DE2117835B2 - Ausblas-Preventer für Tiefbohrlöcher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ausblas-Preventer für Tiefbohrlöcher der im Oberbegriff von Patentanspruch 1 aufgeführten und aus der DE-AS 12 18 975 bekannten Art,

Bei dem Ausblas-Preventer nach der DE-AS 12 18 975 stehen das elastische Dichtungsmaterial und die darin integrierten Übertragungsglieder über einen in das Dichtungsmaterial eingebetteten Gewindekranz in bewegungsschlüssiger Schraubverbindung mit dem die Übertragungsglieder axial beaufschlagenden Kolbenbetätigungselement Damit ist der Nachteil verbunden, daß bei jedem Austausch eines verschlissenen oder abgenutzten Dichtungselements durch ein neues dieses mit nicht unerheblichem Handhabungsaufwand von dem Kolbenbetätigungselement losgeschraubt und im Anschluß daran das neue Dichtungselement wieder aufgeschraubt werden muß. Da weiter im Eereich der gekrümmten inneren Führungsfläche des Preventergehäuses eine nur schwache dichtende Eingriffnahme des nachgiebigen Dichtungsmaterials möglich ist, muß weiter bei der bekannten Vorrichtung unterhalb der Übertragungsglieder am Kolbenbetätigungselement ein ringförmiger äußerer Aufnahmebereich für das Dichtungsmaterial ausgebildet werden, so daß dieses in Eingriff mit dem benachbarten Gehäuseinnenflächenbereich treten kann. Dies bedingt nicht nur eine weitere Komplizierung des Kolbenbetätigungselementes, sondern auch des Dichtungselementes und dessen Anordnung an ersterem.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Ausblas-Preventer der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art zu schaffen, der bei einfachem Aufbau und hoher Dichtwirkung an der gekrümmten Gehäuseinnenfläche einen besonders leichten Austausch seines Dichtungselements ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 gelöst.

Bei der Erfindung liegt somit anders als bei der bekannten Lösung das Dichtungselement mit den Übertragungsgliedern lose auf dev.i Betätigungselement auf und braucht daher zum Austausch im Falle der Abnützung lediglich vom Betätigungselement abgehoben zu werden. Außerdem sind die an der gekrümmten Innenfläche des Gehäuses anliegenden Außenflächen der Übertragungsglieder axial kürzer ausgebildet als die gekrümmte Außenseite der Dichtung, so daß unterhalb der gekrümmten Außenflächen der Übertragungsglieder ein Raum verbleibt, in den sich das Dichtungsmaterial in Form einer Ringfläche hineinerstreckt und dadurch in Eingriff mit der gekrümmten Gehäuseinnenfläche treten kann. Diese geschlossene Ringfläche bietet die Gewähr einer hohen Dichtwirkung für solche Gase, die längs der gekrümmten Außenfläche der Übertragungsglieder strömen können. Auch wird hierdurch ein verbessertes Schließverhalten bei unter Wasser eingesetzten Ausblas-Preventern erzielt. Zwar ist aus der US-Patentschrift 28 46 178 ein Ausblas-Preventer bekannt, bei dem zwischen Betätigungselement und Dichtungselement ebenfalls keine starre Verbindung herrscht, doch unterscheidet sich ansonsten der Aufbau des Preventers grundlegend von dem hier beanspruchten.

Bezüglich Weiterbildungen der Erfindung wird auf die Unteransprüche verwiesen.

Einzelheiten der Erfindung gehen aus der folgenden, beispielsweisen Beschreibung anhand der Zeichnung hervor. Es stellt dar

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Hochsee-

Bohrturms, in welchem das erfindungsgemäße Ausbruchsventil benützt werden kann,

F i g. 2 einen quergeschnittenen Aufriß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in der offenen, nichtdichtenden Stellung mit im Bohrloch befindlichem Gestänge,

Fig.3 einen quergeschnittenen Aufriß des erfindungsgemäßen Ausbruchsventils in einer Zwischenstellung beim Schließen um das Bohrgestänge,

Fig.4A einen teilweisen Aufriß im Querschnitt, darstellend das erfindungsgemäße Ausbruchsventil in der Schließstellung, mit im Bohrloch befindlichem Gestänge,

Fig.4B einen teilweisen Aufriß im Querschnitt, darstellend das erfindungsgemäße Ausbruchsventil in der Schließstellung ohne im Bohrloch befindliches Gestänge,

F i g. 5 einen Teilquerschnitt entlang der Linie 5-5 in Fig.2und

F i g. 6 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Übertragungsgliedes aus Metall für das Dichtungselement.

Das erfindungsgemäße Ausbruchsven;:' ist in der Zeichnung allgemein bei 10 dargestellt; Fig. 1 zeigt beispielsweise ein solches Ausbruchsventil in einer ablandigen Bohranlage, obwohl die Vorrichtung 10 natürlich auch für alle Bohranlagen benützt werden kann, gleichgültig, ob diese zu Lande oder unter See arbeiten.

Das am besten aus F i g. 2 ersichtliche Aufbruchsventil 10 umfaßt ein Gehäuse 12 mit einem oberen Teil 14 und einem unteren Teil 16, die miteinander lösbar durch Schraubstifte 18 verbunden sind. Die Schraubstifte 18 lassen sich leicht abnehmen, worauf der obere Gehäuseteil 14 zum Ersetzen des Dichtungselementes abgebaut werden kann; das Dichtungselement selbst ist bei 19 gezeigt.

Im oberen Gehäuseteil 14 und im unteren Gehäuseteil 16 sind axial aufeinander ausgerichtete öffnungen 22 bzw. 24 vorgesehen, welche ein Bohrwerkzeug oder Bohrgestänge 26 aufnehmen, das sich in axialer Richtung in der Vorrichtung 10 bewegen läßt Das Gehäuse 12, und vorzugsweise das obere Gehäuse 14, umfaßt eine erweiterte zylindrische Bohrung 28 mit einer gekrümmten inneren Oberfläche 30, die Vorzugsweise kugelförmig ist und sich von der öffnung 22 erstreckt.

Das Dichtungselement 19 umfaßt eine elastische Dichtung 20, weiche in der erweiterten zylindrischen Bohrung 28 angeordnet ist und wahlweise zwischen einer nichtdichtenden Stellung (Fig. 2) und einer dichtenden Stellung (F i g. 4A und 4B) bewegt werden kann. Die Dichtung 20 besteht aus einem geschlossenen Ring aus einem elastischen Material, z. B. aus Naturoder Kunstgummi. Die Dichtung 20 hat eine innere Bohrung 32 und eine äußere Oberfläche 34, wobei der Durchmesser der inneren Bohrung 32 im wesentlichen dem Durchmesser der Bohrungen 22 und 24 entspricht und die äußere Oberfläche 34 einen gekrümmten Teil hat.

Das Dichtungselement 19 umfaßt weiterhin eine Vielzahl von radial im Abstand angeordneten Übertragungsgliedern 36, welche gleitend mit der inneren gekrümmten Oberfläche 30 des Gehäuses zusammenwirken und die Axialbewegung eines Betätigungselementes, z. B. eir.es Kolbens 38, in eine Rollbewegung der Dichtung 20 nach innen umwandeln, um so eine Abdichtung neben det das Bohrwerkzeug aufnehmenden öffnung 22 zu schaffen. Vorzugsweise sind die Übertragungsglieder 36 eine Vielzahl von radial im Abstand voneinander angeordneten Stahlsegmenten, welche mit der elastischen Dichtung 20 verbunden sind, Geeignete Betätigungsmittel sind in der Bohrung 28 neben dem unteren Ende des Dichtungselementes 19 vorgesehen, um diesem eine axial gerichtete Bewegung zu erteilen, wodurch die Dichtung 20 und die Übertragungsglieder 36 gegen die gekrümmte, innere

ίο Gehäusefläche 30 in eine Schließstellung bewegt werden; diese Betätigungsmittel können ein Kolben 38 mit einem Betätigungskopf 39 sein. Eine Druckmittelleitung 40 führt durch das untere Gehäuse 16 zur Unterseite des Kolbens 38 und kann mit ferngesteuerten Druckmittelquellen und Steuerungen zum Betätigen des Kolbens 38 verbunden sein.

MU Bezug auf die F i g. 2,3,4,4A, 4B, 5 und 6 umfassen die Übertragungsglieder 36 aus Metall im allgemeinen einen Fuß 42, einen Steg 44 und eine gekrümmte Platte

46. Die äußere Oberfläche 48 der gekrümmten Platte 46 ist vorzugsweise ein Teil einer K· ;jel und wirkt mit der inneren, gekrümmten Oberfläche 30 des oberen Gehäuseteils 14 so zusammen, daß es bei der nach innen gerichteten Schließbewegung des Dichtungselementes 19 zu einer gleitenden Berührung zwischen Meiallen mit niedrigen Reibungskoeffizienten kommt. Wie aus den F i g. 2,4,4A und 4B zu ersehen ist, reicht die gekrümmte Platte 46 nicht durchgehend vom oberen Teil bis zum Fuß 42 des Übertragungsgliedes 36, sondern ist im Abstand vom Fuß 42 angeordnet, so daß eine durchgehende, sich über den Umfang erstreckende Oberfläche 50 der elastischen Dichtung 20 zwischen dem Unterende der gekrümmten Platte 46 und dem Oberende des Fußes 42 des Übertragungsgliedes 36 freibleibt. Diese durchgehende Ringfläche 50 aus elastischem Material bildet eine sich über den Umfang erstreckende Dichtung, welche mit der gekrümmten Innenfläche 30 des oberen Gehäuseteils 14 dichtend zusammenwirkt und von besonderer Wichtigkeit ist, da sie den Schließgang des Ausbruchsventils verbessert, wie im folgenden im einzelnen beschrieben.

Die Füße 42 der Übertragungsglieder 36 verwandeln die vertikale Bewegung des Kolbens 38 in eine nach innen gerichtete Rollbewegung des ganzen Dichtungselementes 19, indem sie die Kolbenkraft über die Stege 44 und die gekrümmten Platten 46 übertragen. Es ist zu bemerken, daß die Übertragungsglieder 36 und die Dichtung 20 keine direkte Verbindung mit dem Kolben 38 haben, sondern nur darauf ruhen, so daß das Dichtungselement 19 einfach durch Abbauen des oberen Gehäuseteils 14 erneuert werden kann. Es ist auch zu bemerken, daß der Boden 52 des Fußes 42 jedes Übertragungsgliedes 36 gekrümmt, z. B. zylindrisch geformt ist, um eine Kippbewegung des Übertragungsgliedes 36 auf dem Kopf 39 des Kolbens 38 während der Schließ- und Öffnungsbewegung zu gestatten. Die verbesserte Wirkung des Dichtungselementes 19 ergibt sich aus der nach innen gerichteten sphärischen Bewegung der Übertragungsglieder 36 und deien in. Anordnung gegenüber der Dichtung 20. So wird auf der Oberseite des Dichtungselementes 19 eine durch Metall abgestütze Dichtung erzeugt. Auf der Unterseite des Dichtungselementes 19 befindet sich keine starre Metallstütze, und da das Dichtungselement 19 mit dem ·· ι Kolben 38 nicht verbunden ist, kann der untere Teil der Dichtung 20 dichtend wirken und sich leicht der Formänderung des Bohrgestänges beim Hochgehen des Bohrers anpassen.

Wie aus den Fig. 3 und 5 zu ersehen ist, ist um die Außenseite 34 der Dichtung 20 über der dichtenden Ringfläche 50 und zwischen den gekrümmten Platten 46 der Übertragungsglieder 36 eine Vielzahl von im Abstand voneinander angeordneten Ausnehmungen 54 vorgesehen, so daß beim Schließvorgang, wenn sich die Übertragungsglieder 36 nach innen bewegen und der Zwischenraum 54 zwischen den gekrümmten Platten 46 schmäler wird, das elastische Material nicht zwischen die Platten gedrückt und hier festgeklemmt wird und den Schließvorgang stört, sondern sich nach innen zwischen die vertikalen Stege 44 bewegen kann.

Das Dichtungselement 19 hat selbstöffnende Eigenschaften. Das dem zusammengedrückten elastischen Dichtungsmaterial innewohnende Arbeitsvermögen, bzw. die daraus sich ergebende Kraft, übt einen genügend großen, nach unten gerichteten Druck auf den Kolben 38 aus, um das Dichtungselement 19 vollkom-

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zurückzubewegen, wenn der Steuerdruck in der Leitung 40 aufgehoben wird. Es wird daher nur eine einzige hydraulische Leitung 40 benötigt, um den Kolben 38 in auf festem Lande stehenden Anlagen zu betätigen. Für Unterwasseranlagen werden zwei hydraulische Leitungen benötigt, um die auf den Kolben 38 wirkenden Kräfte und die sich aus dem statischen Druck in den Steuerleitungen ergebenden Kräfte auszugleichen. Zu diesem Zweck ist ein Dichtungseinsatz 56 (F i g. 2, 4, 4A und 4B) mit Dichtungen 57a, 57b und 57c vorgesehen. Die Dichtungen 57a und 576 dichten den Raum über dem Kolben ab und gestatten es, den Flüssigkeitsdruck auf die Rückseite des Kolbens 38 über eine Hydraulikleitung 58 wirken zu lassen. Die Dichtung 57c hindert Seewasser am Eindringen in das Gehäuse 12.

Außer der hauptsächlichen Dichtwirkung der elastisehen Dichtung 20 gegen das Bohrgestänge 26 oder gegen das offene Loch werden beim Schließen selbsttätig zwei weitere Dichtwirkungen erzielt, wenn die Kraft des Kolbens 38 aufgebracht wird, um das Dichtungselement 19 zu schließen. Eine zusätzliche -»n Abdichtung wird geschaffen zwischen der elastischen Dichtung 20 und der Oberseite des Kolbenkopfes 39 entlang der Fläche 60 und eine zweite zusätzliche Abdichtung zwischen der dichtenden Ringfläche 50 und der inneren gekrümmten Oberfläche 30 des oberen 4": Gehäuseteils 14 entlang der Oberfläche 62. Die elastische Dichtung 20 bewirkt somit alle inneren Dichtungsfunktionen des Ausbruchsventils und das Austauschen eines verschlissenen Dichtungselementes 19 kann ohne jeden Ausbau und ohne jedes Erneuern >o einer anderen P^;chtung vorgenommen werden.

Bei Verwendung unter Wasser bestimmt die Dichtfläche 62 im oberen Gehäuseteil 14 und die Umfangsdichtung 50 der elastischen Dichtung 20 das Gleichgewicht der Kräfte, die sich aus dem statischen Flüssigkeitsdruck des Spülschlammes in einem Steigrohr und dem statischen Flüssigkeitsdruck in beiden Steuerleitungen ergeben. Das hydraulische Gleichgewicht des kugelförmigen Unterwasser-Ausbruchsventils 10 ergibt sich am besten aus F i g. 1. In der Offenstellung der Vorrichtung w> 10, in welcher das Dichtungselement 19 keine dichtende Wirkung ausübt, sind die auf den Kolben in der dem Schließen entgegengesetzten Richtung einwirkenden Kräfte der Druck des Spülschlammes, der auf die Zone A einwirkt, und der Druck der Steuerflüssigkeit in der ■> ■ Steuerleitung 58, der auf die Kolbenzone Ädes Kolbens 38 wirkt Die in der Schließrichtung des Ausbruchsventils wirkende Kraft ist der Druck der Steuerflüssigkeit in der Sleuerleitung 40, der auf die Zone Cdes Kolbens 38 einwirkt.

Wenn, wie in F i g. 2 dargestellt ist, der Kopf der Vorrichtung geöffnet wird, geraten die auf den Kolben 38 einwirkenden Kräfte außer Gleichgewicht, da der auf die Zone A wirkende Schlamm normalerweise schwerer ist als die Steuerflüssigkeit, die auf die gegenüberliegende Zone Cdes Kolben einwirkt. Um das Schließen des Dichtungselementes 19 einzuleiten, muß über die Leitung 40 die Zone C des Kolbens 38 mit einem größeren Druck beaufschlagt werden, als dies bei einem auf festem Boden stehenden Bohrturm der Fall wäre, um diese Gleichgewichtsstörung zu überwinden. Bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens 38 bewegt sich die dichtende Ringfläche 50 des Dichtungselementes 19. welche die Abdichtung mit der inneren gekrümmten Oberfläche 30 entlang der Zone 62 bildet, ebenfalls nach oben entlang der gekrümmten inneren Oberfläche 30 ^«r,j4 ,inrLlninnrl ^Su^rcH υ!! iTiahl^h ^j¹³ ΠγλΙΪρ Ae»r 7_rinp A (Fig.4), wodurch das hydraulische Gleichgewicht zugunsten der im Sinne des Schließens des Ausbruchsventils wirkenden Kräfte fortschreitend geändert wird. Wenn in einer bestimmten Stellung die dichtende Ringfläche 50 die Lage nach F i g. 4A erreicht, in welcher die obere Außenkante 51 der Ringfläche 50 axial mit dem L>urchmesser Dx zusammenfällt, ist die Zone A vollkommen verschwunden und die sich aus dem * atischen Schlammdruck ergebenden Kräfte üben auf den Kolben keine Wirkung mehr aus, da sie gleichmäßig auf beide Seiten des Kolbenkopfes 39 auf der Fläche 60 verteilt sind, wobei die entsprechende Zone durch den Innendurchmesser des Kolbens Dy und den Durchmesser der Kolbenbohrung Dx gegeben ist. In diesem Augenblick hat sich jedoch das Gleichgewicht zugunsten der in der Schließrichtung des Ausbruchsventils wirkenden Kräfte geändert, da die Zone B kleiner ist als die Zone C. Eine zusätzliche Verschiebung des Gleichgewichtes in derselben Richtung kommt zustande, wenn sich der Kolben weiter bewegen kann (siehe Fig. 4B), wodurch die obere, dem Schlammdruck ausgesetzte Kolbenfläche weiter verkleinert wird. Dies bewirkt, daß der hydrostatische Druck der Schlammsäule die Schließbewegung des Ausbruchsventils wirksam unterstützt.

Das Ergebnis dieses zusätzlichen Effekts ist, daß der zum Schließen des Ausbruchsventils unter Wasser notwendige Steuerdruck geringer ist, als bei einem entsprechenden auf festem Boden stehenden Bohrturm ohne statischen Druck im Standrohr und in den Steuerleitungen. Der Gleichgewichtszustand zu Anfang des Hubes, der die das Schließen bewirkendem Kräfte begünstigt, ist von kleiner praktischer Bedeutung, da fast der ganze Schließvorgang stattfindet, wenn der Kolbenhub eine Stellung erreicht, in welcher die Zone A Null wird, wie in Fig.4A, oder »negativ«, wie in Fig.4B.

Im Zusammenhang mit der verbesserten Schließwirkung besteht ein anderes wichtiges Merkmal der Erfindung im Schaffen eines Ringraumes 64 zwischen dem Dichtungselement 19, dem Dichtungseinsatz 56 und dem oberen Gehäuse 14 außerhalb des Betätigungskopfes 39 des Kolbens 38, dessen Volumen bei fortschreitendem Hub des Kolbens 38 größer wird, um eine Flüssigkeitsfalle zu verhindern, die sonst die Dichtwirkung entlang der Zone 62 zunichte machen könnte.

Beim Betrieb wird Hydraulikflüssigkeit durch die Leitung 40 zugeleitet und beaufschlagt die Zone Cdes Kolbens, wodurch der Kolben 38 nach oben gegen die

metallischen Übertragungsglieder 36 gedrückt wird, sowie auch gegen die elastische Dichtung 20. derart, daß die gekrümmten Platten 46 der übertragungsglieder 36 auf der inneren gekrümmten Gehiiuseiläehe 30 gleiten und die Axialbcwegung des Hetatigungselementes 38 in eine nach innen gerichtete rollende Bewegung des Dichtungseier icntcs umwandeln und dieses in eine Dich'stellung bringen, in welcher ein Hohrloch mit dann befindlichem Bohrgestänge oder ohne ein solches Gestänge vollkommen abgedichtet wird. Zum öffnen des Ausbruchsvcntils in einem auf festem Boden

stehenden Bohrturm wird der Druck in der Leitung 40 aufgehoben und die Ligenelastizität der zusammengedruckten Dichtung 20 erzeugt einen genügend starken, nach unten gerichteten Druck auf den Kolben 38, um das Dichtungselement 19 vollkommen in seine entspannte Offenstellung zurückzustellen, für Unterwasserbetrieb, wo zwei Stcucrlciiungen gebraucht werden, um die Kriifie der l-'lüssigkeilssäulen auszugleichen, kann der Kolben 38 durch Beaufschlagen über die Leitung 58 eingezogen werden, wobei der hydraulische Druck auf die Zone Weinwirkt.

Hierzu 3 Blatt Zcichnunecn

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Ausblas-Preventer für Tiefbohrlöcher, mit einem Gehäuse, das eine Axialöffnung aufweist und mit einer von der Axialöffnung ausgehenden gekrümmten Innenfläche versehen ist, gegen die eine elastische Dichtung anliegt, welche zwischen einer Offen- und Schließstellung beweglich ist, deren Außenseite der Krümmung der Gehäuseinnenfläche angepaßt ist und an der Übertragungsglieder befestigt sind, die gleichfalls mit einer der Innenfläche des Gehäuses angepaßten, entsprechend gekrümmten und an die Innenfläche des Gehäuses angelegten Außenfläche versehen sind, wobei die Dichtung mittels eines die Übertragungsglieder axial is beaufschlagenden Betätigungselements in die Axialöffnung des Gehäuses verschieblich ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (20) mit den Übertragungsgliedern (36) lose auf das Betätigungselement aufgelegt ist und die an die gekrümmte Innenßäehe (30) des Gehäuses (12) angelegten Außenflächen (48) der Übertragungsglieder (36) axial kürzer ausgebildet sind als die gekrümmte Außenseite (34) der Dichtung (20), wobei die gekrümmte Außenseite (34) der Dichtung (20) zusätzlich unterhalb der gekrümmten Außenflächen (48) der Übertragungsglieder (36) in Form einer dichtenden Ringfläche (50) an die gekrümmte Innenfläche (30) des Gehäuses (12) angelegt ist.

2. Preventer nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Jo zeichnet, daß die Übertragungsglieder (36) eine Vielzahl vo.i radial im Abstand voneinander angeordneten Segmeiten ar' Metall umfassen und die elastische Dichtung (20) zwischen benachbarten Segmenten eine Ausnehmung .'■*♦) hat, die oberhalb der dichtenden Ringfläche (50) angeordnet ist.

3. Preventer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungselement ein Kolben (38) ist.

4. Preventer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsglieder (36) einen gewölbten Boden (52) aufweisen, der an den Kolben (38) angelegt ist.

5. Preventer nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem äußeren Umfang der Dichtung (20) und dem Gehäuse (12) außerhalb des Betätigungselementes ein Ringraum (64) besteht, dessen Volumen bei der Bewegung der Dichtung in die geschlossene Stellung vergrößerbar ist.

6. Preventer nach einem der Ansprüche I bis 5, so dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsglieder (36) einen Fuß (42), einen Steg (44) und eine gekrümmte Platte (46) haben, die an die gekrümmte Innenfläche (30) des Gehäuses (12) angelegt ist wobei zwischen der gekrümmten Platte (46) und dem Fuß (42) ein Abstand besteht, die axiale Länge der gekrümmten Platte (46) kleiner ist als die der gekrümmten Außenseite (34) der Dichtung (20) und die Dichtung (20) umfangsmäßig zwischen die gekrümmte Platte (46) und den Fuß (42) eingelegt ist. mi

7. Preventer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Fuß (42) den gewölbten Boden (52) aufweist.