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Abdichtungen für Kabelkupplungen Die Erfindung betrifft eine Abdichungsvorrichtung
für Kabelkupplungen, besonders Abdichtungsvorrichtungen für die Stoßstellen der
Kupplung zwischen zwei Kabellängen.
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Bei Tiefbohrungen, z. B. in Ölfeldern, war es bisher üblich, die Bohrungen
mit einem Bohrkopf mit einigen konischen Kronen durchzuführen, die an einem Drehkranz
am Boden eines Bohrgestänges oder einigen miteinander in entsprechender Weise verbundenen
Rohrstücken angeordnet sind. Das ganze Rohrgestänge wurde als Arbeitsgerät zum Drehen
des Bohrkopfes mit dem Schneidwerkzeugen benutzt, um Boden, Feld oder anderes Material
zu zerreiben und den Bohrschmand aus dem Wege zu räumen. Die zur Drehung der Rohre
und zum Antrieb der Schneidwerkzeuge erforderliche Kraft wurde durch eine entsprechende
mechanische Verbindung vom Antriebsmotor auf das obere Ende des Rohrgestänges übertragen.
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Nach einem anderen vorgeschlagenen Bohrverfahren wurde der Antriebsmotor
direkt über den Bohrspindeln der konischen Schneidwerkzeuge am unteren Ende des
Rohrgestänges angeordnet. Die Stromversorgung des Motors erfolgte hierbei mittels
eines durch das Rohrgestänge nach abwärts geführten Kabels. Der Vorteil dieses Verfahrens
gegenüber bisher angewendeten Methoden besteht darin, daß nicht mehr das ganze Rohrgestänge
gedreht werden muß; ferner ruht das Gewicht des gesamten Rohrgestänges auf den rotierenden
Schneiden und unterstützt deren Wirkung durch zusätzlichen Druck bei der fortschreitenden
Bohrarbeit. Wenn die Bohrung weiter abwärts fortschreitet, so werden nötigenfalls
weitere Rohrstücke am oberen Ende des Rohrgestänges angefügt. In gleicher Weise
wird eine Verlängerung des innerhalb des Rohrgestänges angeordneten Kabels durchgeführt.
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Um zerkleinertes Erdreich oder Felsbrocken, die durch die konischen
Schneiden des Bohrkopfes am Boden der Rohrgestänge entstehen, zu entfernen bzw.
um Boden- oder Gesteinsproben nach oben zu bringen, bestand die bisher ausgeübte
Praxis darin, einen kräftigen Wasserstrahl durch das Bohrgestänge nach abwärts bis
an den Boden des Bohrloches zu führen, ihn durch Öffnungen an den Bohrschneiden
austreten zu lassen und dann wieder nach aufwärts an den Bohrmund zu führen.
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Die Trübe und das mitgeführte Material werden dann vom Bohrloch zwecks
Prüfung und zu treffender Vorkehrungen weggeschafft. Eine Verkleidung umgibt das
Bohrgestänge bis in die Tiefe des Bohrkopfes und sammelt den zurückflutenden Wasserstrom.
Die Praxis der Beseitigung von Erdreich und Felsbrocken durch strömendes Wasser
wird mit den vorgeschlagenen neuen Bohrverfahren in Einklang gebracht.
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Der Flüssigkeitsstrom wird unter Druck in das Bohrsystem eingeführt,
um den Rückfluß zum Bohrmund zu verstärken. Unter diesen Bedingungen entsteht hoher
Druck am Boden des Bohrloches. Überdies erhöht sich die Temperatur der Flüssigkeit
und des Schlammstromes auf wenigstens 120° C.
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Die stromzuführenden Teile des Kabels sind von dem sich nach abwärts
bewegenden Flüssigkeitsstrom an den Verbindungsstellen in entsprechender Weise zu
isolieren. Besonders gut muß aber die Verbindungsstelle zwischen zwei aneinanderstoßenden
Kabelstückenden gegen den abwärts geführten Wasserstrom abgedichtet sein, um den
Zutritt von Waser zu verhindern, das zwangläufig zu einem Kurzschluß stromführender
Teile des Kabels führen würde.
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Die Anwesenheit strömenden Wassers unter hohem Druck an den Kabelverbindungsstellen
und die starke Erwärmung desselben in den untersten Teilen des Bohrloches stellen
ein wesentliches Problem bei der Entwicklung flüssigkeitsdichter Kupplungsverbindungen
dar.
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Weiterhin tritt durch den ständig an der Dichtungsvorrichtung vorbeiströmenden
Schlammstrom ein starker Abrieb an den Verbindungsstellen ein. Dieser Beanspruchung
muß die Dichtungskupplung widerstehen.
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Eine geeignete Dichtung und Kupplung für solche Verwendungszwecke
soll also in der Lage sein, den in größeren Tiefen herrschenden hydraulischen Drücken
gegenüber dicht zu halten. Sie soll gleichzeitig gegen diese hohen Drücke und die
auftretenden hohen Temperaturen widerstandsfähig sein, schließlich soll sie auch
der hohen Abnutzungsbeanspruchung durch die entlang ihrer Oberfläche strömende Flüssigkeit
gewachsen sein.
Eine Abdichtung, die allen diesen besonderen Forderungen
gerecht wird, ist gemäß der Erfindung im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß
sie aus einer elastischen Hülse besteht, welche die Stoßstelle der Kabellängen beiderseits
überdeckt und an ihren beiden Enden mit Außenteilen versehen ist, die ihrerseits
wieder in solcher Weise zurückgebogen sind, daß gegen die Mitte der Abdichtung zu
offene Ringkammern entstehen und daß ferner zwei an den Kabellängen angeordnete
muffenförmige, starre Kappen je einen der besagten Außenteile der elastischen Hülse
überdeckend und abstützend umgeben und deren einander zugekehrteEnden einen solchenAbstand
voneinander haben, daß das unter Druck stehende Wasser in die Ringkammern eindringen
kann.
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Die auf Grund ihrer Elastizität druckempfindlichen Bauteile sprechen
auf den Druck der an den Kabelflächen entlangströmenden Flüssigkeit an. Der auf
diese Weise durch die Strömung herbeigeführte hydraulische Druck wirkt auf die beiden
am Ende der Abdichtung vorgesehenen druckempfindlichen Kammern in der Weise, daß
eine geringfügige Streckung und damit eine Verkleinerung des Durchmessers der Hülse
erfolgt. Dadurch wird der Druck der Hülse gegen die angepaßten Oberflächen der Kabellängen
erhöht und eine gute und befriedigende Dichtung erzielt.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Abdichtung wird der Wasserdruck
selbst zur Dichtung ausgenutzt. Dies ist von besonderer Bedeutung deshalb, da der
Wasserdruck mit zunehmender Tiefe des Bohrloches ansteigt und eine selbsttätige
Einstellung der Dichtung auf den jeweiligen Wasserdruck überhaupt erst die Gewähr
dafür gibt, daß tatsächlich eine einwandfreie Dichtung erzielt wird. Die starken
Beanspruchungen, denen die Abdichtung ausgesetzt ist, fordern ein entsprechend widerstandsfähiges
Material besonders für die zylindrische Hülse, die über die Enden der Kabellängen
geschoben wird. Als sehr geeignet erweisen sich für diesen Zweck Fluorkunststoffe,
wie Polytetrafluoräthylen. Diese besitzen nämlich ein ausgezeichnetes elektrisches
Isoliervermögen und zum andern große Widerstandsfähigkeit gegen hohe Temperaturen,
ferner sind sie elastisch und biegsam.
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Die Bauteile der Abdichtung, für die solches Material in Frage kommt,
kann man entweder dadurch herstellen, daß man den pulverförmigen Fluorkunststoff
verpreßt und sintert oder aus bereits vorgeformten Stücken herausschneidet.
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Wird der Bauteil aus Kunststoffpulver gepreßt, dann wird nach dem
Pressen zur Sinterung auf etwa 390° C erhitzt, und zwar so lange, bis die vollständige
Härtung des Formlings erfolgt ist. Nach der Sinterung läßt man den Formling auf
Raumtemperatur abkühlen. Der auf diese Weise hergestellte Formling läßt sich dann
ohne weiteres auf etwa 260° C erhitzen ohne Verlust seiner Form oder seiner Eigenschaften.
Wenn die Fluorkunststoffe in ihrer Elastizität und Biegsamkeit zwar auch begrenzt
sind, so reichen sie doch für den vorliegenden Fall aus. Diese Eigenschaften behält
der Formling bei den üblichen Betriebstemperaturen auch bei.
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Der Kunststofformling behält seine Struktur und Gestalt selbst bei
den auftretenden hohen Drücken bei. Wegen seiner leichten V erformbarkeit verändert
er zwar sein Volumen, aber nur soweit als erforderlich, entsprechend diesen Drücken.
Diese geringen Veränderungen der Ausmaße bewirken ihrerseits einen verstärkten Kontaktdruck
gegen die von der Abdichtung umfaßten Kabelflächen. Hierdurch wird eine ausreichende
Dichtung erzielt. Die Abdichtung wird weder durch den Einfluß der Temperatur, noch
durch den Einfluß von Temperatur und Druck in ihren Ausmaßen dauernd verändert,
wie das bei vielen anderen Kunststoffen der Fall ist.
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Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abdichtung wird an Hand
der Zeichnung nachstehend erläutert.
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Fig. 1 ist ein Vertikalschnitt durch ein ins Erdreich vorgetriebenes
Bohrloch und zeigt schematisch das Bohrgestänge mit der Verkleidung, das im Gestänge
angeordnete Kabel und die durch die Abdichtung geschützten Kabelverbindungen; Fig.
2 ist ein Vertikalschnitt durch die Verbindungsstelle zweier aneinanderstoßender
Kabellängen zwecks Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung der Abdichtung; Fig.
3 ist ein Vertikalschnitt einer erfindungsgemäßen Kabelabdichtung mit Darstellung
der Einzelheiten. Nach Fig. 1 wird ein Bohrloch 10 von der Oberfläche 16 des Erdreiches
11 aus vorgetrieben. Es wird so weit gemacht, daß ein Rohr 12 zwecks Auskleidung
des Bohrloches eingeführt werden kann, das gegebenenfalls dann zur Förderung des
Öls von der Lagerstätte verwendet wird. Das Bohren besteht darin, daß das am Böden
des Bohrloches 13 befindliche Material -Erdreich oder Fels - mit dem Fortschreiten
der Bohrung herausgeschnitten wird, wozu eine Anzahl von Schneidwerkzeugen (Bohrmeißel)
14 verwendet wird. Diese Bohrmeißel sind am unteren Ende des Bohr-oder Rohrgestänges
15 angeordnet. Dieses Bohrgestänge erstreckt sich durch das gesamte Bohrloch von
der Erdoberfläche bis zum Boden des Bohrloches, wo der Bohrvorgang vor sich geht.
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Die Schneidvorrichtungen 14 sind gewöhnlich als Konusse vorgesehen,
deren rotierende Flächen an ihrem Umfang mit Schneidzähnen ausgestattet sind. Die
Kraft zum Antrieb der Schneidwerkzeuge 14 wird durch einen am Rohrgestänge 15 angeordneten
Motor 17 den ersteren direkt zugeführt. Die elektrische Energie wird dem Motor 17
durch das aus einzelnen Stücken 19 zusammengesetzte Kabel 18 zugeführt. Beim Fortschreiten
der Bohrung auf größere Tiefen werden gegebenenfalls zusätzliche Kabelstücke 19
angefügt.
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Beim Bohrvorgang werden die am Motor angeordneten Bohrschneiden mit
Wasser gespült. Um die Schneidzähne von dem beim Bohren anfallenden Bohrschmand
frei zu halten, wird eine Wasserspülung durchgeführt, wobei das fließende Wasser
durch das Rohrgestänge nach abwärts gedrückt und die mit Schlamm beladene Spülung
durch die Schneidwerkzeuge geleitet wird, wobei sie das den Zähnen anhaftende zerkleinerte
Material mitnimmt.
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Beim Arbeiten tritt ein verhältnismäßig hoher Druck von etwa 700 bis
1050 kg/cm' und eine verhältnismäßig hohe Temperatur von etwa 120° C auf.
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Wie in Fig.2 schematisch dargestellt ist, werden zwei Kabellängen
21 und 22 an der Verbindungsstelle 23 durch eine entsprechende mechanische Kupplung
zusammengehalten, die gegen das unter Druck stehende, Kabel und Kupplung umgebende
Wasser vollständig abgedichtet ist.
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Erfindungsgemäß ist eine derartige Abdichtung 30 vorgesehen, welche
die Kabelstoßstelle 23 zwischen zwei Kabellängen überdeckt und sich über einen kleinen
Bereich jedes der beiden Kabellängen 21 und 22 erstreckt.
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Wegen der auftretenden, bis auf 700 bis 1050 kg/cm' steigenden Drücke
muß die Abdichtungsvorrichtung derartigen hohen Drücken nicht nur gewachsen sein,
sondern
diese hohen Drücke auch gleichzeitig in geeigneter Weise verwerten.
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Nach der beispielsweisen Zeichnung besteht die Abdichtungsvorrichtung30
aus einer zylindrischen, elastischen Hülse 31 und zwei zurückgebogenen Außenteilen
32 und 33. Die Hülse 31 ist an beiden Enden offen und hat auf ihrer ganzen Länge
den gleichen Durchmesser. Die beiden Außenteile 32 und 33 sind mit der Hülse unlösbar
an den gegenüberliegenden Enden verbunden. Die beiden zurückgebogenenAußenteile
32 und 33 sind andererseits in einem gewissen Abstand zu der Hülse 31 angeordnet,
so daß zwei Ringkammern 34 und 35 entstehen. An den beiden gegenüberliegenden Enden
der Hülse sind schräge Flächen 36 und 36 a für den nachfolgend beschriebenen Zweck
vorgesehen. Die inneren Begrenzungskanten 32 a und 33a der zurückgebogenen Außenteile
32 und 33 sind so einander gegenüberstehend und nahe angeordnet, daß eine ringförmige
Öffnung 37 gebildet wird und Wasser aus der Spülung des Bohrgestänges 15 in die
beiden Ringkammern 34 und 35 unterhalb der zurückgebogenen Außenteile 32 und 33
eintreten kann.
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Um die Leistung der Abdichtung 30 möglichst zu steigern, sind an jeder
Kabellänge muffenförmige, starre Kappen 38 und 39 an jedem der beiden Enden vorgesehen.
Diese Kappen sind konzentrisch um die Kabellängen angeordnet, und jede Kappenwandung
ist im radialen Abstand zur äußeren Kabelbegrenzungsfläche vorgesehen, mit Ausnahme
der inneren Endflächen der Kappe 40, wo die Kappe nach innen zu abgeschrägt und
an der entsprechenden Kabellänge fest verankert ist Wird eine Verbindung zweier
Kabellängen hergestellt, so stehen sich die beiden Kappen gegenüber und bilden eine
Tasche 41 zur Aufnahme der Abdichtung 30. Kappen und Abdichtungen sind derart bemessen,
daß die Abdichtung 30 genau in der Tasche 41 eingepaßt ist und die Außenteile 32
und 33 der Abdichtung 30 über ihre gesamte Länge durch die Begrenzungsfläche der
Kappen 38 und 39 abgestützt werden. Die abgeschrägten Endflächen 36 und 36a der
Abdichtung sind vorzugsweise derart geformt, daß sie locker an den Kappen 40 sitzen,
damit die Abdichtung gegebenenfalls nur einer geringfügigen Verformung ausgesetzt
wird: Die einander gegenüberliegenden Begrenzungskanten 38a und 39a. sind voneinander
durch einen ringförmig verlaufenden Zwischenraum 43 getrennt, der auf der gleichen
Achse angeordnet ist wie die entsprechende Öffnung 37 der Abdichtungsvorrichtung,
so daß das Wasser unbehindert in die Druckkammern der Abdichtungsvorrichtung eintreten
kann.
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Die Wirkungsweise der Abdichtung 30 soll nachfolgend beschrieben werden:
Die Abdichtung ist während des Bohrens bei abwärts strömender Spülung des Bohrgestänges
15 vom Wasser bedeckt. Das Wasser tritt in die beiden Ringkammern 34 und 35 ein,
und der Wasserdruck trachtet die Hülse 31 der Abdichtung 30 zu strecken. Die in
der Hülse 31 der Abdichtung 30 auftretenden Zugkräfte suchen den tatsächlichen Durchmesser
der zylindrischen Hülse 31 zu verkleinern. Infolgedessen wird dieHülse ihren ursprünglichen
Druck auf die beiden von ihr umfaßten Kabellängen 21 und 22 vergrößern. Wenn sich
der hydraulische Druck der entlangströmenden Spülung steigert, wird die auf die
Abdichtung 30 ausgeübte Zugkraft entsprechend zunehmen, was eine entsprechende Steigerung
des seitens der Hülse 31 der Abdichtung ausgeübten Druckes gegen die Flächen der
beiden zu verbindenden Kabellängen zur Folge hat. Das zulässige Ausmaß der Streckung
wird dadurch gering gehalten, daß die Abdichtung die Tasche zwischen den beiden
Kappen fast ausfüllt. Die beiden zurückgezogenen Außenteile 32 und 33 sollen einen
etwas größeren Abstand ihrer Kanten als die Kappenkanten aufweisen, so daß die zurückgebogenen
Kanten 32 a und 33 a etwas gegen die ihnen anliegenden Kappenränder zurückversetzt
sind.
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Gleichzeitig preßt der in den beiden Ringkammern34 und 35 der Abdichtung
auftretende Druck die beiden zurückgebogenen Außenteile 32 und 33 radial nach außen
gegen die Innenflächen der beiden Kappen 38 und 39. Auf diese Weise arbeitet die
gesamte äußere Fläche der Abdichtung als Druckdichtung. Diese Außenfläche besteht
aus der gesamten Innenfläche 45 der Hülse 31 der Abdichtung und den gesamten äußeren
Begrenzungsflächen 46 und 47 der beiden zurückgebogenen Außenteile 32 und 33.
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Sind die beiden Kabellängen mechanisch, z. B. durch eine Bajonettkupplung,
deren Einzelheiten hier nicht beschrieben werden sollen, gekuppelt, so wird die
Abdichtung in die eine Kappe geschoben und umfaßt dann das entsprechende Kabellängenende.
Da das als Material für die Kappen z. B. verwendete Polytetrafluoräthylen im Endzustand
die Fähigkeit der Selbstschmierung besitzt, lassen sich das zweite Kabelende und
die zugehörige Kappe leicht über das freie Ende der Abdichtung schieben, was dann
eine mechanische Kupplung der beiden Kabelenden ermöglicht, wie in Fig. 3 dargestellt.
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Beispielsweise wurde auf Poly tetrafluoräthylen Bezug genommen, aber
die Erfindung umfaßt ebenso die Verwendung jedes beliebigen Fluorkunststoffes, soweit
deren anwendbarer Temperaturbereich die erfindungsgemäße Verwendung gestattet.
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Die Abdichtung, die innerhalb der durch zwei Kappen geformten Tasche
angeordnet ist, kann als ein druckabhängiger Ballon betrachtet werden. Dieser stützt
sich zunächst selbst ab und füllt dann nach Eintritt einer unter Druck stehenden
Flüssigkeit die Tasche auskleidend aus, wodurch er zu einer innigen Berührung seiner
Oberfläche mit der ihn umschließenden Begrenzungsfläche der Tasche einschließlich
der Kabeloberflächen und der inneren Begrenzungsflächen der Kappen gezwungen wird.
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Der gesamte auf die Innenfläche der Abdichtung ausgeübte Druck führt
eine vollständige Dichtung mit den Kabeloberflächen und den inneren Kappenflächen
herbei. Der umgebende hydraulische Druck sucht eine Undichtigkeit an der ringförmigen
Begrenzungskante dort, wo die beiden nach innen umgebogenen Begrenzungskanten 32a
und 33a an den inneren Kappenflächen eingreifen, herbeizuführen. Der gesamte abdichtend
wirkende Druck in diesem Bereich ist jedoch erheblich größer als der auf die umgebogenen
Begrenzungskanten ausgeübte Druck, so daß tatsächlich eine wirksame hermetische
Abdichtung bei allen auftretenden Drücken hergestellt und aufrechterhalten wird,
da auf einen beträchtlichen Teil der Tasche ein ursprünglicher konstanter Druck,
der auf das Vorhandensein der Abdichtung zurückzuführen ist, ausgeübt wird.