DE2151758A1 - Bohrlochruettelvorrichtung - Google Patents

Description

der Firma Schlumberger i'echnology Corporation, 277 Park Avenue, New York, N.Y. 10017 / USA

betreffend:

"BohrlochrüttelVorrichtung"

Jie Erfindung bezieht sich auf eine Bohrlochrüttelvorirrichtung für das Losrütteln in Tiefbohrlöchern festsitzender Objekte. Aufgabe der vorliegenden lir findung ist es, einen solchen mechanischen Rüttler so auszubilden, daß der Auslösemechanismus für den Rüttelschlag während langer Benutzungsdauer einem sehr geringen Verschleiß unterliegt.

lieim Wiederbringen von Bohrlöchern durch Urdformationen, in denen das Verklemmen problematisch ist, wird meist ein Rüttler in den Bohrstrang eingeschaltet, Ein solcher Rüttler ist eine Vorrichtung mit ineinander teleskopartig angeordneten Schlagteilen, die zum AufeinanJerschlagen ihrer Schlagflächen relativ zueinander längsbeweglich sind. Diese Schläge müssen ziemlich heftig sein, um ein beispielsweise festsitzendes Bohrwerkzeug mit einigcrxaarioner Aussicht auf Lrfolg loszurütteln. Der Rüttler umfaßt ferner einen Auslösemechanismus, dar dazu dient, diese teleskopartige Bewegung solange au unterbinden, bis eine vorgegebene Auslösekraft auf den Bohrstrang ausgeübt wird, welche Kraft so wirkt.

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daß der Bohrstrang gedehnt wird und damit Energie speichert. Beim Auslösen kontrahiert der Bohrstrang und läßt den Rüttler ,aufschlagen, so daß eine ziemlich erhebliche Schlagkraft auf das festsitzende Werkzeug einwirkt. Gewöhnlich muß der Rüttler mehrmals betätigt v/erden bevor die festsitzenden Objekte freikommen, und es ist nicht ungewöhnlich, daß mehrere Stunden nacheinander gerüttelt werden muß. Insbesondere in dieser Beziehung, also im Dauergebrauch, sind bei den bekannten mechanischen Rüttlern Probleme hinsichtlich des Verschleißes des Auslösemechanismus zu beobachten. Wenn der VerschMß überhand nimmt, wird natürlich der Rüttler unbrauchbar, aber in jedem Fall wird die Auslösekraft, die eigentlich im wesentlichen konstant und vorhersagbar sein sollte, entweder größer oder kleiner. Eine verringerte Auslösekraft führt zu einer entsprechend verringerten Aufschlagkraft und vergrößert damit die Zeit, die erforderlich ist, um ein festsitzendes Objekt loszurätteln. Eine erheblich vergrößerte Auslösekraft dagegen kann zu einer Beschädigung des Rüttlers selbst führen, wenn Teile desselben übermäßigen Zugbeanspruchungen oder Belastungen ausgesetzt werden. Dabei sollte eigentlich selbstverständlich sein, daß bei den, beim Tiefbohren vorliegenden rauhen Betriebsbedingungen der Rüttler ein außerordentlich robustes und verschleißfestes Gebilde darstellen sollte.

Der Rüttler gemäß der vorliegenden Erfindung, der gemäß der oben definierten Aufgabe möglichst verschleißfest sein, soll, bringt gemäß dem Obengesagten noch den Vorteil mit sich-, daß die Auslösekraft während langer Benutzungsdauer im wesentlichen konstant und vorhersagbar bleibt.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird bei einer Bohrlochrüttelvorrichtung mit ineinander teleskopartig ange- -'■ ordneten Schlagteilen, die zum Aufeinanderschlagen ihrer

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Schlagflächen relativ zueinander längsbeweglich sind, um so im Bohrloch festsitzende Objekte loszurütteln, und mit einem Auslösemechanismus zum Verhindern einer merkbaren Längsbewegung der Teile vor dem Ausüben einer in Längsrichtung wirkenden, in ihrer Größe vorgebbaren Auslösekraft auf die Schlagteile gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Auslösemechanismus ein in Querrichtung deformierbares Muffenteil umfaßt, das mit einem der Schlagteile in Wirkverbindung steht und Gewindegänge aufweist, die - wenn sie im Eingriff mit Gegengewindegängen auf diesem Schlagteil stehen - die relative Längsbewegung unterbinden, daß die Gewinde- und Gegengewindegänge jeweils in Gleitkontakt miteinander stehende nockenartige Seitenflächen aufweisen für die Deformierung des Muffenteils in Querrichtung bei Längsbewegung des Muffenteils relativ zu dem Schlagteil, daß die Seitenflächen den Kontakt zwischen dem Muffenteil und dem Schlagteil über eine erheblich größere Länge, als dem Umfang des Schlagteils entspricht, sicherstellen, daß eine Verriegelungseinrichtung zu Verhinderung der Deformierung des !luffenteils in Querrichtung vorgesehen ist, die auslösbar ist durch eine vorgebbare Längsbewegung sstrecke des anderen Schlagteils relativ zu dem Muffenteil, und daß Federanordnungen vorgesehen sind, die dieser Relativbewegung des anderen Schlagteils mit einer Kraft entgegenwirkend ausgebildet und angeordnet sind, die eine Funktion der bei einer solchen Bewegung zurückgelegten Strecke ist, derart, daß bei Auslösen der Verriegelungseinrichtung das Muffenteil unter Querdeformation mit seinen Gewindegängen außer Eingriff mit den Gegengewindegängen gelangt und die Schlagteile die Sli-lagbewegung relativ zueinander ausführen können.

Die Schlagteile, die in konventioneller Weise als Dorn und Gehäuse in einen Bohrstrang geschaltet* sein können, können zwischen sich den Auslösemechanismus aufnehmen. Die Anwendung

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von Gewindegängen ist besonders vorteilhaft, weil die auf die Teile wirkenden Kräfte, über eine erhebliche Länge verteilt v/erden, wodurch die Flächenbelastungen innerhalb zulässiger Grenzen gehalten werden, und damit der Verschleiß des Auslösemechanismus minimal gemacht wird. Damit ergibt sich eine im wesentlichen konstante Auslösekraft auch bei langem Betrieb.

Um Energie im Bohrstrang speichern zu können, indem dieser gestreckt wird bevor der Auslösemechanismus auslöst, sind die Federanordnungen vorgesehen, welche der Längsbewegung entgegen-*

fe wirken, welche erforderlich ist, um die Verriegelungseinrichtung, welche zwischen dem Gehäuseteil und dem Muffenteil wirksam ist, außer Eingriff zu bringen. Es ist dabei bevorzugt, daß die Federanordnungen eine Hehrzahl konzentrisch angeordneter Rohr- » elemente umfassen, deren einander gegenüberliegende Enden wechselweise miteinander gekoppelt sind, derart, daß eine Kraft, die einerseits am einen Ende des äußersten Rohrelements und andererseits am anderen Ende des innersten Rohrelements angreift, abwechselnd aufeinaderfolgende Elemente unter Zug- bzw. Druckspannung setzt. Damit ergibt sich eine Struktur in Form einer kurzen Säule mit einem sehr hohen Elastizitätsmodul in Achsrichtung, wobei das eine oder die mehreren Rohrelemente, die unter Zugspannung stehen, in einem gewissen Maße auch als Radial--

P abstützung wirken, um das Ausbeulen der anderen Elemente zu verhindern, die unter Druckbelastung stehen.

Die Erfindung soll nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden, die ein Ausführungsbeispiel des Anmeldungsgegenstandes darstellen.

Fig. 1 zeigt etwas schematisiert einen einen Rüttler enthaltenden Bohrstrang in einem Bohrloch,

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Fig. 2A-2C sind Längsschnitte des Auslösemechanismus und zugehöriger Bauteile in dem Rüttler gemäß Fig. l_r

Fig. 3 zeigt perspektivisch das Muffenteil,

Fig. 4 ist ein Querschnitt nach Linie 4-4 der Fig. 2B, und

Fig. 5 ist eine halbseitig weggebrochene Längsschnittdarstellung zur Erläuterung des Verkeilungssystems im Auslösemechanismus.

In Fig. 1 ist ein Bohrloch 10 erkennbar, das mit den üblichen Drillbohrtechniken durch die Erdformationen niedergebracht worden ist. Ein Bohrkopf 11 ist am unteren Ende des Bohrstranges angeordnet, der normalerweise eine Anzahl schwerer Bohrkrägen 12 umfaßt, welche das erforderliche Gewicht für den Bohrkopf liefern. Ein Rüttler 13 gemäß den Lehren der Erfindung kann v/ahlweise an verschiedenen Stellen in den Bohrstrang eingekoppelt werden. Es ist jedoch bevorzugt, daß er sich an einem Punkt zwischen dem obersten Bohrkragen und den Rohrsträngen befindet. Bei bestimmten Bedingungen im Bohrloch, beispielsweise bei sehr weichen oder stark permeablen Formationen, insbesondere bei verlaufenden Bohrlöchern, besteht das Risiko, daß der Bohrkopf und/oder die Bohrkrägen verklemmen. Wenn ein solches Verklemmen aus irgend einem Grund erfolgt, kann man den Rüttler betätigen, um das festsitzende Werkzeug freizumachen.

Der Rüttler 13 umfaßt ein rohrförmiges Gehäuse 20, das teleskopartig über einem rohrförmigen Dorn 21 angeordnet ist. Das Gehäuse weist einen mit Gewinde versehenen Kastenabschnitt 22 auf, und der Dorn 21 weist einen ähnlichen Abschnitt 23 für die Ankopplung des Rüttlers in den Bohrstrang auf. Der Dorn 21

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. besitzt eine Mittelbohrung 24 für die kontinuierliche Bohrflüssigkeitsumwälzung durch den Bohrstrang. Das Gehäuse 20 ist etwas beweglich in beiden Längsrichtungen auf dem Dorn 21 von einer mittleren oder gespannten Position aus, wobei eine Aufwärtsbewegung einen'Hammerschkg' mittels der nach innen vorspringenden Schulterfläche 25 ausübt, und zwar auf einen "Amboß", gebildet von einer nach außen vorkantenden Schulter 26 auf dem Dorn. Eine Abwärtsbewegung läßt eine v/eitere Hammer fläche 27 auf eine zweite Amboßfläche 28 auftreten. Demgemäß kann der Rüttler 13 Schläge in beiden Richtungen aufwärts und abwärts fc ausführen. Die Auftreffkraft in jeder der Richtungen wird über den Dorn 21 auf das darunter festsitzende Werkzeug übertragen. Das Gehäuse 20 und der Dorn 21 v/eisen ineinandergreifende Keile 29 auf, um die Drehung über den Rüttler auf den Bohrkopf zu übertragen. Ein Abdichtpacker 30 verhindert, daß Bohrflüssigkeit zwischen das Gehäuse 20 und den Dorn 21 am unteren Ende eindringt, während eine schwimmende oder Kompensationsdichtungspackereinheit 3l verwendet wird, um zu verhindern, daß Bohrlochflüssigkeit an den oberen Enden eindringt. Die verbleibenden Zwischenräume zwischen dem Gehäuse 20 und dem Dorn 21 können mit einem üblichen Schmieröl oder dergleichen gefüllt sein.

P Ein allgemein bei 32 angedeuteter Auslösemechanismus befindet sich zwischen oberen und unteren Federanordnungen 33 und 34 und dient dazu, die Längsbewegung des Gehäuses 20 in jeder Richtung aus der gespannten oder mittleren Stellung zu verhindern, um so in dem Bohrstrang Energie zu speichern, bevor der Rüttler auftrifft, derart, daß ein Schlag erheblicher Größe ausgeübt werden kann. Wenn jedoch der Auslösemechanismus 32 ausgelöst wird, erfolgt die Bewegung des Gehäuses 2O längs des

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Dorns 21 ungehindert, bis der Hammer den entsprechenden Amboß erreicht. Nach Auslösung eines Schlages wird das Gehäuse 20 durch den Bohrrohrstrang in die entgegengesetzte Richtung bewegt, und der Auslösemechanismus 32 wird automatisch wdaäer in der Mittelstellung gespannt. Die Rüttelaktion wird wiederholt bis das festsitzende !Werkzeug gelöst ist.

Wie in Fig. 2 genauer erkennbar, umfaßt der Auslösemechanismus 32 ein expandier- und kontrahierbares Huffenteil 35, das normalerweise um den Dorn 21 kontrahiert ist. Das Muffenteil besitzt Innengewinde 36 im Eingriff mit. entsprechenden Aussengewinden 37, welche auf einem Abschnitt des Dorns mit verringertem Durchmesser ausgebildet sind. Die Gewinde 36 und 37 haben eine Stufenform mit abgeschrägten Wandungsflächen 39 und 40. Wenn das Muffenteil 35 und der Dorn 21 in entgegengesetzten Längsrichtungen unter Belastung gesetzt werden, liefern die abgeschrägten Wandungsflächen Radialkraftkomponenten, die die Tendenz haben, das Muffenteil nach außen zu expandieren. Eine solche Expansion nach außen kann erfolgen, da Schlitze 41 und 42, wie in Fig. 3 erkennbar, vorgesehen sind, die sich in einander entgegengesetzen Längsrichtungen abwechselnd für etwas weniger als die Gesamtlänge des Muffenteils 35 erstrecken, welche Schlitze das Muffenteil in eine Mehrzahl von Segmenten aufteilen, von denen jedes mit einem Ende an das Ende eines benachbarten Segments anschließt. In der gespannten Stellung jedoch ist das Huffenteil 35 in kontrahiertem Zustand ringsum den Dorn 21 verriegelt mittels Verriegelungsflächen 43 (siehe Fig. 2B), welche durch Verzahnungen 44 auf einer Verriegelungsmuffe 45 vorgesehen werden, und welche Flächen gleitend in entsprechend ausgebildete Flächen 46 eingreifen, die durch Gewindegänge 47 auf der Außenseite des Muffenteils 35 gebildet 'werden.

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Zwischen den Verriegelungsflächen 43 sind Auslösenuten 48 ausgebildet zur Aufnahme der Verzahnungen 47 auf dem I-luffenteil 35 bei relativer Longitudinalbewegung der Verrfegelungsmuffe 45 und des Muffenteils 35, so daß die Expansion des Muffenteils in einen Zustand ermöglicht wird, in dem die Gewindegänge 36 und 37 außer Eingriff kommen. Die Verriegelungs flächen 43 und 4(J erstrecken sich parallel zur Achse des Muffenteils 35 und verhindern damit sicher die Expansion nach außen des Huffenteils während der Längsbewegung, die erforderlich ist, bevor das Außereingriffgelangen stattfinden kann. Die Auslösenuten 48 haben abgeschrägte Wandungsflächen 49 und 50, um eine einwärts gerichtete IJockenwirkung vorzusehen beim Vorhandensein einer längsgerichteten Kraft auf das Muffenteil 35, während die Verzahnungen 47 mit den Auslösenuten 48 in Eingriff stehen.

Das obere Ende der Verriegelungsmuffe 45 stößt gegen eine nach innen vorspringende Schulter 51 auf dem Gehäuse 20,"während das untere Ende in Eingriff gelangt mit einer Buchse 52, die oberhalb einer einwärts vorspringenden Schulter 53 (Fig. 2C) auf dem Gehäuse angeordnet ist, um die Verriegelungsmuffe in Längsrichtung bezüglich des Gehäuses zu fixieren. Jedes Ende der Verriegelungsmuffe 45 ist ebenfalls an in Umfangsrichtung verkeilten Stellen geschlitzt, um auswärts vorkragende Vorsprünge 54 und 55 aufzunehmen, die ausgebildet sind an abwärts P ragenden Teilen 56 und 57 von oberen bzw. unteren Antriebsringen 58 und 59, die ihrerseits verkeilt sind mit dem Dorn 21 in einer Weise und für einen Zweck, der weiter unten noch „zu erläutern ist. " -

Ringförmig verdickte Abschnitte 60 und 61 des Dorns 21 sind oberhalb und unterhalb der .Gewindegänge 37 vorgesehen, welche Abschnitte größere seitliche Dimensionen aufweisen als der Höhe der Gewindegänge entspricht. Sie sind jedoch verhältnismäßig lang im Vergleich mit der Führungsabmessung der Ge-

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windegänge. Das Huffenteil 35 hat ähnlich ausgebildete in Einwärtsrichtung verdickte Abschnitte 62 und 63, die oberhalb und unterhalb in Wirkverbindung treten mit den entsprechenden Abschnitten 60 bzw. 61 des Dorns 21. Ferner sind die Außenspitzen der Gewindegänge 37 mit einem etwas kleineren Durchmesser ausgebildet als dem Außendurchmesser des Dorns 21 entspricht, während die Innenbohrung durch die Muffengewindegänge 36 größer ist als den Querabmessungen der Abschnitte 61 und 62 entspricht. Wenn man demgemäß das Muffenteil 35 s±ch expandieren und nach oben bewegen läßt, beispielsweise längs des Dorns 21, gleitet der Abschnitt 62 längs der Außenoberfläche 64 des Dorns 2l, während der untere Abschnitt 63 zunächst über die Außenfläche des unteren Dornabschnitts 61 und dann längs der Spitzen der Gewindegänge 37 gleitet. Die Gewindegangspitzen bei den Muffenteilgewindegängen 36 gleiten längs des oberen Dornabschnitts 60 mit dera Ergebnis, daß die entsprechenden Gewindegänge 36 und 3 7 vom ;<iuffenteil bzw.. Dorn sicher außer Eingriff gehalten werden, wenn sich das Muffenteil 35 in einer Relativbewegung längs des Dorns 21 in einer der beiden Richtungen befindet.

Es ist ersichtlich, daß, damit das Muffenteil 35 vom Dorn 21 gelöst werden kann, um eine unbehinderte Teleskopbewegung auszuführen, das Gehäuse 20 und die Verriegelungsmuffe 45 entweder nach oben oder unten relativ zum Muffenteil 35 bewegt werden müssen. Eine solche Relativbewegung wird jedoch behindert durch die federnden Strukturen 33 und 34. Da diese Strukturen einander gleich sind und nur einander gegenüber angeordnet sind, soll nachfolgend nur die obere Struktur beschrieben werden mit den entsprechenden Bezugszeichen in der Zeichnung; die untere Struktur 34 v/eist die gleichen Bezugszeichen auf, die jedoch durch einen Indexstrich besonders gekennzeichnet sind.

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Die obere nachgiebige Struktur 33 ist in Fig. 2A erkennbar. Sie umfaßt ein Au3enrohr 68, ein Zwischenrohr 69 und ein * Innenrohr 70, die alle konzentrisch zueinander angeordnet und aus metallischem Material sind. Das Zwischenrohr 69 weist verdickte Abschnitte 71 und 72 an den Enden auf, der untere Abschnitt bildet dabei eine aufwärts gerichtete Schulter 73 und der obere Abschnitt eine abwärts gerichtete Schulter 74. Das untere Ende des Außenrohrs 68 stößt gegen die Schulter 73, während das obere Ende des Innenrohrs 70 gegen die Schulter stößt. Man versteht demgemäß, daß einander entgegengesetzte in Längsrichtung auf das Außenrohr und das Innenrohr 70 ausgeübte Kräfte diese Rohre komprimieren,'während das Zwischenrohr 69 unter Zugspannung gesetzt wird. Die Gesamtauslenkung der zusammengesetzten Struktur ist natürlich die Summe der entsprechenden Dehnungen bzw. Verkürzungen der einzelnen Rohre, so daß die Rohre eine federnde Struktur ausbilden, in der Art einer Feder mit einem hohen Elastizitätsmodul. Das obere Ende des Außenrohres 68 und das untere Ende des Innenrohres 70 erstrecken sich hinter die entsprechenden benachbarten Enden des Zwischenrohres 69.

Die Antriebsringe 58 und 59 befinden sich zwischen dem

fc Muffenteil 35 und den jeweiligen federnden Strukturen 33 und Jeder Ring weist eine innere ringförmige Ausnehmung 76 (Fig. 2B) auf zur Aufnahme einer Scheibe 77. Die Scheibe 77 besitzt eine konkave Ringnut 78 zur Aufnahme eines abgerundeten Endes einer Schiebemuffe 79. Das andere Ende jeder Schiebemuffe 79 ist ebenfalls abgerundet, und sitzt in einer Ringnut 80 des Endes des Muffenteils 35. Jede der Schiebemuffen 79 ist ebenfalls radial expandierbar und kontrahierbar mittels Schlitzen 81 (Fig. 5} ausgebildet, die sich abwechselnd in Längsrichtung für etwas weniger als die Geßaintlänge der Muffe in der gleichen

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Weise erstrecken wie die Schlitze im Muffenteil 35 gemäß Fig. 4. Diese geschlitzten Schiebemuffen 79 mit der gleichen Fähigkeit zu expandieren wie das Muffenteil 35 zusammen mit den abgerundeten Endflächen ihres Aufbaus verhindern weitgehend jede einwärts gerichtete Komponente der Kraft, welche der Expansion der Enden des Muffenteils 35 entgegenwirken könnte, wie es etwa zu befürchten wäre zwischen zwei aufeinander gleitenden Flächen, wenn die Schieberinge 58 und 59 direkt in die Enden des Muffenteils 35 eingreifen würden.

Jede der Federstrukturen 33 und 34 kann einstellbar innerhalb des Gehäuses 20 angeordnet v/erden, um selektiv die gewünschte Auslösekraft einzustellen. Dies wird bewirkt,indem obere und untere Hilfsdorne 85 und 86 vorgesehen sind, die jeweils einen Endabschnitt für den Eingriff mit dem äußersten Rohr 68 der jeweiligen federnden Struktur 33 bzw. 34 aufweisen. Jeder Hilfsdorn ist auf das Gehäuse bei 87 so aufgeschraubt, daß eine Relativdrehung den Dorn längs des Gehäuses 20 verschiebt. Entsprechende Fenster 88 sind in der Wandung des Gehäuses 20 vorgesehen nahe den freien Enden der Hilfsdorne, welche Fenster normalerweise durch Stopfen 89 verschlossen sind. Entfernen der Stopfen 89 bietet Zugang zu öffnungen, durch die ein (nicht dargestelltes) entsprechend ausgebildetes Werkzeug eingeführt werden kann zum Eingriff in in Umfangsrichtung im Abstand angeordnete Ausnehmungen 90, so daß der Hilfsdorn bezüglich des Gehäuses 20 verdreht werden kann. Infolge einer Drehung führen die Gewindegänge 87 den Hilfsdorn längs des Gehäuses in der einen oder anderen Richtung,je nach der Drehrichtung, womit entsprechend der Betrag verändert wird, um den die Federstrukturen 33 und 34 verkürzt werden müssen, um die Auslösenuten 48 in ihre Stellung gegenüber den äußeren Muffentei!verzahnungen 47 zu bringen. Da die erforderliche Auslösekraft eine direkte Funktion des Betrages der Längs rfeflektion

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der Federstrukturen 33 und 34 ist_r kann auf diese Weise die Auslösekraft wie gewünscht eingestellt werden. Ein Anschlagstopfen 91 mit einer Nase 92, die in eine der zahlreichen in Umfangsrichtung verteilten Ausnehmungen 93 des Hilfsdorns eingreift, wird natürlich während der Drehung entfernt und dann wieder eingeführt, um den Hilfsdorn in der gewählten Längsrichtungstellung zu sichern, indem seine Drehung unterbunden wird.

Um eine Relativrotation der verschiedenen Teile des Auslösemechanismus 32 zu verhindern und zugleich die richtige Ausfluchtung der Gewindegänge und der Verriegelungsflächen miteinander v/ährend des Betriebes sicherzustellen, wie auch der Schlitze in dem Iluffenteil 35 und den Schiebemuffen 79, um eine richtige Expansion im Betrieb hervorzurufen, wird ein System von Keilen verwendet, wie besonders deutlich in Fig. 4 und 5 erkennbar. Das Muffenteil 35 kann zum Beispiel sechzehn Schlitze aufweisen (acht, die sich in jeder Richtung öffnen, siehe Fig. 3) , v/ährend der Dorn 21 und die Auslösemuffe 45 jeweils acht radial ausgefluchtete Keilnuten aufweisen, mit in Längsrichtung sich erstreckenden Nuten 95 und 96. In diesem Beispiel v/eist auch die Schiebemuffe 79 acht Schlitze 81 auf, die sich in jeder Richtung erstrecken. Demgemäß kann die obere Schiebemuffe mit ihren abwärts sich öffnenden Schlitzen längs ausgefluchtet sein mit den sich nach oben öffnenden Schlitzen des Muffenteils 35,und eine Serie von langgestreckten Keilen 100 ist vorgesehen, die sich jeweils in die miteinander ausgefluchteten Schlitze erstrecken. Die Innenkanten jedes Keils 100 sitzen in einer entsprechenden Dornkeilnut 95, während die Außenkanten aufgenommen werden von den in Radialrichtung ausgefluchteten Keilnuten 96 der Verriegelungsmuffe 45. Hin getrennter Satz von kürzeren Keilen 101 gleiten in den gleichen Dornkeilnuten 95 und erstrecken sich in Schlitzen der unteren

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Schiebemuffe so, daß die aufwärts sich öffnenden Schlitze in der unteren Schiebemuffe in Längsrichtung ausgefluchtet sind mit den abwärts sich öffnenden Schlitzen 42 des Muffenteils 35. Auch hier sind obere und untere Sätze von kurzen Keilen 102 und 103 aufgenommen in radial sich erstreckenden Schlitzen 104 und 105 in den Antriebsringen 58 und 59; die Keile reiten ähnlich in den Dornkeilnuten 96, um in Drehrichtung die Antriebsringe zu positionieren und damit die Verriegelungsmuffe 44 in ihrer Position bezüglich des Muffenteils 35 festzulegen. Demgemäß sind die Auslösegewinde 36 und 37 und die Verriegelungsflachen 43 und 46 in Drehrichtung fixiert, um den richtigen Eingriff sicherzustellen, und die Schlitze, welche die Expansion des Muffenteils 35 und der Schiebemuffe 79 ermöglichen, sind richtig ausgefluchtet für die öffnungs- und Schließbewegung während solcher Expansion.

Der Rüttler 13 wird in seiner ganz geöffneten oder ausgefahrenen Stellung in den Bohrstrang oberhalb der Bohrkrägen 12 eingeschi|atet und in das Bohrloch für den Bohrbetrieb abgesenkt. Während des Bohrens wird die Drehbewegung mittels des Rüttlers 13 übertragen, dank des Zusammenwirkens der Teile 29,und v/ährend des normalen Betriebes steht der Rüttler immer unter Spannung. Falls die Werkzeuge unterhalb des Rüttlers 13 zum Festsitzen kommen, wird der Rüttler betätigt wie folgt. Der Bohrrohrstrang wird abgesenkt bis man auf dem Bohrgerätgewichtsanzeiger einen Zug feststellt, was bedeutet, daß der Auslösemechanismus 32 in die gespannte Position - wie in Fig. dargestellt - gelangt ist. Um nach oben zu schlagen, wird auf dem Bohrrohrstrang am oberen Ende des Bohrlochs ein Zug ausgeübt, so daß der Strang sich streckt und Energie speichert. Die aufwärts gerichtete Kraft hat die Tendenz, das Gehäuse 20 auf wärts in Richtung des Dorns 21 zu bewegen, doch wiedersteht einer solchen Aufwärtsbewegung die Federstruktur 34, die zwischen dem unteren Hilfsdorn 36 und dem unteren Antriebsring 59 angeordnet ist, der gegen Aufwärtsbewegung gesichert ist durch das Muffenteil 35 und die Schiebemuffe 79. Die aufwärts

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gerichtete Kraft auf das Muffenteil 35 und* die Gewindegänge 36 und 37 hat infolge deren abgeschrägter Wandungsflächen die "Tendenz, eine Expansion des Muffenteils hervorzurufen, jedoch greifen die Spitzenflächen 43 und 46 in den Dorn 21 ein und halten die Muffe fest. Wenn die untere Federstruktur 34 in verkürzendem Sinne verformt wird, bewegen sich das Gehäuse 20 und damit die Verriegelungsmuffe 45 aufwärts relativ zum Muffenteil 35 bis zu einem Punkt, wo die Auslösenuten 48 sich seitlich gegenüber den Verzahnungen 47 befinden. An diesem Punkt, welcher einer vorgegebenen Auslösekraft entspricht, lassen die A abgeschrägten Wandungen der Gewinde 36 und 37 das Muffenteil nach außen expandieren und lassen plötzlich den Eingriff mit dem Dorn 21 verschwinden. Das Gehäuse 20 wird nach oben beschleunigt, derart, daß die Hammerflache 25 auf die Amboßflache 26 kräftig aufschlägt. Die Aufschlagkraft wird über den Dorn auf die darunter festsitzenden Werkzeuge übertragen. Beim Aufwärtsgleiten des Muffenteils 35 längs desDorns 21 gleiten auch die verdickten Abschnitte 62, 63 längs der Außenfläche des Dorns um zu verhindern, das die Gewinde 36 und 37 in Kontakt gelangen oder etwa in Eingriff.

Um den Rüttler 13 wieder zu spannen, wird der Bohrerohrstrang wieder abgesenkt, um eine entsprechende Abwärtsbewegung w des Gehäuses 20 zu bewirken und das Muffenteil 35 relativ zum Dorn 21 zu verschieben. Wenn das Muffenteil 35 die gegenüberliegenden Gewindegänge 37 erreicht, kontrahiert es und gelangt in Eingriff in dem Dorn 21, welche Kontraktion unterstützt wird durch die Reaktionskraft der unter Spannung stehenden Federstruktur 34, welche übertragen wird auf eine radial einwärts gerichtete Kraftkomponente durch die abgeschrägten Wandungsflächen 49 der Auslösenuten 48. Die Dornabschnitte 6O und 61

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wirken mit den Innfeentellen des Muffenteils 35 zusammen, und wirken in solcher Weise, daß es nur eine Longitudinalstellung gibt, in der das Muffenteil kontrahieren kann, womit der Verschleiß der Gewindegänge auf ein Minimum herabgesetzt wird. Es können Rüttelschläge wiederholt in Aufwärtsrichtung ausgeübt werden, oder man kann in Abwärtsrichtung rütteln, indem das Gewicht des Rohrstranges auf das Rüttlergehäuse 20 entlastet wird. Dasselbe Zusammenwirken der Teile findet statt wie oben beschrieben, wobei jedoch die obere Federstruktur 33, Antriebsring 58 und Schiebemuffe 79 einbezogen sind und das Loslassen des Muffenteils 35 die Hammerfläche 27 auf die Zunboßfläche 28 kräftig aufschlagen läßt.

Wie erwähnt, verringert die Anwendung von Gewindegängen und 37 als Eingriffsmittel zwischen dem Muffenteil 35 und dem Dorn 21 den Verschleiß dieser Teile auf ein Minimum. Dies rührt daher, daß die maximale Zugbeanspruchung der Gewindegänge 36 und 37 direkt proportional ist dem Kontaktdruck und umgekehrt proportional der Gesamtlänge der in Eingriff stehenden Flächen. Um diesen Maximalzug innerhalb Werten zu halten, bei denen der Verschleiß minimal ist, ist es wichtig, die längsnügliche Kontaktfläche vorzusehen, Vielehe von den Gewindegängen 36 und 37 in der Tat gegeben werden im Vergleich mit anderen denkbaren Strukturen, wie parallelen Rippen oder dergleichen. Weiterhin können Gewinde in bequemer Weise für die gesamte richtige Kontaktlänge ausgebildet werden mit konventionellen Werkzeugen. Die Schiebemuffen 79 weisen abgerundete Endflächen auf, welche in ringförmigen Nuten in den Enden des Zluffenteils 35 eingreifen und damit das Letztere praktisch von jeder radial nach innen gerichteten Kraft auf eines der Enden derselben isolieren infolge statischer oder gleitender Reibung, die sonst ungleichförmige Spannungsverteilung in den Gewinden 36 und 37 während des Auslösens hervorrufen könnte. Die Federstrukturen 33 und 34 bilden

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der Bewegung entgegenwirkende Einrichtungen nach Art einer Feder, die jeweils einen sehr hohen Geäamtelastizitätsmodul auf v/eisen, so daß Rüttelschläge erheblicher und konstanter Höhe auf ein festsitzendes Objekt über eine lange Zeitperiode hinweg ausgeübt werden können.

Das beschriebene Äusführungsbeispiel bezieht sich auf einen Zweirichtungsrüttfe-r (d.h. einen, der in Aufwärts- und Abwärtsrichtung arbeitet), doch versteht es sich, daß der Rüttler auch so ausgebildet v/erden könnte, daß er nur in einer Richtung, beispielsweise nach oben, arbeitet, indem man die oben angeordnete Federstruktur, den Hilfsdorn und die zugehörigen Teile wegläßt, und das Gehäuse und den Dorn entsprechend verkürzt.

(Patentansprüche)

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Claims (20)

Patentansprüche

1) Bohrlochrüttelvorrichtung mit ineinander teleskopartig angeordneten Schlagteilen, die zum Aufeinanderschlagen ihrer Schlagflächen relativ zueinander längsbeweglich sind, um so im Bohrloch festsitzende Objekte loszurütteln, und mit einem Auslösemechanismus zum Verhindern einer merkbaren Längsbewegungder Teile vor dem Ausüben einer in Längsrichtung wirkenden, in ihrer Größe vorgebbaren Auslösekraft auf die Schlagteile, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslösemechanismus ein in Querrichtung deformierbares Muffenteil (35) umfaßt, das mit einem der Schlagteile (21) in Wirkverbindung steht und Gewindegänge (36) aufweist, die - wenn sie im Eingriff mit Gegengewindegängen (37) auf diesem Schlagteil stehen - die relative Längsbewegung unterbinden, daß die Gewinde- und Gegengewindegänge jeweils in Gleitkontakt miteinander stehende nockenartige Seitenflächen (39, 40) aufweisen für die Deformierung des Muffenteils in Querrichtung bei Längsbewegung des Muffenteils relativ zu dem Schlagteil, daß die Seitenflächen den Kontakt zwischen dem Muffenteil und dem Schlagteil über eine erheblich größere Länge, als dem Unfang des Schlagteils entspricht, sicherstellen, daß eine Verriegelungseinrichtung zur Verhinderung der Deformierung des Muffenteils in Querrichtung vorgesehen ist, die auslösbar ist duch eine vorgebbare Längsbewegungsstrecke des anderen Schlagteils (20) relativ zu dem Muffenteil, und daß Federanordnungen (33, 34) vorgesehen sind, die dieser Relativbewegung des anderen Schlagteils mit einer Kraft entgegenwirkend ausgebildet und angeordnet sind, die eine Funktion der bei einer solchen Bewegung zurückgelegten Strecke ist, derart, daß bei Auslösen der Verriegelungseinrichtung das Muffenteil unter Quer- ■ deformation mit seinen Gewindegängen außer Eingriff mit den Gegengewindegängen gelangt und die Schlagteile die Schlagbewegung relativ zueinander ausführen können.

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2) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindegänge abgeflachte Oberseiten aufweisen, und daß die

'in Eingriff stehenden Seitenflächen eben sind und gegenüber den abgeflachten Oberseiten geneigt ausgebildet sind.

3) Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch in Querrichtung angeordnete Verkeilungseinrichtungen zur Verhinderung von Relativdrehung zwischen dem Muffenteil und dem einen Schlagteil.

4) Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das mit dem Muffenteil in Wirkverbindung stehende Schlagteil innen angeordnet ist, und daß das in Querrichtung deformierbare Muffenteil expandierbar ist, während es im kontrahierten Zustand in Eingriff mit dem inneren Schlagteil steht.

5) Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Muffenteil Schlitze aufweist, die/Sich abwechselnd von den Enden her in Längsrichtung für weniger als die gesamte Länge des Muffenteils erstrecken, und das Muffenteil in eine Mehrzahl von Segmenten unterteilen, wobei die Enden jedes Segments mit einem anderen der benachbarten beiden Segmente verbünden sind.

6) Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die radial angeordnete Verkeilungseinrichtung mindestens einen Keil umfaßt, der sich durch einen Schlitz in dem Muffenteil erstreckt und dessen inneres Ende gleitend in einer Nut angeordnet ist, die sich in Längsrichtung im umfang des inneren Schlagteils erstreckt.

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7) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Muffenteil und das mit ihm in Wirkverbindung stehende Schlagteil eine Vorrichtung zum Verhindern des in Eingriffgelangens der Gewindegänge während der relativen Längsbewegung beider Teile um einen vorgegebenen Betrag nach Querdeformation des Muffenteils aufweisen.

8) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine übertragungseinrichtung für die Reaktionskraft der Federanordnung auf das Muffenteil und zur Isolation desselben von radialen Kraftkomponenten während der Querdeformation des Muffenteils.

9) Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die übertragungseinrichtung ein in Querrichtung deformierbares Ringteil umfaßt, das zwischen der Federanordnung und dem Muffenteil angeordnet ist, und dessen eine Endkante in Abstützkontakt mit dem Muffenteil steht.

10) Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß diese Endfläche abgerundet ist und rollend in einer konkaven Ringnut auf dem iluffenteil während dessen Querdeformation abgestützt ist.

11) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis Io, dadurch gekennzeichnet, daß die Verriegelungseinrichtung in Längsrichtung im Abstand angeordnete Verriegelungsflächen auf dem anderen Schlagteil umfaßt, die gleitend in Eingriff bringbar sind mit komplementären Verriegelungsflächen auf dem Muffenteil zur Verhinderung einer Querdeformation des Muffenteils, welche Verriegelungsflächen jedoch außer Eingriff bringbar sind durch Längsbewegung des Muffenteils und des anderen Schlagteils relativ zueinander unter Aufhebung der Verriegelung.

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12) Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verriegelungseinrichtung Auslösenuten zwischen den Verriegelungsflächen des anderen Schlagteils umfaßt, die so angeordnet und ausgebildet sind, daß sie die zugeordneten koiaplementären Verriegelungsflächen bei Querdeformation des Muffenteils aufnehmen und abgeschrägte Wandungsflächen aufweisen für 'eine nockenartig wirkende Verschiebung des Huffenteils in Querrichtung in Richtung der Eingriffsstellung mit dem anderen Schlagteil.

P 13) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Federanordnungen einen rohrförmigen Säulenaufbau umfassen, der den in Längsrichtung deformierbar ist, und dessen eines Ende mit dem anderen Schlagteil gekupplelt ist, während das andere Ende mit dem ^-iuffenteil verbunden ist.

14) Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Säulenaüfbau eine Mehrzahl konzentrisch ineinander angeordneter Rohre umfaßt, deren eines Ende jeweils an eines der benachbarten Rohre derart angekoppelt ist, daß entgegengesetzte

in Längsrichtung wirkende Kräfte, die auf zwei dieser Rohre ausgeübt werden, einander benachbarte Rohre unter ^ug- bzw. Druckfe beanspruchung setzen.

15) Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß dar Säulenaufbau ein Außenrohr, ein Innenrohr und ein Swischenrohr umfaßt, das zwischen dem Außen- und dem Innenrohr· angeordnet ist, und eine erste nach außen vorkragende Schulter aufweist, in Verbindung mit dem Außenrohr und eine zweite nach innen vorkragende Schulter in Verbindung mit dem Innenrohr, derart,, daß eine in Längsrichtung wirkende Druckkraft das Außenrohr und das Innenrohr einer Druckbeanspruchung und das Swischenrohr einer Zugbeanspruchung unterwirft, wobei das Swischenrohr eine seitliche Abstützung bewirkt, welche dem Äüsknickeh des Außen- und des Innenrohrs entgegenwirkt.

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16) Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht mit dem Innenrohr verbundenen Enden des Innen- und des Außenrohres sich über das Innenrohr hinaus erstrecken.

17) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch eine Einstelleinrichtung für die von der Federanordnung ausgeübte Reaktionskraft bei Längsbewegung des anderen jSchlagteils relativ zu dem Muffenteil bei Auslösen der Verriegelungseinrichtung.

18) Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtung ein in Längsrichtung bezüglich des anderen Schlagteils bewegliches Glied umfaßt zur Einstellung der Längsstellung der Federanordnung bezüglich des anderen Schlagteils.

19) Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Glied einen Hilfsdorn umfaßt in Schraubverbindung mit dem anderen Schlagteil derart, daß eine Verdrehung des Hilfsdorns denselben längs des anderen Schlagteils verschiebt.

20) Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, da;.} der Hilfsdorn von außen zugänglich ist, um dessen Drehteilung zu bewerkstelligen.

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