich deren Lage geändert wird, und damit ihr Wert auf Null reduziert, und darüber hinaus die Gefährdung des Bohrloches erhöht wird.
Ein weiteres Problem das den einschlägigen Fachleuten geläufig ist, besteht darin, dass jede Einrichtung dieser Art, insbesondere Rohrschutzeinrichtungen und Druck- oder Anschlagmuffen, so konstruiert sein müssen, dass sie schnell und wirtschaftlich am Rohr angesetzt und auch wieder abgenommen werden können, u. zw. an der Bohrstelle, unter geringstem Aufwand an Zeit und Arbeit.
Zur Lösung dieser Probleme wurde bereits vorgeschlagen, Rohrmanschetten mit gewelltem Einsatz zu verwenden (deutsche Offenlegungsschrift 2045868). Hiebei handelt es sich um Bohrgestängeschoner vom gespaltenen oder Einklinktyp, die seitwärts geöffnet werden können, um ein Rohr zu umfassen, durch ein Montagewerkzeug zusammengedrückt und dann mittels eines Stiftes oder einer Klinke am Rohr befestigt werden können.
Diese Manschette besteht aus einem im wesentlichen zylindrischen Hauptteil aus elastomerem Material, einem in diesen Hauptteil eingebetteten, dehnbaren Federband gleicher Abmessung, wobei zwischen Band und innerem Umfangsteil des Hauptkörpers eine Schicht aus elastomerem Material angeordnet ist, sowie einer Klinke zur Verriegelung der Manschette am Rohr. Das Federband besitzt abwechselnd im wesentlichen kreisförmige zylinderische Abschnitte und in Längsrichtung verlaufende geriefte Abschnitte, die weniger als die Hälfte des Umfangs des Bandes ausmachen und dehnbar sind.
Bei einer andern Ausführung (deutsche Offenlegungsschrift 2046. 422) weist dieses Federband langgestreckte flache Seiten auf, die einen im wesentlichen vieleckigen zylinderartigen Abschnitt bilden, wobei
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die Winkelteile des Federbandes zwischen den Seiten durch eine radial nach innen gerichtete Bewegung verformbar sind, wenn der Schoner zur Befestigung um ein Rohr mit einem den Innendurchmesser des Schoners überschreitenden Durchmesser gedrückt wird.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Schnappmuffe zu schaffen, durch die die vorstehend beschriebenen Nachteile behoben werden.
Erfindungsgemäss wird das bei einer Schnappmuffe der eingangs erwähnten Art dadurch erreicht, dass ein Schlitz durch den Muffenkörper und das Federglied hindurch in der Nähe des einen Muffenendes angeordnet ist, wobei der ausserhalb des Federgliedes liegende Teil des Muffenkörpers an dem Schlitz endet, so dass die äussere Fläche des Federgliedes zum Muffenende freiliegt und dass weiters eine Zunge am andern Muffenende spitzwinkelig zum Federglied abgebogen und etwa radial in den Schlitz einschiebbar angeordnet ist.
Die Erfindung weist gegenüber den eingangs genannten Ausführungen, u. a. nachstehend angeführte Vorteile auf :
Der Verriegelungsbolzen, der nach dem Zusammendrücken der Muffe eingeschoben wird, entfällt.
Als Verriegelungsmechanismus dient ein Schlitz durch den Muffenkörper und das Federglied hindurch und ermöglicht, in Verbindung mit einer Verriegelungszunge eine schnelle Montage und Demontage der Schnappmuffe.
Ein ungewolltes Lockern der Schnappmuffe wird durch die besondere Form derselben, vermieden.
Zusätzlich bewirkt ein abnehmbarer konzentrischer Greifringeinsatz an der Innenfläche der Muffe eine noch grössere Haftung zwischen Muffe und Rohr. Dadurch, dass erfindungsgemäss die Innenflächen nicht durchgehend ausgeführt sind, wird jede Unregelmässigkeit, Verformung oder Eindringen von Fremdstoffen zwischen das Rohr und der Muffe ausgeglichen.
Eine vorzugsweise Ausführung der Schnappmuffe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen durch den Muffenkörper und das Federglied durchgehende Verriegelungslöcher sind.
Die Zunge ist so ausgebildet, dass der spitze Winkel auch einen Kreisbogen zwischen der Zunge und dem Federglied einschliesst.
Weiters ist die Zunge so angeordnet, dass sie nach innen durch den Körper vorsteht und an der äusseren Fläche des Federgliedes anliegt.
Die korrespondierenden gegenüberliegenden Enden des Federgliedes bilden an dem Schlitz und an der Zunge sich überlappende zylindrische Flächen und die Enden dieser Flächen liegen an ihren axialen Rändern frei.
Des weiteren ist erfindungsgemäss in der Innenfläche der Muffe eine Kreisnut zur Aufnahme eines Greifringeinsatzes vorgesehen, wobei dieser Greifringeinsatz aus einer Kombination federnden Materials und einer elastomeren äusseren Beschichtung besteht.
Dieser Greifringeinsatz kann die Form eines Ringes mit angefasten Kanten haben und somit eine Schwalbenschwanzverbindung zwischen der Muffe und dem Ring bilden.
Weiters kann erfindungsgemäss der Greifringeinsatz die Form eines gewellten Gliedes, das sich federnd in der Kreisnut verriegelt, haben.
Die Fig. 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch ein Bohrloch mit einem Bohrrohr, einer Schutzeinrichtung und Schnappmuffen gemäss der Erfindung, die Fig. 2 eine Einzelheit des oberen Endes einer Verbindung eines Bohrrohres, in der die Lage der Schutzeinrichtungen und der Schnappmuffen gezeigt ist, die Fig. 3 ein Schaubild einer Schnappmuffe in der unverriegelten Lage, die Fig. 4 ein Federglied für die Schnappmuffe, die Fig. 5 einen Schnitt durch ein Bohrrohr, der die Art des Ansetzens und Verriegelns der erfindungsgemässen Schnappmuffe zeigt, die Fig. 6 zeigt Teile einer Schnappmuffe in einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der ein abnehmbarer Greifringeinsatz vorgesehen ist, die Fig. 7 ein Schaubild der in Fig. 6 gezeigten Schnappmuffe, die Fig. 8 eine Draufsicht auf den Greifringeinsatz der in Fig. 6 und 7 gezeigten Schnappmuffe, die Fig.
9 eine Draufsicht auf ein gewelltes Federglied, das an Stelle des Greifringeinsatzes verwendet werden kann und die Fig. 10 einen Querschnitt durch die Schnappmuffe nach der Fig. 7.
In Fig. 1 ist ein Schaft eines drehbaren Bohrrohres--l--innerhalb eines Rohres--5--oder eines Mantels gezeigt. Es liegt auf der Hand, dass Entsprechendes auch für eine Pumpenstange gilt. Im Falle eines Bohrrohres ist ein hohler zentraler Kanal--2--vorgesehen, der konzentrisch zum Aussendurchmesser des Rohres liegt und einen Weg für die Umwälzung von Bohrschlamm bildet. Um den Anschluss weiterer Bohrrohre zu erleichtern, sind diese mit konisch verlaufenden Abschnitten--3--mit grösserem Durchmesser versehen, die an jenem Ende einen Gewindeteil--4--aufweisen, wobei es sich bei dem einen um einen Gewindezapfen und beim andern um eine Gewindemutter handelt.
Das Rohr --5-- bzw. der Bohrmantel besteht aus einer geeigneten Metallkonstruktion in bekannter Ausführung.
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--6-- gleitet--9-- gemäss dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel versehen sein.
Schnappmuffen--11-gemäss der Erfindung sind mit einer Anzahl von Verriegelungslöchern--12-- versehen und sitzen auf dem Bohrrohr--l-in einem festgelegten Abstand dem Schutzstück--6--
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gegenüber.
Die Lage des Schutzstückes --6-- zur Anschlagmuffe --1-- an dem Bohrrohr-l--ändert sich mit dem Zustand des Bohrloches. Beispielsweise kann die erste bzw. obere Anschlagmuffe etwa 90 cm von einem Ende des Bohrrohrabschnitts entfernt sitzen, wobei ein Abstand von etwa 5 cm zwischen den Anschlagmuffen - und dem Schutzstück --6-- vorgesehen ist, um den entsprechenden Bewegungsweg durch das Schutzstück nach oben und unten zu ermöglichen. Die tatsächliche Gesamtlänge der Bohrrohrabschnitte kann 9 m oder mehr betragen.
Bei besonders krummen oder schwierigen Bohrlöchern kann man mit zwei Schutzstücken --6-- arbeiten, die etwa 7, 5 cm voneinander entfernt liegen, u. zw. zwischen einem Satz Anschlagmuffen Dieses Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2 gezeigt. Hier sind zwei Schutzstücke --6-- mit Sperrbolzen --7-- und einer Sperrverbindung --8-- versehen, was ein Schnappen des Schutzstückes, normalerweise aus einem Elastomer oder Kunststoff, um die Aussenseite des Bohrrohres-l-herum erleichtert. In diesem Ausführungsbeispiel sind innere axiale Umwälznuten--10--vorgesehen. Die andern Elemente und Bauteile sind die gleichen, wie sie im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben worden sind oder noch beschrieben werden.
In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der Schnappmuffe--11--mit ihren Speer- bzw.
Verriegelungslöchern --12-- gezeigt. Vorzugsweise sind zwei Verriegelungslöcher --12-- vorgesehen, u.zw. einmal an einem Ende der Schnappmuffe --11-- und zum andern am gegenüberliegenden Ende. Der Körper --13-- der Muffe besteht im wesentlichen aus einem elastomeren Material, in dem axiale Nuten --14-vorgesehen sind, die eine doppelte Funktion ausüben. Sie sorgen für eine Umwälzung von Flüssigkeit und bilden Kontaktstücke --15-- an der Innenfläche der Muffe die so angeordnet sind, dass sie sich gegen die Aussenfläche des Bohrrohres--l--legen. Konzentrisch in den aus elastomerem Material bestehenden Muffenkörper-13--ist ein Federglied --16-- eingebettet (s. auch Fig. 4), das aus Federstahl oder einem ähnlichen Material bestehen kann.
In der Nähe eines Endes der offenen Schnappmuffe --11-- befindet sich ein Schlitz-17-, in den eine Zunge --18-- eingesetzt werden kann, welche am gegenüberliegenden Ende der Schnappmuffe sitzt. Am Federglied --16-- sind ausgestanzte Klauen--20--vorgesehen, die durch die Innenfläche des elastomeren Muffenkörpers --13-- dringen. Diese Klauen sind am besten in Fig. 4 zu erkennen, in der das Federglied --16-- allein gezeigt ist.
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die nach jedem dazu geeigneten Verfahren hergestellt werden kann.
Die Klauen--20-sind vorzugsweise aus dem Körper des Federgliedes --16-- in der Form vorstehender Lippen im wesentlichen halbrunder Form ausgeführt und zeigen abwechselnd auf gegenüberliegende Seiten (oben und unten) des Federgliedes-16-. Sie sind ebenfalls so angeordnet, dass sie über die Innenfläche des Muffenkörpers --13-- hinaus vorstehen, wie das vorstehend erwähnt worden ist, und verankern sich nach der Montage am Bohrrohr --1--. Diese Klauen --20-- dienen zusätzlich zur Verstärkung der Verbindung zwischen dem Federglied --16-- und dem Muffenkörper --13--.
In Fig. 4 ist ferner der Schlitz --17-- und die Zunge --18-- gezeigt. Diese sind Bestandteile des Federgliedes --16-- und bilden zusammen den Verriegelungsmechanismus für die Schnappmuffen Die Funktion aller vorstehend beschriebenen Elemente und ihre Beziehung zueinander wird durch die Fig. 5 verständlich.
Neben der Darstellung der Methode, wie die Schnappmuffe --11-- auf ein drehbares Bohrrohr-l-- aufgesetzt wird, zeigt Fig. 5 auch eine andere Ansicht der verschiedenen Elemente der Erfindung. Um die Schnappmuffe --11-- anzubringen, muss sie zunächst von Hand ausreichend weit geöffnet werden, um sie über das Bohrrohr--l--etwa in der Nähe der gewünschten Endlage drücken zu können. Dann kann die Muffe axial in ihre Endlage am Rohr geschoben werden.
Danach wird ein besonderes Verriegelungsmontagewerkzeug-121-verwendet. Es besteht im wesentlichen aus einer Zange mit einer grossen mechanischen übersetzung bzw. mit einem grossen Hebelarmverhältnis, die Verriegelungsstifte--122--aufweist. Das Werkzeug --121-- wird ausreichend weit geöffnet, so dass die Stifte --122-- in die äussere Verriegelungslöcher --12-- in den beiden Enden der Schnappmuffe--11--eingesetzt werden können. Die Griffe des Werkzeuges --121-- werden zusammengedrückt, wodurch die Muffe ebenfalls zusammengezogen wird, bis die Zunge --18-- dem Schlitz - -17-- gegenüberliegt, in den sie dann schliesslich als Folge der Eigenfederung der Muffe einschnappt.
An diesem Punkt befindet sich der Verriegelungsstift--122--, der der Zunge-18-am nächsten liegt, dem inneren Verriegelungsloch --12-- gegenüber an einem Ende der Muffe, um damit ein Spiel für den Teil des Verriegelungsstiftes zu schaffen, der in das Innere des Federgliedes-16-ragt, und dadurch wird der Abschluss der Verbindung der Schnappmuffe --11-- um das Rohr--l--herum erleichtert.
Die Verwendung dieser Konstruktion und Montagemethode bietet eine Kombination von Effekten, deren Ergebnis eine ungewöhnlich starke Bindung bzw. Haftung zwischen der erfindungsgemässen Muffe und dem Bohrrohr ist.
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Jede Unregelmässigkeit, Verformung oder Eindringung von Fremdstoffen zwischen dem Bohrrohr--l-- und der Innenfläche der Schnappmuffe--11--wird also automatisch ausgeglichen, was bei durchgehender Innenfläche nicht der Fall wäre. Auf diese Weise erhält man eine besonders starke Verbindung zwischen der Schnappmuffe--11--und dem Bohrrohr
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zuFederglied --16-- verwendeten Materialien.
Zusätzlich zum hohen Reibschluss, der erreicht wird, kann die Schnappmuffe am Bohrloch sehr einfach und schnell montiert und abgenommen werden. Die Abnahme kann einfach durch Einsetzen beispielsweise eines Schraubenziehers zwischen die sich überlappenden Endteile der Schnappmuffe an einer Stelle nahe dem Eingriff zwischen Schlitz--17--und Zunge--18--erfolgen, worauf durch eine kleine Drehung des Schraubenziehers das Abspringen der Muffe erreicht wird. Für die erfindungsgemässe Schnappmuffe sind keine zusätzlichen Teile, wie Klemmschrauben, Stiften usw. erforderlich, um das angestrebte Ergebnis zu erzielen.
Wie vorstehend erwähnt, ist die Anordnung insbesondere für die Anwendung auf Bohrrohre beschrieben worden. Es versteht sich jedoch, dass eine entsprechende Anordnung der erfindungsgemässen Muffe an einer Pumpstange vorgesehen sein kann, wie das eingangs erwähnt worden ist. Bei Ansetzen an einer Pumpstange nahe an deren gestauchtem Teil oder in der Nähe der Kupplung wirkt die Muffe in sich als ein Schutzstück. Das ist besonders für den Schutz des Bohrlochrohres gegen die Bewegung der Stange während des Pumpens vorteilhaft, besonders bei einem krummen Bohrloch.
Es ist ferner festgestellt worden, dass die erfindungsgemässe Konstruktion und das erfindungsgemässe Montageverfahren auch verwendet werden können, um einen Zentrierer an einem Bohrlochmantel als Schutzstück selbst oder als Unterstabilisator anzuordnen, beispielsweise an einer sogenannten Kelly-Stange. In allen diesen Anwendungsfällen sind die Konstruktion der Schnappmuffe und deren Montageweise im wesentlichen gleich jenen, die vorstehend für ein Bohrrohr beschrieben worden sind.
In Fig. 6 bis 10 ist eine Schnappmuffe in Weiterbildung des vorstehenden Ausführungsbeispiels gezeigt. Die Muffe ist hier mit--lla--bezeichnet. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine konzentrische Kreisnut--21-im Muffenkörper --13-- vorgesehen. Ein Greifringeinsatz--22--, gemäss Fig. 8, sitzt in der Kreisnut --21-- und ist mit vertikalen Umwälznuten --23-- versehen, ähnlich den Nuten--14--in Fig. 3 und 5.
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--22-- kannGreifringeinsatz--22--zu bilden, wie das in Fig0 gezeigt ist.
Für den abnehmbaren Greifringeinsatz--22--kann man jedes geeignete elastomere oder ähnliches Material, wie Kunststoff, anwenden, je nach dem besonderen Anwendungsfall. Das gewellte Federglied--25-kann aus irgendeinem geeigneten Metall oder einem sonstigen federnden Material bestehen, und es kann auch mit einem Kunststoff oder Elastomer beschichtet sein. Es ist beispielsweise festgestellt worden, dass unterschiedlich hergestellte Werkstoffe unterschiedliche Griffestigkeit mit sich bringen, im Gegensatz zu im wesentlichen geformten Materialien, die gute Verschleisseigenschaften haben.
Bei einer Konstruktion dieser Art sorgt der Greifringeinsatz für einen stark erhöhten Widerstand gegen eine Bewegung der Muffe in einer axialen Richtung, und er verbessert deren Greifwirkung erheblich. In dieser Konstruktion kann der Greifringeinsatz mühelos entfernt und durch Ringe mit einem andern (z. B. kleineren) Innendurchmesser ersetzt werden, um einen Ausgleich für den Rohrverschleiss zu schaffen.
Die Umwälznuten--23--bewahren natürlich in der axialen Richtung die Umwälzeigenschaften der vorstehend beschriebenen Grundkonstruktion. Zwischen den axial fluchtenden Nuten--14, 23--entstehen Anlagepartien sowohl an der Muffe-lla-als auch an ihrem Ringeinsatz-22-, die in Fig. 3 mit --115-- für die Grundkonstruktion der Muffe --11-- bezeichnet worden sind.