DE2151758C3 - Rutschschere - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine in einen Bohrstrang einschaltbare Rutschschere zum Ausüben von Rüttelschlägen auf im Bohrloch festsitzende Bohrstrangteile, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Beim Niederbringen von Bohrlöchern durch Erdformationen, in denen das Verklemmen problematisch ist, wird meist eine Rutschschere in den Bohrstrang eingeschaltet Hierbei handelt es sich um eine Vorrichtung mit ineinander teleskopartig angeordneten Schlagteilen, die zum Aufeinanderschlagen ihrer Schlagflächen relativ zueinander längsbeweglich sind. Dies;; Schläge müssen ziemlich heftig sein, um beispielsweise ein festsitzendes Bohrwerkzeug erfolgreich loszurütteln. Die Rutschschere umfaßt ferner eine Auslöseeinrichtung, die dazu dient, diese tfileskopartige Bewegung so lange zu unterbinden, bis eine vorgegebene Auslösekraft auf den Bohrstrang ausgeübt wird, die so wirkt, daß der Bohrstrang gedehnt wird und damit Energie speichert Beim Auslösen kontrahiert der Bohrstrang und läßt die Rutschschere aufschlagen, so daß eine ziemlich erhebliche Schlagkraft auf das festsitzende Werkzeug einwirkt Gewöhnlkh mu3 die Rutschschere mehrmals betätigt werden, bevor die festsitzenden Werkzeuge freikommen, und es ist nicht ungewöhnlich, daß mehrere Stunden nacheinander Ruttelschläge ausgeübt werden müssen. Insbesondere in dieser Beziehung, also im Dauergebrauch, sind bei den bekannten mechanischen Rutschscheren Probleme hinsichtlich des Verschleißes der Auslöseeinrichtung zu beobachten. Wenn der Verschleiß Überhand nimmt, wird die Rutschschere unbrauchbar, aber in jedem Fall wird die Auslösekraft, die eigentlich im wesentliche:, konstant und vorhersagbar sein sollte, entweder größer oder kleinen Eine verringerte Auslösekraft führt zu einer entsprechend verringerten Aufschlagkraft und vergrößert damit die Zeit, die erforderlich ist, um ein festsitzendes Objekt loszurütteln. Eine erheblich vergrößerte Auslösekraft dagegen kann zu einer Beschädigung der Rutschschere selbst führen, wenn Teile derselben übermäßigen Zugbeanspruchungen oder Belastungen ausgesetzt werden, obwohl bei den beim Tiefbohren vorliegenden rauhen Betriebsbedingungen die Rutschschere eine außerordentlich robuste und verschleißfeste Konstruktion besitzt.

So ist aus der US-PS 20 13 127 eine Rutschschere entsprechend dom Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, v/o ein Dorn mit radialen Flanschen vorgesehen ist. die mit sich ebenfalls radial erstreckenden Flanschen im Inneren einer Hülse durch Reibschluß im Eingriff stehen, um dieii beiden Teile gegen Bewegung in Längsrichtung durch Reibschluß zu halten. Diese Flansche die nur eine sehr geringe radiale Ausdehnung besitzen, können übereinandergleiten und verschleißen entsprechend stark. Um diesen Verschließ auszugleichen, sind auf der Außenseite der Hülse ebenfalls Flansche angebracht die sich gegen die konische Innenfläche einer Nachstellmuffe abstützen, wobei die Nachstellmuffe mit Außengewinde versehen und durch Drehen in Längsrichtung zum Nachsteilen beweglich ist. Bei einer deranigen Rutschschere ist eine laufende Nachstellung mit def entsprechenden Einrichtung in Form der Nachstellmüffe notwendig, um eine möglichst gleichmäßige Aufschlagkraft selbst während einer Benutzungsdaucrzu erzielen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Rutschschere nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, bei def ein Nachstellen dry- Aufschlagkraft nicht erforderlich ist.

Diese Aufgabe wir entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst

Hierdurch ergibt sich, daß die tragenden Flächen maximal bei entsprechend verringertem Verschleiß beim Ein- und Ausrasten werden. Da man sich aber nicht wie etwa bei der US-PS 20 13 127 auf Reibungsschluß verlassen kann, wird die Muffenexpansion durch Formschluß gesperrt Nach Aufheben der Sperre kann die Muffe sehr leicht expandieren und über die Gewindegänge gleiten, ohne zu ratschen, da die Gewindegänge während des Schlages außer Eingriff gehalten werden. Die Gewindegänge verschleißen kaum, und es ergibt sich nur eine einzige, stets wieder erreichte Spannposition. Vor dem Absenken des Bohrstrangs kann die Schlagstärke eingestellt werden, die dann aber während der gesamten Betriebszeit praktisch konstant bleibi und keine Nachstellung erfordert

Um Energie im Bohrstrang speichern zu können, indem dieser gestreckt wird. bf'or das Auslösen stattfindet ist die Federanordnung vorgesehen, welche der Längsbewegung entgegenwirkt die erforderlich ist. um die Verriegelungseinrichtung, die zwischen dem Gehäuseteil und der Muffe wirksam ist außer Eingriff zu bringen. Es ist dabei bevorzugt daß die Federanordnung eine Mehrzahl konzentrisch angeordneter Rohrelemente umfaßt, deren einander gegenüberliegende Enden wechselweise miteinander gekoppelt sind, derart daß eine Kraft die einerseits a.i einem Ende des äußersten Rohrelementes und andererseiis am anderen Ende des innersten Rohrelementes angreift, abwechselnd aufeinanderfolgende Elemente unter Zug- bzw. Druckspannung setzt. Damit ergib: 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 Radialabstütztung wirken, um das Ausbeulen der anderen Elemente zu verhindern, die unter Druckbelastung stehen.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den L'nteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung soll nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert wenden, die ein Ausführungsbeispiel einer Rutschschere darstellen.

Fig. 1 zeigt etwas schematisiert einen eine Rutschschere enthaltenden Bohrstrang in einem Bohrloch.

Fig. 2A —2C sind Längsschnitte des Auslösemechanismus und zugehöriger Bauteile in der Rutschschere gemäß Fig. 1.

F i g. 3 zeigt perspektivisch das Muffenteil,

F i g. 4 ist ein Querschnitt nach Linie 4-4 der F i g. 2B. und

F i g. 5 ist eine halbseitig weggebrochene Längsscrmiudarstellung zur Erläuterung des Verkeilungssystems im Auslösemechanismus.

In F i g. 1 ist ein Bohrloch 10 erkennbar, das mit den üblichen Drehbohrtechniken 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. Eine Rutschschere *3 gemäß den Lehren der Erfindung kann wahlweise an verschiedenen Stellen in den Bohrstrang eingekoppelt werden. Es ist jedoch bevorzugt, daß sie sich an einem Punkt zwischen der obersten Scherstange und den Rohrsträngen befindet. Bei bestimmten Bedingungen im Bohrloch, beispielsweise bei sehr weichen oder stark permeablen

Formationen, insbesondere bei verlaufenden Bohrlöchern, besieht das Risiko, daß der Bohrkopf und/oder die Scherstangen verklemmen. Wenn ein solches Verklemmen aus irgend einem Grund erfolgt, kann man die Rutschschere 13 betätigen, um das festsitzende Werkzeug freizumachen.

Die Rutschschere 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 der Rutschschere in den Bohrstrang auf. Der Dorn 21 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 »Hammerschlag« 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 weitere Hammerfläche 27 auf eine zweite Amboßfläche 28 auftreffen. Demgemäß kann die Schere 13 Schläge in beiden Richtungen aufwärts und abwärts 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 weisen ineinandergreifende Keile 29 auf, um die Drehung über die Schere 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 31 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.

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 die Schere ausgelöst wird, derart, daß ein Schlag erheblicher Größe ausgeübt werden kann. Wenn jedoch der Auslösemechanismus 32 ausgelöst wird, erfolgt die Bewegung des Gehäuses 20 längs des 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 wieder in der Mittelstellung gespannt. Die Schlagaktion wird wiederholt bis das festsitzende Werkzeug gelöst ist.

Wie in Fig.2 genauer erkennbar, umfaßt der Auslösemechanismus 32 ein expandier- und kontrahierbares Muffenteil 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 F i g. 3 erkennbar, vorgesehen sind, die sich in einander entgegengesetzten Längsrichtungen abwechselnd for 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 Muffehteil 35 in

ίο kontrahiertem Zustand ringsum den Dorn 21 verriegelt mittels Verriegelungsflächen 43 (siehe Fig. 2B), welche durcn 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.

Zwischen den Verriegelungsflächen 43 sind Auslösenuten 48 ausgebildet zur Aufnahme der Verzahnungen 47 auf dem Muffenteil 35 bei relativer Longitudinalbewegung der Verriegelungsmuffe 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 Verriegelungsflächen 43 und 46 erstrecken sich parallel zur Achse des Muffenteils 35 und verhindern damit sicher die Expansion nach außen des Muffenteils während der Längsbewegung, die erforderlich ist, bevor das Außer eingrii'fgelangen stattfinden kann. Die Auslösenuten 48 haben abgeschrägte Wandungsflächen 49 und 50. um eine einwärts gerichtete Nockenwirkung 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 (F i g. 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 Steiien geschiitzi, um auswans vorkragende Vorsprünge 54 und 55 aufzunehmen, die ausgebildet sind an abwärts 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 Gewindefänge 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 Gewindegänge. Das Muffenteil 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 Doms 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

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-U uuo lTiuilV.lltCII JJ 31VI1 CApOllUICtCH UIlU liai.ll UUCH bewegen läßt beispielsweise längs des Dorns 21, gleitet der Abschnitt 62 längs der Außenoberfläche 64 des Dorns 21, während der untere Abschnitt 63 zunächst

über die Außenfläche des unteren Dornabschniltes 61 Und dann längs der Spitzen der Gewindegänge 37 gleitet. Die Gewindegangspilzen bei den Muffenteilgewindegängen 36 gleiten längs des oberen Dornabschnitts 60 mit dem Ergebnis, daß die entsprechenden Gewindegänge 36 und 37 vom Muffenteil bzw. Dorn sitÄir außer Eingriff gehalten werden, wenn sich das Muffenteil 35 in einer Relativbewegung längs des Doms 21 in einer der beiden Richtungen befindet.

Es ist ersichtlich, daß. damit das Müffenleil 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 is durch die Federanordnungen 33 und 34. Da diese Strukturen einander gleich sind und nur einander KCgciiuucf äiigcuFufici 5inu, 5Gn nSCmOigCnvi ΠίϊΓ uiC obere Struktur beschrieben werden mit den entsprechenden Bezugszeichen in der Zeichnung; die untere Struktur 34 weist die gleichen Bezugszeichen auf. die jedoch durch einen Indexstrich besonders gekennzeichnet sind.

Die obere nachgiebige Struktur 33 ist in Fig.2A erkennbar. Sie umfaßt ein Außenrohr 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 auswärts gerichete Schulter 73 und der obere Abschnitt eine einwärts gerichtete Schulter 74. Das untere Ende des Außenrohres 68 stößt gegen die Schulter 73, während das obere Ende des Innenrohrs 70 gegen die Schulter 74 stößt. Man versteht demgemäß, daß einander engegengesetzte 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. Verkürziingpn tier pin7plnpn 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 Muffenteil 35 und den jeweiligen federnden Strukturen 33 und 34. Jeder Ring weist eine innere ringförmige Ausnehmung 76 (F 1 g. 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 (F i g. 5) ausgebildet die sich abwechselnd in Längsrichtung für etwas weniger als die Gesamtlänge der Muffe in der gleichen Weise erstrecken wie die Schlitze im Muffenteil 35 gemäß F i g. 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 weiche der Expansion der Enden des Muffenteils 35 entgegenwirken könnte, wie es etwa zu befürchten wäre zwischen zwei aufeinander gleitenden Flächen, wenn die Schiebrihge 58 und 59 direkt in die Enden des Muffenteils 35 eingreifen wurden.

jede der Federstrukturen 33 und 34 kann einstellbar innerhalb des Gehäuses 20 angeordnet werden, um selektiv die gewünschte Auslösekraft einzustellen. Dies wird bewirkt indem obere und untere Hilfsdorne 85 und 86 vorgesehen sind, die jeweils einen Endabschnitl 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 ciiigcfuiiri WcTuSn Κ5ΠΠ ΖϋΓΠ ι1ΐΠ£|Γϊιι ίΠ ϊμ 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 Muffenteilverzahnungen 47 zu bringen. Da die erforderliche Auslösekraft eine direkte Funktion des Betrages der Längsdefletion der Federstrukturen 33 und 34 ist, 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 Hie richtige Ausfluchtung der Gewindegänge und der Vprrip(jp|iinc";flärhpn miteinander während des Betriebes sicherzustellen, wie auch der Schlitze in dem Muffenteil 35 und den Schiebemuffen 79, um eine richtige Expansion im Betrieb hervorzurufen, wird ein System von Keilen verwendet, wie besonders deutlich in F i g. 4 und 5 erkennbar. Das Muffenteil 35 kann zum Beispiel sechzehn Schlitze aufweisen (acht die sich in jeder Richtung öffnen, siehe F i g. 3), während 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 weist 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. Ein getrennter Satz von kürzeren Keilen 101 gleiten in den gleichen Dornkeilnuten 95 und erstrecken sich in Schlitzen der unteren Schiebemuffe so, daß die aufwärts sich öffnenden Schlitze in der unteren Schiebemuffe in Längsrichtung ausgefluchtet sind mit den abwärts sich

•ffnenden Schulzen 42 des Muffenteils 35. Auch hier •ind obere und unlere Sätze von kurzen Keilen 102 und •03 aufgenommen in radial sich erstreckenden Schlitzen UM und 105 in den Antriebsringen 58 und 59; die Keile reiten ähnlich in den Domkeilnuten 96, um in Drehrichtung die Antriebsringe zu positionieren und damit die Verriegelungsmuffe 44 in ihrer Position bezüglich de«! Muffenteil 35 festzulegen. Demgemäß and die Austötegewinde 36 und 37 und die Verriegekfngsflächefi 43 üfid 46 in Drehrichtung fixiert, um den Hchtigen Eingriff sicherzustellen, und die Schlitze, welche die Expansion des Muffenteils 35 und der Schiebemuffe 79 ermöglichen, sind richtig ausgefluchtet für die öffnunge- und Schließbewegung während solcher Expansion.

Die Schlagschere 13 wird in ihrer ganz geöffneten oder ausgefahrenen Stellung in den Bohrstrang oberhalb der Scherstangen 12 eingeschaltet und in das Bohrloch für den Bohrbetrieb abgesenkt. Während des Bohrens wird die Drehbewegung mittels der Schere 13 übertragen, dank des Zusammenwirkens der Teile 29, und während des normalen Betriebes steht die Schere immer unter Spannung.

Falls die Werkzeuge unterhalb der Schere 13 zum Festsitzen kommen, wird diese wie folgt betätigt: 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. 2 dargestellt — gelangt isL Um nach oben zu schlagen, wird auf den Bohrrohrstrang am oberen Ende des Bohrlochs ein Zug ausgeübt, so daß der Strang sich streckt und Energie ipeicherL Die aufwärts gerichtete Kraft hat die Tendenz, das Gehäuse 20 aufwärts 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 gerichtete Kraft auf das Muffenteil 35 und die Gewindegänge 36 und 37 hat infolge deren abgeschrägter Wandungsflächen die

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■ i.iiubii£, \.uii. i^/ipaitaiirii u\,a iviuiiciili.ii:> iici »υι /.Ui uicii, 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 eine vorgegebenen Auslösekraft entspricht, lassen die abgeschrägten Wandungen der Gewinde 36 und 37 das Muffenteil 35 nach außen expandieren und lassen plötzlich den Eingriff mit dem Dorn 21 verschwinden. Das Gehäuse 20 wird nach oben beschleunigt, derart, daß die Hammerfläche 25 auf die Amboßfläche 26 kräftig aufschlägt. Die Aufschlagkraft wird über den Dorn 21 auf die darunter festsitzenden Werkzeuge übertragen. Beim Aufwärtsgleiten des Muffenteils 35 längs des Dorns 21 gleiten auch die verdickten Abschnitte 62,63 längs der Außenfläche des Dorns um zu verhindern, daß die Gewinde 36 und 37 in Kontakt gelangen oder etwa in Eingriff.
Um die Schere 13 wieder zu spannen, wird der Bohrerohrstrang wieder abgesenkt, um eine entsprechende Abwärtsbewegung des Gehäuses 20 zu bewirken und das Muffenteil 35 relativ zum Dorn· 21 zu verschieben. Wenn das Muffenteil 35 die gegenüberlie- ·> genden Gewindegänge 37 erreicht, kontrahiert es und gelangt in Eingriff in dem Dorn 21, wdche Kontraktion unterstützt wird durch die Rcaklioxiskraft der unter Spannung stehenden Federstruktur 34, welche übertragen wird auf eine radial einwärts gerichtete Kraftkomponenle durch die abgeschrägten Wandungsflächen 49 der Auslösenuten 48, Die Dornabschnitte 60 und 61 wirken mit den Innenteilen des Muffenteils 35 zusammen, und wirken in solcher Weise, daß es nur eine Longiludinalstellung 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 Scheren-

2ö gehäuse 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 Amboßfläehe 28 kräftig aufschlagen läßt.

Wie erwähnt, verringert die Anwendung von Gewindegängen 36 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 längsmögliche Kontaktfläche vorzusehen, weiche 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 Enuflächen auf.

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

Das beschriebene Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein Zweirichtungschlagschere (d.h. eine, die in Aufwärts- und Abwärtsrichtung arbeitet), doch versteht es sich, daß die Schere auch so ausgebildet werden könnte, daß sie 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

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (16)

Patentansprüche:

1. In einen Bohrstrang einschaltbare Rutschschere zum Ausüben von Rüttelschlägen auf im Bohrloch festsitzende Bohrstrangteile, mit einem von der Erdoberfläche aus bewegbaren Außengehäuse, einem im Außengehäuse relativ längsbeweglichen Dorn, Schlag- bzw. Amboßflächen an Außengehäuse bzw. Dorn und mit einer Sperreinrichtung zum Auslösen des Schlages nach einer vorgegebenen Relativbewegung des Außengehäuses, weiche eine radial expandierbare Muffe umfaßt, die auf dem Dorn sitzt und radial einwärts gerichtete Verriegelungselemente aufweist, denen auf dem Dorn angeordnete Gegenelemente zugeordnet sind, wobei die Verriegelungs- und Gegenelemente unter Expansion der Muffe zum Ausführen des Schlages axial übereinander gleitend beweglich sind, d a durch gekennzeichnet, daß die Vemegelungs- und Gegenelemente miteinander in Eingriff ao stehende iJewindegänge (36,37) sind, daß die Muffe (35) durch eine auf ihrem Mantel verschieblich angeordnete Verriegelungsmuffe (45) in der Spann-Stellung der Rutschschere gegen Expansion formschlüssig verriegelt und bei Verschiebung der Vemegelungsmuffe mittels des Außengehäuses (20) gegen die Kraft einer Federanordnung (34; 33) durch Aufhebung des Formschlusses entriegelbar ist, und daß die Muffe (35), die Vemegelungsmuffe (45) und der Dorn (21) gegen Relativdrehung gesperrt sind.

2. Rutschschere· nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindegänge (36, 37) flache Oberseiten au^fweisei wobei die in Eingriff Stehenden Seitenflächen eben und gegenüber den Ilachen Oberseiten geneigt sini

3. Rutschschere nach Anspruch I oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Muffe (35) und der mit ihr in Wirkverbindung stehende Dorn (31) eine Einrichtung zum Verhindern des Ineingnffgelangens der Gewindegänge (36, 37) während der relativen Längsbewegung beider Teile um einen vorgegebenen Betrag nach Querdeformation der Muffe (35) aufweisen.

4 Rutschschere nach einem der Ansprüche 1 bis 3. gekennzeichnet durch eine Übertragungseinrichlung für die Reaktionskraft der Federanordnung (34; 33) auf die Muffe (35) und zur Isolation desselben von radialen Kraftkomponenten während der CJuerdeformation der Muffe (35).

5. Rutschschere nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungseinrichtung tine in Querrichtung deformierbare Schiebemuffe |79) umfaßt, die zwischen der Federanordnung (34; 33) und der Muffe (35) angeordnet ist und deren eine Stirnseite sich an der Muffe (35) abstützt.

6. Rutschschere nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche abgerundet ist ■nd rollend in einer konkaven Ringsnut (80) auf der Muffe (35) während deren Querdeformation abgenützt ist.

7. Rutschschere nach einem der Ansprüche I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verriegelungsmuffe (45) in Längsrichtung mit Absland zueinander angeordnete Verriegelungsflächen (43) aufweist, die gleitend mit komplementären Verriegelungsflächen (46) auf der Muffe (35) in Eingriff bringbar und durch Längsbewegung der Muffe (.15) und des Außengehäuses (20) relativ zueinander unter Aufhebung der Verriegelung außer Eingriff bringbar sind.

8. Rutschschere nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verriegelungsmuffe (45) Auslösenuten (48) zwischen den Verriegelungsflächen (43) aufweist, die so angeordnet sind, daß sie die zugeordneten komplementären Verriegelungsflächen (48) bei Querdeformation der Muffe (35) aufnehmen und abgeschrägte Wandlungsflächen (49, 50) für eine nockenartig wirkende Verschhbung der Muffe (35) in Querrichtung in Richtung der Eingriffsstellung mit dem Außengehäuse (20) aufweisen.

9. Rutschschere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Federanordnungen (33; 34) einen rohrförmigen Säulenaufbau umfassen, der in Längsrichtung deformierbar ist und einerseits mit dem Außengehäuse (20) und andererseits mit der Muffe (35) verbunden ist.

10. Rutschschere nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Säulenaufbau eine Mehrzahl konzentrisch ineinander angeordneter Rohre (68—70; 68'—70') 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 Zugbzw. Druckbearspruchung setzen.

11. Rutschschere nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Säulenaufbau ein Außenrohr (68; 68'), ein Innenrohr (70, 70') und ein Zwischenrohr (69; 69') umfaßt, das zwischen derr. Außen- und dem Innenrohr angeordnet ist und eine erste, nach außen vorkragende Schulter (73; 73') in Verbindung mit dem Außenrohr (68; 68') und eine zweite, nach innen vorkragende Schulter (74; 74') in Verbindung mit dem Innenrohr (70; 70') aufweist, wobei eine in Längsrichtung wirkende Druckkraft das Außenrohr und das Innenrohr (68, 70; 68', 70') einer Druckbeanspruchung und das Zwischenrohr (69,69') einer Zugbeanspruchung unterwirft und das Zwischenrohr (69, 69') unter seitlicher Abstützung dem Ausknicken des Außen- und des Innenrohres (68,70,68', 70') entgegenwirkt.

12. Rutschschere nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht mit dem Zwischenrohr (69, 69') verbundenen Enden des Innen und des Außenrohres (68, 70; 68', 70) sich über das Zwischenrohr (69,69') hinaus erstrecken.

13. Rutschschere nach einem der Ansprüche Ibis 12, gekennzeichnet durch eine Einstelleinrichtung für die von der Federanordnung (34; 33) ausgeübte Reaktionskraft bei Längsbewegung des Außengehäuses (20) relativ zu der Muffe (35) bei Auslösen der Verriegelung.

14. Rutschschere nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtung mindestens ein in Längsrichtung bezüglich des Außengehäuses (20) bewegliches Glied umfaßt zur Einstellung der Längsstellung der Federanordnung (33; 34) bezüglich des Außengehäuses (20).

15. Rutschschere nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Glied einen Hilfsdörn (85; 86) in Schraubverbindung mit dem Außengehäuse (20) umfaßt.

16. Rutschschere nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsdörn (85; 86) von außen zugänglich und drehend verstellbar ist.