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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Chassis für ein Bohrlochwerkzeug nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Arbeiten
im Bohrloch, wie sie beispielsweise beim Bohren und/oder beim Gewinnen
von Kohlenwasserstoffen durchgeführt
werden, finden üblicherweise
in extremen Tiefen unter extremen Drücken und extremen Temperaturen
statt. Derartige Rahmenbedingungen können die Durchführung von
Arbeiten im Bohrloch erschweren und führen häufig zu Beschädigungen
von Bohrlocheinrichtungen. Es ist daher erforderlich, daß Bohrlocheinrichtungen
in der Lage sind, unter derart schwierigen Rahmenbedingungen betrieben
zu werden.
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Werkzeuge
zur Verwendung in Bohrlöchern sind
hohen äußeren Drücken ausgesetzt,
die durch das Bohrloch und die umgebenden Formationen erzeugt werden.
Zusätzlich
sind diese Bohrlochwerkzeuge inneren Drücken ausgesetzt, die von Bohrflüssigkeiten
unter hohem Druck herrühren,
die während der
Bohrarbeiten durch das Bohrlochwerkzeug gepumpt werden. Bohrflüssigkeit
wird dabei unter hohem Druck von der Oberfläche nach unten durch das Bohrlochwerkzeug
zu einem Bohrer gepumpt. Die Bohrflüssigkeit durchquert den Bohrer
und kehrt zur Oberfläche
zurück,
wobei sie Bohrmehl aus der Formation trägt.
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1 zeigt einen üblichen
Bohrturm und Bohrstrang. Ein Land-basierter Bohrturm 180 wird über einem
Bohrloch 110 positioniert, das eine unterirdische Formation
F durchquert. Das Bohrloch 110 wird auf bekannte Weise
durch Rotationsbohren gebildet. Ein Bohrstrang 190 wird
in das Bohrloch 110 hinabgelassen und weist einen Bohrer 170 an
seinem unteren Ende auf.
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Der
Bohrstrang 190 umfaßt
ferner eine Bohrlochbodenanordnung (bottom hole assembly, BHA) 150.
Die BHA 150 kann verschiedene Module oder Vorrichtungen
mit verschiedenen Eigenschaften, beispielsweise Messen, Verarbeiten
und Speichern von Information und Kommunizieren mit der Oberfläche, aufweisen,
wie ausführlicher
in U.S. 6,230,557 beschrieben ist. Wie in 1 gezeigt, verfügt die BHA 150 über sich
radial auswärts
erstreckende Stabilisierungsflügel 195.
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Der
Bohrstrang 190 weist einen offenen inneren Kanal 100 auf,
durch den Hochdruck-Bohrflüssigkeit/Schlamm 120 von
der Oberfläche
durch den Bohrstrang 190 bis zum Bohrer 170 und
aus diesem herausströmt.
Die Bohrflüssigkeit 120 oder
der Bohrschlamm 120 werden durch eine Pumpe 140 durch den
inneren Kanal 100 gepumpt, wodurch die Bohrflüssigkeit 120 veranlaßt wird,
nach unten durch den Bohrstrang 190 zu fließen. Die
Bohrflüssigkeit 120 tritt
durch Öffnungen
im Bohrer 170 aus dem Bohrstrang 190 aus und fließt durch
den Ringraum 130 zwischen dem Äußeren des Bohrstrangs 190 und
der Wand des Bohrlochs 110 wie durch die Pfeile gezeigt nach
oben. Auf diese Weise schmiert die Bohrflüssigkeit 120 den Bohrer 170 und
trägt Bohrmehl
der Formation zur Oberfläche
hinauf, wenn es zur Rezirkulation zur Oberfläche zurückkehrt.
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Die
Schlammsäule
im Bohrstrang 190 kann auch als Übertragungsmedium zum Übertragen
von Signalen, die Messungen von Bohrlochparametern enthalten, an
die Oberfläche
dienen. Die Signalübertragung
wird durch die bekannte Technik der Schlammpulserzeugung erzielt,
bei der Druckimpulse in der Schlammsäule im Bohrstrang 190 erzeugt werden,
die im Bohrloch 110 aufgenommenen Parametern entsprechen.
Die Bohrlochparameter werden durch Instrumente aufgenommen, die
im BHA 150 nahe oder benachbart zum Bohrer 170 montiert
sind. Im Schlammstrom im Bohrstrang 190 werden Druckimpulse
erzeugt, die von einem Druckwandler empfangen und dann zu einer
Signalempfangseinheit übertragen
werden, die die Signale aufnehmen, darstellen und/oder Berechnungen
zugrunde legen kann, um Informationen über verschiedene Bedingungen
im Bohrloch 110 bereitzustellen.
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Wegen
der widrigen Bedingungen für
Arbeiten im Bohrloch wird der Entwurf von Bohrloch-Druckgehäusen üblicherweise
durch die Festigkeit vorgegeben, die erforderlich ist, um dem hohen Druck,
der hohen Temperatur und den Erschütterungen beim Bohrvorgang
zu widerstehen. Beim Entwurf werden Materialien typischerweise basierend
auf den Belastungsanforderungen ausgewählt, die hohen Druck, axiale
Kompression und Materialschwäche
infolge der Temperatur, des Biegens und der Erschütterung
während
des Bohrvorgangs umfassen. Materialien mit hoher Festigkeit können für diese
Hochdruckanwendungen verwendet werden. Leider weisen diese Materialien
im Vergleich zu üblichen
Materialien wie rostfreiem Stahl eine geringe Bearbeitbarkeit auf.
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Während der
Bohrarbeiten ist es üblich,
daß sich
die Bohrlochanordnung in einer Umgebung befindet, in der der Außendurchmesser
des Werkzeugs einem niedrigen Druck und die inneren Teile des Bohrlochwerkzeugs
(insbesondere dort, wo die Bohrflüssigkeit fließt) einem
hohen Druck ausgesetzt sind. Daher ist es erforderlich, eine Struktur
zu entwerfen, die, wenn sie während
Bohrlocharbeiten gleichzeitig verschiedenen Drücken ausgesetzt ist, sowohl
die innere als auch die äußere Integrität aufrecht
erhält. Eine
Lösung
besteht darin, ein einziges Material hoher Festigkeit mit einer
gegebenen Dicke für
diese Anwendung auszuwählen.
Allerdings kann zusätzlich zu
der Notwendigkeit, daß das
Bohrlochwerkzeug den Drücken
beim Bohren widersteht, das Bohrlochwerkzeug auch potenziell empfindliche
Komponenten tragen, beispielsweise Instrumente mit Schaltkreisplatinen,
die für
Messen-beim-Bohren-(measurement while drilling MWD)-Arbeiten verwendet
werden. Das Verfahren zum Installieren solcher Komponenten umfaßt aufwendige
Bearbeitungsarbeiten. Beim Montieren solcher Komponenten kann es
erforderlich sein, im Bohrlochwerkzeug tiefgefräste Taschen zu erzeugen und
Gewindelöcher
zu bohren, um alle Komponenten adäquat zu sichern. In einer typischen
MWD-Komponente kann es erforderlich sein, Hunderte von Löchern zu
bohren, um die Schaltkreisplatinen zu befestigen.
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Infolge
der verschiedenen Bedingungen, bei denen das Bohrlochwerkzeug arbeiten
muß, und
der inneren Gestaltung des Bohrlochwerkzeugs, gibt es einander widersprechende
Anforderungen für
die Konstruktion des Bohrlochwerkzeugs. Das Bohrlochwerkzeug ist
mit einem inneren Druckgehäuse
oder Chassis versehen, das in einer Schwerstange oder im BHA entfernbar
angeordnet ist. Um der Belastung durch die Umgebung zu widerstehen,
ist es üblicherweise
erforderlich, ein Material hoher Festigkeit zu verwenden, um das
Chassis zu bilden. Allerdings haben Materialien hoher Festigkeit üblicherweise
eine geringe Bearbeitbarkeit, da die Oberflächenhärte proportional zur Festigkeit
ist. Materialien, die einer Bearbeitung zugänglicher sind, weisen möglicherweise
nicht die erforderliche Festigkeit auf, um den hohen Drücken zu
widerstehen, die während
der Bohrarbeiten auftreten. Infolge der Hochdruckumgebung, in der
das Bohrlochwerkzeug arbeitet, ist es in der Praxis üblich, Superlegierungsmaterialien
geringer Verarbeitbarkeit zu verwenden und Bearbeitungsverfahren
in Kauf zu nehmen, die zeitaufwendig und/oder wenig effizient sind,
um Oberflächen
zur Montage der Komponenten zu schaffen.
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Obwohl
Legierungen hoher Festigkeit, wie vorstehend ausgeführt, für Hochdruckumgebungen erforderlich
sind, benötigen
diese Legierungen eine längere
Bearbeitungszeit. Die längere
Bearbeitungszeit ist oft das Ergebnis davon, daß die Zuführrate und die Drehgeschwindigkeit
bei der Bearbeitung von Materialien mit hoher Oberflächenhärte verringert
werden, um die Abnutzung und Klappern von Schneidwerkzeugen zu minimieren.
Eine Verwendung derartiger Legierungen für Teile, die erhebliches Fräsen erfordern
und viele Gewindelöcher
aufweisen, hat daher einen nachteiligen Einfluß auf die Herstellungskosten.
Zudem wird das Material während
des Fräsvorgangs,
der zum Erzeugen der Taschen im Chassis des Bohrlochwerkzeugs verwendet
wird, um eine bestimmte Dicke abgefräst, die erforderlich ist, um
eine Komponente derart zu montieren, daß sie ordentlich in das Chassis
paßt.
Allerdings muß das
Chassis üblicherweise
eine Mindestdicke und damit eine Höchstbearbeitungstiefe behalten.
Der Entwurf erfordert eine Mindestdicke des Materials, um eine maximale
Festigkeit gegen die hohen Drücke
der Bohrflüssigkeit
sicherzustellen. Wenn diese Mindestdicke während der Bearbeitung unterschritten
wird, kann es erforderlich werden, das gesamte Chassis wegzuwerfen
und den gesamten Bearbeitungsvorgang erneut zu starten. Ferner muß, wenn
während
des Bearbeitungsvorgangs Fehler auftreten, das gesamte Teil weggeworfen
werden, da nachfolgende Reparaturen typischerweise die Integrität des Chassis
beeinträchtigen.
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Eine Überprüfung der
Implementation eines Bohrlochwerkzeugs in einer Bohrlochumgebung weist
darauf hin, daß die
Beanspruchung nicht gleichförmig über den
Durchschnitt des Bohrlochwerkzeugs verteilt ist. Deshalb ist ein
Material hoher Festigkeit oder hoher Nachgiebigkeit nicht über den gesamten
Querschnitt des Chassis erforderlich. Tatsächlich kann Material, das jenseits
eines berechneten inneren Durchmessers von der Oberfläche, die hohem
Druck ausgesetzt ist, angeordnet ist, eine geringere Streckgrenze
aufweisen und immer noch ausreichend strukturelle Unterstützung bereitstellen, um
zuverlässig
zu funktionieren. Die Bearbeitung eines Rohmaterials, das in seinem
Querschnitt optimale Eigenschaften aufweist, kann Kosten verringern und
eine Gestaltungsspielräume
eröffnen,
ohne die Zuverlässigkeit
zu beeinträchtigen.
Da verschiedene Abschnitte des Chassis verschiedenen Drücken ausgesetzt
sind, könnte
eine Alternative darin bestehen, das Chassis aus mehreren Metallen
basierend auf den Druck- und Bearbeitungsanforderungen zu konstruieren.
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Zum
Bereitstellen von Materialien, die niedrigen Umgebungen ausgesetzt
sind, sind verschiedene Techniken entwickelt worden. Beispielsweise
beschreibt U.S. 6,309,762 einen bearbeiteten Artikel mit einer verschleißresistenten zylindrischen
Oberfläche
in einem sich durch den Artikel erstreckenden Kanal, und U.S. 4,544,523
beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Artikels aus einer
Legierung durch Verdichten von Metallpartikeln entlang eines inneren
Kanals. Ein weiteres Beispiel, das eine Ölförderung von der Oberfläche betrifft,
ist U.S. 6,148,866. Daraus ist ein aufrollbares Verbundrohr bekannt,
das aus Polymerbasierten Materialien zur Verwendung in Rohren hoher
Festigkeit gebildet ist, die als Druckgehäuse wirken. In diesen Beispielen
sind keine Komponenten an die Oberflächen der Materialien mit hoher
Verschleißresistenz
oder hoher Festigkeit montiert. Zudem sind diese Rohre nicht dazu
ausgestaltet, den vollständigen
Differenzialdruck aufzunehmen, sondern nur dazu, den Druckunterschied
zwischen dem Ring und dem inneren Durchmesser des Rohrs.
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Trotz
der Entwicklung derartiger Techniken zur Bewältigung widriger Bedingungen
verbleibt ein Bedürfnis
nach Materialien, die in der Lage sind, Bedingungen im Bohrloch
zu widerstehen und gleichzeitig die Schwierigkeiten zu verringern,
die bei der Herstellung und/oder dem Bearbeitungsvorgang angetroffen
werden.
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Bei
Bohrarbeiten im Bohrloch ist nicht jeder Ort des Chassis des Bohrlochwerkzeugs
während der
Bohrarbeiten denselben Drücken
ausgesetzt. Tatsächlich
ist die äußere Oberfläche eines
Chassis, die zur Montage von Komponenten einer Bearbeitung bedarf,
nur atmosphärischen
Drücken
ausgesetzt. Typischerweise ist die innere Struktur des Bohrlochwerkzeugs,
wo die Bohrflüssigkeit
fließt
und die verringerte Bearbeitungsanforderungen aufweist, den hohen
Drücken
ausgesetzt. Dementsprechend besteht ein Bedarf für eine BHA, die mit Materialien konstruiert
werden kann, die sowohl der Umgebungsbelastung standhalten können als
auch eine gute Bearbeitbarkeit aufweisen. Es ist wünschenswert,
daß ein
solches Bohrlochwerkzeug einfacher herstellbar und wartbar ist,
zu einer verringerten Abnutzung der Werkzeuge, die zu seiner Herstellung verwendet
werden, führt
und die Lebenszeit der Herstellungsvorrichtungen (Fräsen, Gewindebohrer, etc.)
verlängert.
Es ist ferner wünschenswert,
daß das
Bohrlochwerkzeug einen oder mehrere der nachfolgenden Vorteile aufweist:
Haltbarkeit selbst bei Bohrarbeiten unter hohem Druck, Kompatibilität mit Bohrflüssigkeiten,
Widerstandsfähigkeit
gegenüber Druck,
einfache Herstellung und/oder einfacher Zusammenbau, einfache Reparatur
und Erosionsbeständigkeit.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Chassis für ein Bohrlochwerkzeug
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, das die vorgenannten
Vorteile aufweist.
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Diese
Aufgabe wird entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierdurch
wird ein Chassis für
ein Bohrlochwerkzeug geschaffen, das einen ersten Abschnitt aus
einem Metall hoher Festigkeit umfaßt, der sowohl als Führung für eine Bohrflüssigkeit
als auch als ein inneres Druckgehäuse dient, um vor der Bohrflüssigkeit
unter hohem Druck zu schützen.
Das Bohrlochwerkzeug umfaßt
ferner einen zweiten äußeren Abschnitt
aus Metall hoher Bearbeitbarkeit, das den Metallkern hoher Festigkeit umgibt.
Der äußere Abschnitt
umfaßt
ein Metall, das einer Bearbeitung zugänglicher ist, um Instrumente und
andere Komponenten bei verringerten Herstellungskosten unterzubringen.
Das Bohrlochwerkzeug kann als vollständig verdichtetes Teil ausgebildet werden,
wodurch Belastungen verteilt werden.
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Somit
werden Kosten verringert, indem teure Materialien hoher Festigkeit
nur in den Abschnitten des Chassis verwendet werden, wo die zusätzliche Festigkeit
erforderlich ist.
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Ferner
können
Materialien geringerer Festigkeit nunmehr in größeren Abschnitten des Chassis verwendet
werden, um die Bearbeitbarkeit zu erleichtern und/oder Schweißreparaturen
zu ermöglichen, wobei
jedoch die Festigkeit des gesamten Chassis nicht beeinträchtigt wird.
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Zudem
kann verschleißfestes
Material entlang der Oberflächen
verwendet werden, die einem Flüssigkeitsfluß ausgesetzt
sind, um deren Abnutzung zu verringern.
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Die
Verwendung von Material hoher Festigkeit im Inneren verkürzt den
Entwurfszyklus für
ein Chassis, das für
Material niedrigerer Nachgiebigkeit ausgelegt war, z.B. Nitronic-50,
gegenüber
Inconel, wobei die Flächen
tiefer sein können
und somit mehr Platz für
zu montierende Komponenten geschaffen wird.
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Die
vorliegende Erfindung ist für
Druckgehäuse
verwendbar, die am Außendurchmesser
einem hohen Druck und am Innendurchmesser einem niedrigen Druck,
und umgekehrt, ausgesetzt sind. Zudem können Materialschichten so ausgewählt werden,
daß sie
eine erhöhte
Wärmeleitfähigkeit
aufweisen, um Wärme
von Komponenten, die im atmosphärischen
Druck angeordnet sind, besser zur Bohrflüssigkeit abzuleiten.
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Die
Abschnitte können
mittels des HIP-Verfahrens oder eines anderen Verfahrens, beispielsweise
Schweißen
oder Bonden, insbesondere metallurgisch verbunden miteinander verwendet
werden.
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Weitere
Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung
und den Unteransprüchen
zu entnehmen.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Figuren
dargestellten Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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1 zeigt einen bekannten
Bohrturm.
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2 ist ein Längsschnit
durch die BHA der 1 und
zeigt ein Chassis.
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3 ist ein Querschnitt durch
die BHA und das Chassis der 2 entlang
der Linie 3-3.
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4 ist eine weitere Ausführungsform
der BHA und des Chassis der 3 mit
einer Schicht hoher Festigkeit.
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5 ist eine weitere Ausführungsform
der BHA und des Chassis der 3 mit
einem verschleißfesten
Ring und einer Schicht hoher Festigkeit.
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6 ist ein Querschnitt entlang
der Linie 6-6 der 2.
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7A ist ein Längsschnitt
durch einen Container für
die Verwendung in einem HIP Herstellungsverfahren.
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7B ist ein Querschnitt durch
den Container der 7A entlang
der Linie 7B–7B.
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Die
in 2 im Schnitt dargestellte
BHA 150 ist als Teil eines Bohrlochwerkzeugs, beispielsweise des
in 1 dargestellten,
verwendbar. Die Pfeile geben die Flußrichtung einer Bohrflüssigkeit
an, die durch die BHA 150 strömt. Die BHA 150 umfaßt eine Schwerstange 26 und
darin ein Chassis 31. An verschiedenen Abschnitten des
Chassis 31 sind Komponenten 32a, 32b montiert, z.B.
Meßinstrumente, Elektroniken
o.dgl.. Das Chassis 31, das auch als Druckgehäuse oder
Druckfaß bezeichnet
wird, weist einen Ringabschnitt 35 und einen Dornabschnitt 36 auf,
die die Komponenten 32a bzw. 32b aufnehmen. Dichtungen 33 verhindern,
daß Flüssigkeit
in das Chassis 31 eindringt. Ein innerer Durchflußkanal 34 ermöglicht,
daß Bohrflüssigkeit
von der Oberfläche durch
die BHA 150 zu einem Bohrer fließt.
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Bei
der Konstruktion des Chassis 31 werden die Komponenten 32a, 32b üblicherweise
in verschiedene Abschnitte des Chassis 31 eingesetzt. Das
Chassis 31 wird dann in die Schwerstange 26 eingesetzt.
Beim Einsetzen des Chassis 31 wird in der Anordnung zwischen
dem Chassis 31 und der Schwerstange 26 und im
Inneren des Dornabschnitts 36 des Chassis 31 atmosphärischer
Druck eingeschlossen. In dieser Konfiguration sind die Komponenten 32a und 32b,
die am bzw. im Chassis 31 montiert sind, atmosphärischem
Druck ausgesetzt. Allerdings ist der Druck der Bohrflüssigkeit,
die durch den inneren Durchflußkanal 34 fließt, sehr
hoch und beträgt
größenordnungsmäßig 138
MPa (20.000 psi). Für
den Betrieb unter dieser extrem hohen Druckdifferenz ist das Chassis 31 üblicherweise
aus einem Material gebildet, das ausreichend fest ist, um diesen extremen
Flüssigkeitsdrücken zu
widerstehen und die physikalische Integrität des Chassis 31 zu
wahren.
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In
der Ausführungsform
der 3 ist das Chassis 31 aus
einem homogenen Material gebildet und in der Schwerstange 26 montiert.
Der zur Schwerstange 26 benachbarte Ringabschnitt 35, auch
Basis genannt, des Chassis 31 bildet Aussparungen 40.
In den Aussparungen 40 können ein oder mehrere Komponenten 32a untergebracht
werden. Die Komponenten 32a werden üblicherweise an der Oberfläche des
Chassis 31 montiert. Der innere Durchflußkanal 34 erstreckt
sich durch den mittleren Abschnitt des Chassis 31, um einen
Bohrflüssigkeitsfluß durch
dieses zu ermöglichen.
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Der
Ringabschnitt 35 des Chassis 31 in 3 umfaßt vorzugsweise ein Material,
das den sehr hohen Drücken
der Bohrflüssigkeit
im Durchflußkanal 34 widerstehen
kann, die durch die Pfeile angedeutet sind. Vorzugsweise ist das
das Chassis 31 bildende Material in der Lage, der Druckdifferenz zwischen
den Aussparungen 40 und der Bohrflüssigkeit unter hohem Druck
im Durchflußkanal 34 ohne plastische
Deformation zu widerstehen und noch in die Umhüllung durch die Schwerstange 26 zu
passen. Vorzugsweise widersteht das Material Bedingungen, bei denen
die Dicke zwischen dem Durchflußkanal 34 und
den Aussparungen 40 verringert ist. Beispiele von Materialien,
die benutzt werden können,
um Bohrarbeiten zu überstehen,
umfassen Materialien wie Stahl, rostfreien Stahl (z.B. 316), Nickel-basierte
Superlegierungen (z.B. Inconel), Kobaltlegierungen (z.B. NP35N),
Kupfer-Nickel-Legierungen (z.B. Monel), Titan und andere Materialien hoher
Festigkeit. Während
es wünschenswert
ist, daß das
Material so fest wie möglich
ist, ist es auch wünschenswert,
daß das
Material ausreichend bearbeitbar ist, um eine einfache Herstellung
und/oder Bearbeitung des Chassis 31 zu gestatten.
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Materialien
mit einer Festigkeit, die ausreicht, den Belastungen durch die Umgebung
standzuhalten, sind oft schwierig bearbeitbar, insbesondere, wenn
die Bearbeitung es erfordert, daß Aussparungen ausgebildet
werden, um Komponenten aufzunehmen. Beispielsweise ist unter denselben
Bedingungen die Zeit, die erforderlich ist, um eine Dreh- und/oder
Fräsoperation
unter Verwendung eines Materials hoher Festigkeit wie Inconel durchzuführen, viel
größer, als
die Zeit, die erforderlich ist, um ein Material geringer Festigkeit
wie rostfreien Stahl zu bearbeiten. Ebenso ist die Zeit, die für Bohrarbeiten an
Inconel erforderlich ist, typischerweise viel größer als für rostfreien Stahl.
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Das
in 4 dargestellte Chassis 31a gleicht
dem in 3 dargestellten
Chassis 31 mit der Ausnahme, daß ein Futter- oder Mittelring 41 entlang des
Innendurchmessers des Ringabschnitts 35 um den Durchflußkanal 34 angeordnet
ist. Vorzugsweise ist der Mittelring 41 metallisch mit
dem Innendurchmesser des Ringabschnitts 35 verbunden. Der
Mittelring 41 ist so ausgestaltet, daß er der Bohrflüssigkeit, die
unter hohem Druck durch den Durchflußkanal 34 fließt, standhält. Der
Mittelring 41 umfaßt
vorzugsweise ein Material mit einer hohen Streckgrenze und/oder
Korrosionsbeständigkeit,
wie z.B. eine Chrom-Nickel-Superlegierung.
Ferner kann es wünschenswert
sein, ein nicht-magnetisches Material zu wählen, da es sonst zu einer
Beeinträchtigung
von Meßinstrumenten kommen
kann. Diese Erwägung betrifft
bestimmte Werkzeuge und Anwendungen dieser Werkzeuge.
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Der
Mittelring 41 kann verwendet werden, um eine zusätzliche
Verstärkung
gegen den hohen Druck (angedeutet durch die Pfeile) im Durchflußkanal 34 bereitzustellen.
Vorzugsweise ist der Mittelring 41 dick genug, um ohne
nachzugeben den Druck im Durchflußkanal 34 zu halten.
Der Außendurchmesser
des Ringabschnitts 35, der typischerweise Drücken ausgesetzt
ist, die atmosphärisch
und/oder viel geringer als der Druck im Durchflußkanal 34 sind, kann
aus Materialien geringerer Festigkeit gebildet sein. Materialien
geringerer Festigkeit können
für den Ringabschnitt 35 auch
deshalb verwendet werden, um die Bearbeitbarkeit des Chassis im
Hinblick auf das Ausbilden von Hohlräumen und/oder Montieren von
Komponenten 32a zu erhöhen.
Der Ringabschnitt kann daher mit einem Material versehen sein, das
eine geringe Festigkeit aufweist und besser bearbeitbar ist, als
das für
den Mittelring 41 verwendete Material. Ein Material geringer
Festigkeit reduziert die Bearbeitungszeit des Chassis 31a erheblich.
Ein derartiges Material geringer Festigkeit kann beispielsweise
eine Stahllegierung oder rostfreien Stahl enthalten.
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Der
Ringabschnitt 35 des Chassis 31a wird bearbeitet,
um die Aussparungen 40 auszubilden, die die Komponenten 32a aufnehmen.
Die Aussparungen 40 können
entsprechend der Größe der einzusetzenden
Komponente 32a verschiedene Tiefen und Längen aufweisen.
Je größer die
Komponente 32a, desto mehr Bearbeitung ist erforderlich,
um die Aussparungen 40 auszubilden, die die Komponenten 32a aufnehmen.
Jede Aussparung 40 erstreckt sich durch die äußere Oberfläche des
Ringabschnitts 35 nach innen in Richtung auf den Mittelring 41.
Vorzugsweise erstreckt sich die Aussparung 40 ausreichend
weit in das Chassis 31a hinein, damit die Komponenten 32a zwischen
die Schwerstange 26 und das Chassis 31a in die
Aussparung 40 eingesetzt werden können, ohne mit der Schwerstange 26 zu kollidieren.
Die Aussparung 40 erstreckt sich vorzugsweise von dem Außendurchmesser
des Ringabschnitts 35 ein Stück in den Ringabschnitt 35 hinein. Die
Komponenten 32a können
in den Aussparungen 40 des Ringabschnitts 35 durch
Gewindeschrauben (nicht dargestellt) gesichert sein.
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5 zeigt ein weiteres Chassis 31b.
Diese Ausführungsform
ist ähnlich
zu der in 4 gezeigten
mit dem Unterschied, daß der
Ringabschnitt 35 des Chassis 31b ferner mit einer
zusätzlichen
verschleißfesten
Schicht 50 versehen ist, die im Inneren des Mittelrings 41 angeordnet
ist. Die Schicht 50 ist vorzugsweise metallurgisch mit
der Innenseite des Mittelrings 41 verbunden. Die Schicht 50 stellt
eine zusätzliche
Hürde für Verschleiß dar, der
durch den konstanten Fluß von
Flüssigkeiten
mit Abtriebsmitteln bei hohem Druck verursacht wird, und dient dazu,
die Abnutzung des Chassis 31b zu verhindern. Die verschleißfeste Schicht 50 kann
aus verschiedenen Materialien gebildet werden, beispielsweise aus Wolfram-Legierungen,
Kobalt-Legierungen oder anderen verschleißfesten Materialien. Die Materialien bilden
zusätzlichen
Halt und zusätzliche
Festigkeit für
das Chassis.
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In
der Ausführungsform
gemäß 6 ist der Dornabschnitt 36 des
Chassis 31 mittig in der Schwerstange 26 angeordnet,
wobei sich der Durchflußkanal 34 dazwischen
erstreckt. Eine oder mehrere Komponenten 32b sind in einer
Kammer 61 im Dornabschnitt 36 des Chassis 31 untergebracht.
Der Durchflußkanal 34 erstreckt
sich um den Dornabschnitt 36 des Chassis 31, um
einen Flüssigkeitsfluß zu ermöglichen.
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Der
Dornabschnitt 36 des Chassis 31 ist vorzugsweise
mit einem verschleißfesten
Außenring oder
einer verschleißfesten
Außenschicht 62 und
einer Schicht 64 hoher Festigkeit, die die Außenfläche des
Dornabschnitts 36 umgibt, versehen. Die Schicht 64 hoher
Festigkeit ist so ausgestaltet, daß sie der Bohrflüssigkeit,
die mit hohem Druck durch den Durchflußkanal 34 fließt, standhalten
kann. Die Schicht 64 umfaßt vorzugsweise ein Material
mit einer hohen Streckgrenze und Korrosionsbeständigkeit wie in Inconel, Nickel-Chrom-Legierungen und/oder
Kupfer-Nickel-Legierungen. Die Schicht 64 kann verwendet
werden, um eine zusätzliche
Verstärkung
gegen den hohen Druck bereitzustellen, der durch den Durchflußkanal 34 fließt. In einigen
Fällen kann
es erwünscht
sein, ein nicht-magnetisches Material zu wählen, da sonst Meßinstrumente
beeinflußt werden
können.
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Der
Außenring 62 ist
vorzugsweise eine verschleißfeste
Schicht wie z.B. die Schicht 50 aus 5. Die Schicht 62 kann verwendet
werden, um den Dornabschnitt 36 des Chassis 31 von
den hohen Drücken
im Durchflußkanal 34 und/oder
dem sich dadurch erstreckenden Fluß der Bohrflüssigkeit
zu isolieren. Der Dornabschnitt 36 ist typischerweise bearbeitet,
um Komponenten 32a darin zu montieren. Wie der Ringabschnitt 35,
kann auch der Dornabschnitt 36 mit einem Material niedriger
Festigkeit und/oder einem Material, das besser bearbeitbar ist,
als das Material, das für
den Außenring 62 und/oder
für die Schicht 64 verwendet
wird, versehen sein. Ein Material niedriger Festigkeit kann für den Dornabschnitt 36 verwendet
werden, wodurch der Bearbeitungsvorgang erheblich vereinfacht wird.
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Der
Dornabschnitt 36 des Chassis 31 wird bearbeitet,
um einen Hohlraum 61 zur Aufnahme der Komponenten 32b zu
bilden. Vorzugsweise erstreckt sich der Hohlraum 61 ausreichend
tief in das Chassis 31 hinein, damit die Komponenten 32b beabstandet von
der Schicht 64 und dem Außenring 62 in dem Hohlraum 61 angeordnet
werden können.
Die Komponenten 32b können
im Hohlraum 61 durch Gewindeschrauben (nicht dargestellt)
gesichert sein. Die Schicht 64 hoher Festigkeit ist im
Außenring 62 angeordnet.
Die Schicht 64 ist vorzugsweise aus einem Material mit
hoher Streckgrenze gebildet, beispielsweise aus dem Material, das
für den
Mittelring 41 verwendet wird, um zusätzlichen Halt für den Dornabschnitt 36 zu
bilden.
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Während 3 bis 6 verschiedene Möglichkeiten zeigen, dem Chassis 31 zusätzliche
Festigkeit und/oder Verschleißfestigkeit
zu verleihen, ist klar, daß derartige
verschleißfeste
Ringe und/oder Schichten je nach Anforderung an verschiedenen Stellen
des Chassis 31 vorgesehen sein können. Vorzugsweise sind die
Abschnitte des Chassis 31, die bearbeitet werden müssen, mit
einem Material geringer Festigkeit versehen, während die Abschnitte, die hohem
Druck, Flüssigkeiten
mit Abtriebsmitteln, Hitze und/oder Bedingungen im Bohrloch und damit
Abnutzung und Verschleiß ausgesetzt
sind, mit einer derartigen Verstärkung
und/oder einem derartigen Schutz versehen sind.
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Bei
der Herstellung des Chassis 31 unter Verwendung mehrerer
Metalle kann eine Technik verwendet werden, die als isostatisches
Warmpressen oder Hot Isostatic Pressing (HIP) bekannt ist. HIP wird
oft verwendet, um Defekte wie Brüche,
Poren oder andere Hohlräume
in metallischen Materialien zu reparieren. HIP wird ebenfalls dazu
verwendet, Defekte in Teilen aus teurem Material zu entfernen, beispielsweise
aus Gasturbinenteilen wie Turbinenflügeln aus Titanium oder sogenannten
Superlegierungen. HIP wird üblicherweise
in einer Druckkammer unter hohen Temperaturen mit einem inerten Gas
als Druckmedium durchgeführt.
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Das
HIP-Verfahren beginnt mit einem Container mit pulverförmigem Metall.
In diesem Container wird ein Vakuum erzeugt. Der Container wird dann
in einen Ofen eingebracht, in dem ein hoher Druck, beispielsweise
97 MPa (14.000 psi), und eine hohe Temperatur, beispielsweise 1.400°C, abhängig vom
Metalltyp, herrschen. Die Exposition des Materials zur Kombination
aus Druck und Temperatur verdichtet das Metallpulver in einen Festkörper. An
den Verbindungsstellen der Metalle entsteht eine metallurgische
Verbindung. Zur Konstruktion des hier geschaffenen Chassis 31 kann
ein Container mit einer oder mehreren Unter-teilungen verwendet
werden.
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Der
in 7A und 7B dargestellte Container 70 ist
zur Herstellung eines Chassis, beispielsweise des Chassis 31b aus 5, unter Verwendung des HIP-Verfahrens geeignet.
Der Container 70 weist drei Unterteilungen 71, 72 und 73 auf.
Die drei Unterteilungen 71, 72, 73 sind
durch dünne
Stahlschichten 74, 75 getrennt. In dem Verfahren
werden Berechnungen angestellt, um die geeignete Dicke jeder Schicht
des Bohrlochwerkzeugs vor der Herstellung des Bohrlochwerkzeugs
zu bestimmen. Der Container 70 wird dann entsprechend den
Berechnungen für
jede Schicht in Unterteilungen geteilt. Anschließend wird Metallpulver in den
Container 70 eingebracht, und zwar in die der jeweiligen
Schicht entsprechende Unterteilung.
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Beispielsweise
wird das Material, das die verschleißfeste Schicht 50 bildet,
beispielsweise Stellite, in die Unterteilung 73 eingebracht.
Das Material, das den Innenring 41 hoher Festigkeit bildet, beispielsweise
Inconel oder eine andere Nickel-Chrom-Legierung hoher Festigkeit,
wird in Unterteilung 72 eingebracht. Das den Ringabschnitt 35 bildende
Material, beispielsweise Pulver aus 316er rostfreiem Stahl, wird
in die Unterteilung 71 eingebracht.
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Wenn
sich die Metalle im Container 70 befinden, wird der Container
vakuumversiegelt und in eine HIP-Kammer eingebracht. Der Container
wird dann Hitze und Druck ausgesetzt, damit die Materialien sich
miteinander verbinden. Der Container 70 wird aus der Kammer
herausgezogen und das äußere Kanistermaterial
wird maschinell entfernt. Da sich das Teil etwas verformen kann,
wird es oft überdimensioniert.
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Die
hier verwendeten Materialien können hergestellt
werden, indem verschiedene Metallpulver mit dem HIP-Verfahren in
einem versiegelten Container 70 miteinander verbunden werden.
Der Container 70 kann in der Mitte hohl oder massiv sein.
Das HIP-Verfahren erhitzt die Außenflächen des Containers 70 und
setzt diese unter Druck, um das Metallpulver vollständig zu
verfestigen. Das vollständig
verdichtete Rohr oder die vollständig
verdichtete Stange kann dann in die Länge geschnitten werden, die
für das
Druckgehäuse
oder Chassis erforderlich ist.