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Stoßdämpfer für Bohrgestänge Die Erfindung bezieht sich auf einen
Stoßdämpfer für ein Bohrgestänge, insbesondere für ein rotierendes Olbohrgestänge.
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Beim Absenken einer Bohrung mit einer nach dem Rotary-Verfahren arbeitenden
Bohranlage trifft man häufig auch auf härtere Fornationen, in denen der Bohrmeißel
auf dem Boden des Bohrlochs zu springen beginnt. Die dabei erzeugten Stöße werden
über das gesamte Bohrgestänge hinweg bis zum Bohrturm selbst übertragen, wo sie
äußerst nachteilige Folgen haben können.
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Zum Dämpfen oder Neutralisieren dieser Stöße wurden bereits in ein
Bohrloch absenkbare Stoßdämpfer entwickelt, von denen- ein Ausführungsbeispiel in
der Kanadischen Patentschrift 807 54-6 beschrieben ist.
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Die Wirkung der bisher vorgeschlagenen Stoßdämpfer beruhte auf einem
teleskopartigen Zusammenschieben derselben in Längsrichtung. Eine Ausführungsform
eines solchen Stoßdämpfers hat ein an seinem oberen Ende mit dem Bohrgestänge verbundenes
Außenrohr und ein gleitend darin geführtes, am unteren Ende mit dem Bohrwerkzeug
verbundenes Kernrohr. Eine antriebsübertragende Verbindung gestattet ein Aufwärts-
und Äbwärtsgleiten des Kernrohrs im Außenrohr, verbindet die beiden Teile jedochdrehfest
miteinander. In einer zwischen dem Außenrohr und dem Kernrohr gebildeten Kammer
mit ringförmigem -Querschnitt ist eine im wesentlichen zylindrische Packung aus
einem elastisch-kompressiblen Material angeordnet Das Kernrohr hat an seiner Außenseite
eine Stufe, welche den unteren Abschluß der Ringkammer bildet. Das Außenrohr hat
seinerseits eine Stufe an der Innenseite, welche den oberen Abschluß der Ringkammer
bildet. Wird das Kernrohr durch einen Stoß plötzlich aufwärts getrieben, so soll
die Packung den Stoß unter Kompression zwischen den beiden Stufen aufnehmen, ihn
abfangen und das Bohrgestange im wesentlichen vor ihm schützen. Das allgemeine Prinzip
eines solchen Stoßdämpfers ist also ziemlich einfach. Bisher vorgeschlagene StoßdämDfer
weisen jedoch Mängel auf, welche ihre Betriebssicherheit beeinträchtigen und ihre
Wartung erschweren.
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Es versteht sich von selbst, daß der größte Durchmesser eines in ein
Bohrloch absenkbaren Werkzeugs oder Stoßdämpfers durch den Dtlrchmesser des Bohrlochs
vorgegeben ist. Der kleinste Innendurchmesser andererseits muß auf den Innendurchmesser
des übrigen Bohrgestänges abgestimmt sein. In einet typischen Fall soll also ein
Stoßdämpfer
einen größten Außendurchmesser von 165 mm und einen
Innendurchmesser von etwa 50 mm haben Weist der Stoßdämpfer irgendwelche schwache
Stellen in seinem Aufbau auf, so müssen diese also innerhalb der durch diese Abmessungen
gesetzten Grenzen beseitigt bzw. verstärkt werden Ein solcher Stoßdämpfer wird oft
in Deuten von 3 000 bis 4 500 m eingesetzt. Das auf-ihm lastende Gewicht des Bohrgestänges
schwankt beispielsweise zwischen 0 und 45 000 kp. Zuweilen soll ein Stoßdämpfer
zyklischen Belastungen in dieser Größenordnung bis zu achtzig Stunden hintereinander
störungsfrei standhalten.
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Aus Vorstehendem ist zu erkennen, daß die Ausbildung und die relative
Anordnung der Teile des Stoßdämpfers wesentlicht Faktoren für seine Brauchbarkeit
darst-ellen. Ein wichtiges Ziel der Erfindung besteht demgemäß darin, einen aus
mehreren Teilen zusammengesetzten StoBdämpfer der genannten Art zu schaffen, dessen
Teile so ausgebildet und angeordnet sind, daß der Stoßdämpfer unter normalen Betriebsbedingungen
eine vorteilhafte Robustheit und Betriebssicherheit hat.
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Ein solcher Stoßdämpfer wird häufig in entlegenen Gebieten, etwa in
der Arktis eingesetzt und von Bohrmannschaften gehandhabt, die für seine Wartung
nicht besonders ausgebildet sind. Der Stoßdämpfer gemäß der Erfindung soll daher
möglichst leicht zu warten bzw. zu reparieren sein.
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Das Springen des Bohrmeißels im Bohrloch erfolgt zumeist in sehr schneller
Folge. Die Packung soll daher unter Druck nur geringe bleibende Verformung erhalten
und ein schnelles Zurückfedern gewährleisten. Dadurch ist der Stoßdämpfer dann in
der Lage, nach der Aufnahme eines Stoßes vor einem nachfolgenden Stoß in die Ausgangsstellung-
zurückzukehren.
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Ein Stoßdämpfer gemäß der Erfindung soll eine solche Packirng erhalten,
welche die einzelnen Stöße aufnehmen und vor dem jeweils nach olgenden Stoß schnell
zurückfedern kann.
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Gemäß der Erfindung ist ein Stoßdämpfer der eingangs genannten Art
gekennzeichnet durch ein Außenrohr und ein mit diesem zusammen eine Ringkammer begrenzendes,
in diesem zwischen einer gestreckten und einer zusammengeschobenen Stellung teleskopartig
bewegbares Kernrohr, welches, in der Reihenfolge von einem ersten Ende des Stoßdampfers
aus, ein Anschlußteil zum Verbinden des Stoßdämpfers mit einem Bohrgestänge, ein
Abstandstück, ein außenverzahntes Teil und ein die Innenwandung der Ringkammer bildendes
Rohrteil aufweist, wobei das Anschlußteil, das Abstandstück und das außenverzahnte
Teil zusammen als einstückiges Teil ausgebildet und mit dem Rohrteil verbunden sind
und das Außenrohr, in der Reihenfolge vom ersten Ende des Stoßdämpfers aus, ein
Kupplungsteil mit einer Tnnenverzahnung, welche im Zusammenwirken mit dem außenverzahnten
Teil ein Verdrehen des Außenrohrs und des Kernrohrs gegeneinander verhindert und
axiale Bewegungen der Teile in bezug aufeinander zuläßt, und ein die Außenwand der
Ringkammer bildendes und an oder nächst dem zweiten Ende des Stoßdämpfers mit einem
Gewinde für den Anschluß am Bohrgestänge versehenes Mantelteil aufweist, durch eine
am Außenrohr vorgesehene Anschlagausbildung, welche die Abwärtsbewegang des Kernrohrs
in der gestreckten Stellung begrenzt und das Kernrohr am Herausfallen aus dem Außenrohr
hindert, durch am Kernrohr und am Außenrohr vorgesehene erste und zweite Ausbildungen,
welche die Ringkammer an einem ersten und einem zweiten Ende abschließen, durch
eine federelastische, kompressible Packungsanordnung in der Ringkammer, welche.
zum Verhindern eines gegenseitigen Aufschlags zwischen dem Außenrohr und dem Kernrohr
durch die Aufwärtsbewegung des Kernrohrs zusammendrückbar ist und bei der Rückkehr
des Kernrohrs in die gestreckte Stellung im wesentlichen den vor dem Zusammendrücken
innegehabten Zustand wieder einnimmt, durch in gewissem Abstand von der Innenverzahnung
zum ersten Ende des Stoßdämpfers hin angeordnete Einrichtungen
am
Euppltzgsteil des Außenrohrs zum Abdichten des Innenraums desselben gegen das Eindringen
von Bohrtrübe in die Innenverzahnung vom ersten Ende her und durch an einem Teil
des Außenrohrs zunächst dem zweiten Ende des Stoßdampfers angeordnete Einrichtungen
zum Abdichten des Innenraums des Außenrohrs gegen das Eindringen von Bohrtrübe in
die Ringkammer vom zweiten Ende her.
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Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der
Zeichnung beschrieben Darin zeigt.
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Fig. 1 eine aufgeschnittene Schrägansicht eines erfindungsgemäßen
Stoßdämpfers, Fig. 2 eine zerlegte Schrägansicht des Stoßdämpfers mit zum Teil im
Schnitt gezeigten eilen und Fig. 3 eine Längsschnittansicht eines Teils des Stoßdämpfers.
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Der in Fig. 1 und 2 insgesamt mit 10 bezeichnete Stoßdämpfer weist
ein Kernrohr 12 auf, welches gleitend in einem Außenrohr 14 geführt ist.
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Das Kernrohr 12 setzt sich aus einem unteren Teil 20 und einem oberen
Teil mit einer Verbindungsmuffe 28 und einem Führungsrohr 34 zusammen. Das untere
Teil 20 ist einstückig.
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Die Verbindungsmuffe 28 und das Führungsrohr 34 sind zwar als getrennte
Teile dargestellt, sie können jedoch auch ein einstückiges Teil bilden. Das untere
Teil setzt sich zusammen aus einem Anschlußteil 36 mit einem kegeligen Gewindestück
22, einem Abstandstück 38, einem außenverzahnten Teilstück 44, zwei Teilen 40, 42
mit stufenweise verringertem Durchmesser und einem Gewinde-Endstück 24.
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Das Außenrohr 14 setzt sich zusammen aus einem Kupplungsteil
52,
einem Zwischenstück 54 und einem Mantelteil 56.
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Das Kupplungsteil 52 hat im unteren Teil seiner Innenf-läche Rillen
58 für die Aufnahme von mit der-Umfangsfläche des Abstandstücks 38 zusammenwirkenden
Dichtringen 60 zum Verhindern des Eindringens von Bohr-trübe zwischen das Kernrohr
und das Außenrohr. Oberhalb der Dichtungsringe hat das Kupplungsteil 52 eine Innenverzahnung
46, mit welcher sich das außenverzahnte Teilstück des Kernrohrs in Eingriff befindet.
Wie man bei dem in Fig. 1 in seiner gestreckten Stellung gezeigten Stoßdämpfer erkennt,
ist eine Stirnseit-e 48 des Kupplungsteils in einigem Abstand oberhalb einer Stirnfläche
47 des Anschlußteils 36 angeordnet. Die oberen Enden der inneren und äußeren Verzahnungen
verlaufen ebenfalls in einem gegenseitigen Abstand. Dadurch läßt sich das Kernrohr
teleskopartig in das Außenrohr einschieben.
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Die Stirnfläche eines Gewlnde-Endstücks 62 des Küpplungsteils 52 dient
als Auflage für die untereEndfläche der Verbindungsmuffe 28 und verhindert so das
Herausfallen des Kernrohrs aus dem Außenrohr.
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Das Zwischenstück 54 ist mit einem Innengewinde 64 auf das obere Endstück
62 des Kupplungsteils 52 aufschraubbar. Die innere Wandungsfläche 66 des Zwischenstücks
54 begrenzt zusammen mit der Außenfläche 68 des Führungsrohrs 34 eine Faemer mit
ringförmigem Querschnitt. Am oberen Ende hat das Zwischenstück ein Innengewinde
70 für den Anschluß des Mantelteils 56.
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Das Mantelteil 56 hat ein Ansatzstück 72 mit verringertem Durchmesser,
in dessen Innenfläche Rillen 76 für die Aufnahme von Dichtungsringen 78 gebildet
sind. Die Dichtungsringe 78 bilden zusammen mit der Außenfläche 68 des Führungsrohrs
34 eine Abdichtung gegen das Eindringen von Bohrtrübe abwärts zwischen das Kernrohr
und des -Außenrohr. Am oberen Ende hat das Mantelteil einen Gewindeanschluß
80
für das (nicht dargestellte) Bohrgestänge.
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Das Führungsrohr 34 ist im Mantelteil axial auf und ab bewegbar.
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Die obere Stirnfläche 50 der Verbindungsmuffe 28 und die untere Stirnfläche
84 des Mantelteils 56 bilden die unteren bzw. oberen Abschlüsse der Ringkammer.
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Wie man in Fig. 3 erkennt, sind in die Ringkammer durch Profilringe
18 voneinander getrennte Buchsen 16 eingesetzt und durch einen oberen und einen
unteren Abstandsring 80 bzw. 82 vom Mantelteil 56 und von der Verbindungsmuffe 28
getrennt. Der Ring 80 hat eine obere, radial verlaufende Anlagefläche 84, an welcher
das Mantelteil mit seiner unteren Stirnfläche anliegt, und eine aufwärts-auswärts
ausgerundete Unterseite 86' für die Auflage an einem aDgerundeten Rand 88 am oberen
Ende der anschließenden Buchse 16. Zwischen dem Abstandsring 80 und der anschließenden
Buchse 16 ist ein ziemlich kleiner ringförmiger Hohlraum 90 gebildet, welcher beim
Zusammendrücken der Buchsen 16 eine Verformung des jeweils benachbarten Buchse gestattet,
wobei diese den durch den Hohlraum 90 gebildeten Platz wenigstens teilweise ausfüllt.
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Die Profilri 18 haben sämtlich eine der Unterseite 86 des Abstandsrings
80 entsprechend auswärts-autwärts-ausgerundete Unterseite 92, welche zusammen mit
dem abgerundeten Rand 88 der zugeordneten Buchse 16 einen Hohlraum 9o begrenzt.
Die oberen Seiten 94 der Profilringe 18 haben jeweils ein dem der Unterseite 92
ähnliches, å jedoch abwärts-einwärts ausgerundetes Profil, welches zusammen mit
einem angerundeten unteren Rand 96 der anschließenden Buchse 16 einen ringförmigen
Hohlraum 98 begrenzt.
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Der untere Abstandsring 82 hat eine radial verlaufende Unterseite
100 für die Anlage an der oberen Stirnseite 50 der Verbindungsmuffo 28 und eine
Oberseite 102 mit einem dem der
Oberseite 94 der Profilringe 18
entsprechenden Profil zur Bildung eines weiteren Hohlraums 98.
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Wird während des Bohrbetriebs das Kernrohr plötzlich aufwärts getrieben,
so werden die Buchsen durch Eompression in die Hohlräume 90 und 98 hinein verformt
und begrenzen schließlich die Aufwärtsbewegung des Kernrohrs. Nach Aufnahme bzw.
Vernichtung der aufwärts gerichteten Kräfte entspannen sich die Buchsen schnell
wieder im wesentlichen auf ihren vorherigen Zustand und bringen dabei das Kernrohr
abwärts in die gestreckte Stellung.
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Der beschriebene Stoßdämpfer ist so ausgelegt, daß er einen Hub des
Kernrohrs im Außenrohr aus der gestreckten aufwärts in die zusammengeschobene Stellung
von nur etwa 10 cm gestattet, bis die Anschlagstufen am lxußen- und Innenrohr in
gegenseitige Anlage kommen und eine weitere Einwärtsbewegung verhindern. Die aus
den Buchsen 16 und den Ringen 18 zusammengesetzte Packung ist so ausgebildet, daß
in der ringförmigen Eammer Hohlräume vorhanden sind. Im-Hinblick auf die vorstehenden
Gegebenheiten wird die Packung beim Zusammensetzen des Stoßdämpfers vorzugsweise
vorkomprimiert, um den ungedämpften Hub des Kernrohrs gegenüber dem Außenrohr möglichst
klein zu halten.
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Bei fortgesetzter Einwirkung von Schwingungen oder Stößen auf einen
Stoßdämpfer besteht die Gefahr, daß sich das untere Teil des Kernrohrs von dem im
Außenrohr festgehaltenen Oberteil löst. In diesem Fall fällt das untere Teil zusammen
mit dem Bohrwerkzeug vom Bohrgestänge ab. Zum Entfernen der abgefallenen Teile aus
dem Bohrloch ist dann ein aufwendiges Pangverfahren erforderlich. Beim beschriebenen
Stoßdämpfer sind die beiden Teile derart miteinander verbunden, daß sie sich unter
Einwirkung von Schwingungen bzw. Stößen nicht ohne weiteres voneinander lösen.
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Der beschriebene Stoßdämpfer weist verschiedene vorteilhafte Merkmale
auf. Zunächst einmal ist das Kernrohr weitgehend vor Verschleiß und Ausschlagen
geschützt. Dies ist durch die Abdichtung der antriebsübertragenden Verzahnungen
erreicht. Das einstückige untere Teil des Kernrohrs ist vom unteren Ende her in
das Außenrohr einführbar. Das Abstandstück kann daher die größtmögliche Dicke erhalten,
da es nicht drh die Innenverzahnung des Außenrohrs hindurch geführt zu werden braucfrb.
Insgesamt ergibt sich daraus ein robustes und verschleißarmes Kernrohr. Wenngleich
das Kernrohr auch aus zwei Teilen zusammengeschraubt ist, ist die Verbindung zwischen
den beiden Teilen so ausgebildet, daß ein Auseinanderschrauben erschwert; oder unmöglich
ist.
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Das obere Gewindeteil des unteren Teils des Kernrohrs erstreckt sich
bis oberhalb des oberen Endes des Außenrohr-Kupplungsteils, ist somit also beim
Zusammenbau des Stoßdämpfers zugänglích. Daher läßt sich die Verbindungsmuffe heiß
auf das Gewindeteil aufschrumpfen. Diese Art der Verbindung schließt dann ein Lösen
der Teile voneinander durch Erschütterungen od. dergl. aus. Der durch die Erfindung
erzielte Vorteil liegt nicht im Aufschrumpfen des Verbindungsmuffe an sich, sondern
vielmehr in der relativen Anordnung der verschiedenen Teile, welche das Aufschrumpfen
überhaupt erst ermöglicht. Die Verwendung des oberen Mantelteils ergibt eine verschraubte
Trennstelle des Außenrohrs nächst dem oberen Ende der die Packung enthaltenden Ringkammer.
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Dadurch sind dann die Buchsen und Ringe der Packung leicht zugänglich,
und zur Erzielung einer Vorkompression können vor dem Aufschrauben des Mantelteils
zusätzliche Ringe eingelegt werden. Die Ausbildung des Kupplungsteils schafft eine
verschraubte Trennstelle des Außenrohrs am unteren Ende der Ringkammer. Nach Abnahme
des Zwischenteils und des Iwfantelteils sind die Ringe und Buchsen der Packung freigelegt
und ohne Schwierigkeit auswechselbar. Die Verwendung einer Vielzahl von hintereinander
angeordneten Ringen und Buchsen ergibt zusammen mit ihrer Form günstige FLompressions-
und Rückfedereigenschaften. Der Stoßdämpfer ermöglicht einen äußerst glatten, erschütterungsfreien
Bohrbetrieb.