DE2504449B2 - Hydraulisches Schlagwerkzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein hydraulisches Schlagwerkzeug mit einer in einem Außenrohr teleskopisch verschiebbaren Innenstange. Solche Schlagwerkzeuge werden z. B. bei ölfeldbohrsträngen benutzt.

Beim Bohren auf Erdöl und Erdgas wird häufig ein hydraulisches Schlagwerkzeug (ζ. Β. Schlagschere) oder die Kombination eines Schlagwerkzeugs (jarringtool) und eines Stoßwerkzeugs (Bumper tool) im Bohrstrang benutzt, um über das freie obere Ende des Bohrstrangs Aufwärtsschläge zu dem festgewordenen unteren Teil desselben zu übertragen. Auf diese Weise wird der festgewordene Bohrstrang aus der umgebenden Gebirgsformation gelöst und kann aus dem Bohrloch gezogen werden.

Obwohl viele unterschiedlich hydraulische Schlagwerkzeuge entwickelt worden sind, arbeiten sie alle nach dem gleichen Prinzip. Diese Werkzeuge haben ein teleskopisch in ein Außenrohr geschobenes Innenteil und das Werkzeug ist so in den Bohrstrang eingefügt, daß das Außenrohr mit dem unteren Teil des Bohrstrangs verbunden ist und das Innenteil mit dem oberen Strang. Eine Verzögerungseinrichtung verhindert das schnelle Auseinanderziehen von Innen- und Außenteil, wenn das freie, obere Ende des Bohrstrangs hochgezogen wird. Diese Verzögerung ermöglicht, das freie, obere Ende des Bohrstrangs zu dehnen, wodurch eine beträchtliche elastische Energie im Bohrstrang gespeichert werden kann. Nach einer gewissen Verzögerungszeit wird das Werkzeug sehr schnell teleskopiert Die gespeicherte elastische Energie beschleunigt den Teil des Werkzeugs, der mit dem oberen Ende des

ίο Bohrstrangs verbunden ist Wenn das Ende des Werkzeughubes erreicht ist, schlägt das beschleunigte Innenteil gegen das Außenrohr des Werkzeugs, welches mit dem festgewordenen Teil des Bohrstrangs verbunden ist, und liefert einen Aufwärtsschlag oder -stoß.

Das Schlagwerkzeug, auf welches sich die vorliegende Erfindung bezieht, hat ebenfalls ein stangen- oder rohrförmiges Innenteil und ein Außenrohr. Die Verbindung dieser beiden im wesentlichen zylinderförmigen Teile erlaubt zwar eine relative, longitudinale Gleitbewegung, verhindert aber Rotationsbewegungen. Dies wird vorzugsweise durch eine Anordnung von Keilen erreicht Das Außenrohr ist so aufgebaut daß es einen unteren Ventilabschnitt (Ventilsitzstrecke) und einen oberen, daran anschließenden freien Schlagbereich (Schlagstrecke) aufweist. Der Ventilabschnitt besitzt einen relativ zu der freien Schlagzone reduzierten inneren Durchmesser. Zwischen dem Innentdl und dem Außenrohr erstreckt sich in axialer Richtung ein definierter Ringraum, der mit einer Arbeitsflüssigkeit,

z. B. einem leichten Öl, gefüllt ist. Zwischen Außenrohr und Innenteil sind Dichtungen vorgesehen, um diesen Ringraum abzudichten.'Das Innenteil trägt eine radiale ringförmige Schulter und einen ringförmigen Ventilanschlag, der axial versetzt über der Schulter angeordnet ist. Diese Ventilschulter ist so geschliffen, daß sie einen Ventilsitz sicherstellen kann. Eine rohrförmige Ventilhülse ist auf dem Innenteil zwischen Schulter und Ventilanschlag gleitbar montiert. In diesem Bereich ist die gerundete Oberfläche des insbesondere röhrenförmigen Innenteils abgeflacht, um eine Vielzahl axialer Flächen zu erzeugen. Zwischen den abgefrästen Innenteilflächen und der inneren Oberfläche der Hülse wird dahe: ein axialer Durchflußweg gebildet. Am unteren Ende hat die Hülse eine geschliffene Oberfläehe, welche eine sichere Dichtung gegen Durchfluß gewährleistet, wenn sie gegen die Schulter gepreßt wird. Die Arbeitsflüssigkeit kann daher an diesem Ende der Ventilhülse nicht die axialen Durchflußwege zu dem Ringraum passieren, wenn die Hülse dicht aufsitzt. Am oberen Ende ist die Hülse eingekerbt, um eine Durchflußöffnung zwischen der Hydraulik-Kammer und den axialen Durchflußwegen sicherzustellen.

Im Betrieb ist die Ventilhülse bei zusammengeschobenen Außenrohr und Innenteil in der Ventilsitzstrecke positioniert. Ein sehr enger ringförmiger Durchflußraum ist zwischen Ventilhülse und der Ventilsitzstrecke des Außenrohres gebildet. Im erwähnten Beispiel ist der Spalt zwischen Ventilhülse und Ventilsitzstrecke etwa '/2000", während der Spalt zwischen Hülse und dem freien Schlagbereich etwa ⁶⁵/iooo- beträgt. Wenn der Bohrstrang aufwärts gezogen wird, wird die Ventilhülse ebenfalls aufwärts gezogen und gelangt durch die Ventilsitzstrecke in die freie Schlagstrecke hinein. Während dieser Operation wird die hydraulische Flüssigkeit in der freien Schlagstrecke des Ringraums komprimiert. Die komprimierte Flüssigkeit kann nur sehr langsam aus der Hochdruckzone oberhalb der Hülse durch den engen Ringraum in die Niederdruckzo-

ne gepreßt werden. Das Teleskopieren oder Auseinanderziehen des Werkzeugs wird auf diese Weise verzögert, wodurch die Möglichkeit geboten wird, den oberen Teil des Bohrstrangs zu dehnen. Nach einer bestimmten Zeit ist hinreichend Flüssigkeit aus der Hochdruckzone der Hydraulik-Kammer ausgetreten, so daß die Ventilhülse die Ventilsitzstrecke verlassen und in die freie Schlagstrecke eintreten kann. Nun kann die komprimierte Flüssigkeit schnell die Ventilhülse umströmen. Der Bohrstrang kann sich frei zusammenziehen und der !r.nenteil wird schnell aufwärtsbewegt, bis der auf dem Innenteil sitzende Hammer mit heftiger Schlagenergie gegen den Amboß des Außenrohres trifft Um das Werkzeug wieder in die Ursprungslage zu bringen, wird das innenteil hinabgelassen. Sobald die Ventilhülse wieder in die Ventilsitzstrecke eintritt, wird die hierin enthaltene Flüssigkeit komprimiert, wodurch die Ventilhülse aufwärts bewegt wird, bis sie den oberen Veritilanschlag berührt Die hydraulische Flüssigkeit kann dann frei durch die Kerben und die axalen Wege hinter der Hülse durchströmen, so daß die Hülse schnell durch die Ventilsitzstrecke bis zur voll zusammengeschobenen Position bewegt wird.

Der Zustand der Ventilhülse ist bedeutend für sicheren Betrieb des Werkzeugs. Wenn zum Beispiel die 2^r> äußere Oberfläche der Ventilhülse verschleißt, wird der Spalt zwischen Ventilhülse und Ventilsitzstrecke größer und die Durchströmgeschwindigkeit der komprimierten Flüssigkeit steigt drastisch an. Der Verschleiß steigt, wenn das Ventil durch inneren Überdruck expandiert ω wird und an einzelnen Stellen gegen das Außenrohr gepreßt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Verschleiß der Hülse bei einem Werkzeug mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmalen herabzusetzen. Die Erfindung besteht in den im Kennzeichen des Anspruchs genannten Merkmalen.

Als Ergebnis dieser Anordnung wird der hohe Druck hinter der Ventilhülse zum unteren Ende des engen Ringraums übertragen und damit die äußere Deformierung oder Aufwölbung des unteren Hülsenendes reduziert. Auf diese Art wird eine Verengung des engen Ringraums durch Hülsendeformierung reduziert und damit der Verschleiß des unteren Hülsenendes wirksam verhindert. Das Gesamtresultat einer derartigen Anordnung ergibt ein sicheres und schadenfrei arbeitendes Werkzeug.

Es ist zwar bekannt (US-PS'n 34 05 773 und 30 88 533), zur Lösung des der Erfindung zugrundeliegenden Problems in der Hülse vom Schlagende so ausgehende kurze Rillen vorzusehen. Diese kurzen Rillen reduzieren aber nicht wie die Erfindung eine Verformung der Hülse, sondern sie verkürzen lediglich die wirksame Länge der Hülse. Dabei weiden die auftretenden Verformungen nicht reduziert, sondern ^ nur in ihrer relativen Lage verschoben. Eine nähere Darstellung dieser bekannten Anordnung ist in den F i g. 5a—5c gegeben.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden im folgenden mehrere Ausführungsbeispiele an Hand der fco Zeichnung beschrieben.

Fig. IA zeigt einen Schnitt durch den oberen Teil einer Kombination von Schlag- und Stoßwerkzeug.

Fig. IB zeigt einen Schnitt durch den mittleren Teil dieses Werkzeugs einschließlich der neuen Ventilhülse, die in der Ventilsitzstrecke positioniert ist.

Fig. IC zeigt einen Schnitt durch den unteren Teil des Werkzeugs.

Fig.2 zeigt einen Schnitt dwch das gesamte Werkzeug, wobei die Ventilhülse im Stoßbereich positioniert ist

Fig.3 zeigt eine perspektivische Ansicht teilweise geschnitten, der auf dem Innenteil placierten Ventilhülse.

Fig.4 zeigt eine Draufsicht der Ventilhülse und des Innenteils (Schnittlinie A-A F i g. 3).

Fig.5A ist eine Seitenansicht im Schnitt, die eine Ventilhülse der alten Art in gestrichelten Linien zeigt in der Ventilsitzstrecke. Die Pfeile zeigen die angenommene Druckverteilung entlang der inneren Dichtfläche des Außenrohrs einer solchen Hülse.

Fig.5B zeigt den Schnitt einer Seitenansicht der Ventilhülse aus Fig.5A. Die Pfeile geben eine Vorstellung der Druckverteilung entlang der inneren und äußeren Oberfläche der Ventilhülse dieser früheren Ausführung.

Fig.5C zeigt im zusammengesetzten Schnitt die Ventilsitzstrecke und die frühere Ventilhülsenausführung sowie die angenommenen auftretenden Verformungen, wenn die Ventilhülse durch die Ventilsitzstrekke in die freie Schlagstrecke gezogen wird.

Fig.6A zeigt einen Seitenschnitt der neuen Ventilhülse, in gestrichelten Linien, innerhalb der Ventilsitzstrecke. Die Pfeile zeigen die angenommene Druckverteilung entlanj, der inneren Fläche des Rohres.

F i g. 6B zeigt im Schnitt die Ventilhülse aus F i g. 6A. Die Pfeile zeigen die angenommene Druckverteilung entlang der inneren und äußeren Oberfläche der Ventilhülse.

F i g. 6C zeigt im zusammengesetzten Schnitt der Ventilsitzstrecke und der Ventilhülse die angenommenen Verformungen, wenn die neue Ventilhülse durch die Ventilsitzstrecke in die freie Schlagstrecke hineingezogen wird.

Fig. 7 ist eine perspektivische Darstellung, teilweise geschnitten, und zeigt eine Alternativausführung der Ventilhülse auf dem Innenteil.

Fig. 8 zeigt eine Draufsicht der Ventilhülse und des Innenteils im Schnitt entlang der Linie A -A aus F i g. 7.

Fig.9 zeigt ähnlich wie Fig.8 eine weitere Ausführung der Ventilhülse.

Fig. 10 zeigt eine Draufsicht der Hülse und des Innenteils im Schnitt entlang der Linie A-A aus F i g. 9.

Das in Fig. IA, IB, IC dargestellte Werkzeug 1 enthält einen Außenkeilkörper 2 mit einer Gewindemuffe 3 am oberen Ende zur Verbindung mit dem oberen Bohrgestänge (nicht gezeigt) und mit einer zweiten Gewindemuffe 4 am unteren Ende zur Verbindung mit einem rohr- bzw. stangenförmigen Innenteil 5. Der Außenkeilkörper 2 läuft in einem Innenkeilrohr 6, das mit einem Innengewinde am unteren Teil versehen und mit dem Außenrohr 7 verbunden ist. Die Keilverzahnung 2a, 6b der Keilkörper 2 und 6 greift ineinander und gestattet eine longitudinal Bewegung der Teile 5 und 7 relativ zueinander, verhindert aber, daß diese Teile relativ zueinander Rotationsbewegungen ausführen können. Das Außenrohr 7 trägt Dichtungen 8, z. B. O-Ringe, an der inneren Oberfläche des oberen Gewindezapfenendes 9. Das Innenteil 5 reicht abwärts durch die relativ enggepaßte Bohrung 10 des Zapfenendes in das Außenrohr 7. Die Dichtung 8 bewirkt eine hochdruckfeste Dichtung zwischen Außenrohr 7 und Innenteil 5.

Das Außenrohr 7 weist eine freie Schlagstrecke Il mit einem relativ weiten Innendurchmesser und kurzer Länge, eine Ventilsitzstrecke 12 mit reduziertem

Innendurchmesser und eine freie Stoßstrecke 13 mit relativ weitem Durchmesser und vergrößerter Länge auf. Die Streckenabschnitte 11, 12 und 13 ergeben zusammen mit dem Innenteil eine hydraulische Druckkammer, im folgenden Hydraulik-Kammer genannt. Die untere Schulter 30 des oberen Rohrgewindezapfenendes 9 bildet einen Amboß. Auf dem unteren Ende des Innenteils 5 ist eine bewegliche Dichtung 14 montiert, die aus einem zylindrischen Messingkörper 14a mit O-Ringen 146 in inneren und äußeren Eindrehungen besteht. Die Dichtung 14 füllt im wesentlichen den Ringraum zwischen Innentei! 5 und Außenrohr 7 aus, so daß die O-Ringe 146 eine Flüssigkeitsabdichtung sicherstellen. Eine Schulter oder Zapfen 15 begrenzt die Aufwärtsbewegung der Dichtung 14. Die Schulter 16 eines an das untere Ende des Außenrohrs 7 angeschraubten unteren Außenrohrs 17 begrenzt den Abwärtshub der Dichtung 14.

Die vorliegende Erfindung kann sowohl bei einem kombinierten Schlag- und Stoßwerkzeug als auch bei einem reinen Schlagwerkzeug verwendet werden. Es ist für den Fachmann einsichtig, daß die untere Stoßsektion des Werkzeugs fortgelassen werden kann, wenn nur eine Schlagarbeit erforderlich ist.

Das Innenteil 5 ist mit einer Ventilschulter 18 versehen, die z. B. durch ein aufgeschraubtes Element gebildet wird. Dieses Element hat eine geschliffene Fläche 19 zur Erzielung einer dichten Ventilverbindung. Das Innenteil 5 weist auch axial oberhalb der Ventilschulter 18 einen ringförmigen Ventilanschlag 20 auf. Dieser obere Ventilanschlag 20 arbeitet auch als Hammer, wenn er gegen den Amboß am oberen Ende 30 der freien Schlagstrecke schlägt. Zwischen der Ventilschulter 18 und dem oberen Ventilanschlag 20 ist die Oberfläche des Innenteils 5 mit axialen Anflächungen 21 versehen.

Eine Hülse 22 (z. B. aus Messing) ist auf dem Innenteil 5 zwischen dem Ventilanschlag 20 und der Ventilschulter 18 verschiebbar montiert. Eine untere Fläche 23 der Ventilhülse 22, z. B. die Stirnseite, ist so geschliffen, daß eine flüssigkeitsdichte Abdichtung zwischen den Flächen Ί9 und 23 gewährleistet ist, wenn die Hülse 22 gegen die Ventilschulter 18 gedruckt wird. Zwischen den Anflächungen 21 des Innenteils 5 und der inneren Oberfläche 25 der Hülse 22 ist ein axialer Durchflußweg 24 vorgesehen. Die Hülsenwand ist am oberen Ende der Hülse 22 mit einer oder mehreren radialen Öffnungen 26. wie z. B. die gezeigten Einkerbungen, versehen. Wenn sich die Hülse 22 in der Ventilsitzstrecke 12 befindet, ist zwischen der äußeren Oberfläche der Hülse 22 und der inneren Oberfläche dieser Sektion des Außenrohrs 7 nur eine sehr enge Durchflußstrecke 27 vorhanden. Nahe zum unteren Ende der Hülse 22 sind eine oder mehrere radiale Öffnungen 28 als Bohrungen durch die Hülsenwand geführt Diese Bohrungen stellen eine Verbindung zwischen den axialen Durchflußwegen 24 und der axialen Durchflußstrecke 27 im Ringraum sicher.

In Fig. 2 ist das vollständige Werkzeug 1 und in den Fig. 3 und 4 vergrößerte Ansichten des Hülsenbereiches dargestellt.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise der radialen öffnungen 28 am unteren Ende der Hülse 22 soll nachfolgend beschrieben werden, welche Vorgänge im Werkzeug 1 ablaufen, wenn die Hülse 22 während des Schlaghubes durch die Ventilsitzstrecke 12 in die freie Schlagstrecke 13 gezogen wird.

In Fig.5A, 5B und 5C — die bekannte Ausführung der Hülsenanordnung zeigend — wird eine Hochdruckzone in der freien Schlagstrecke 11 aufgebaut. Dieser Druck wird in der DurchHußstrecke 27 von der Hochdruckzone der Schlagstrecke 11 bis zur Niederdruckzone unter der Hülse 22a abgebaut. Demzufolge ist entlang der vollen Länge der axialen Durchflußwege 24 ein hoher Druck vorhanden. Durch diese Druckverteilungen wird das Außenrohr 7 nahe dem oberen Ende der axialen Durchflußwege 24 nach außen hin verformt. Die Hülse 22a wird auch nach außen hin gedehnt, aber nur an ihrem unteren Ende. Dies wird durch Untersuchungen an Ventilhülsen dieser bekannten Ausführung nach ihrem Gebrauch bestätigt. Sie sind normalerweise nur am unteren Ende verschlissen.

F i g. 6A, 6B und 6C zeigen nun die Druckverteilung, die sich für die neue Hülsenausführung ergibt. Der hohe Druck wird durch die radialen öffnungen 28 von den axialen Durchflußwegen 24 zum unteren Ende der Durchflußstrecke 27 übertragen, wodurch das Außenrohr 7 an diesem Punkt gedehnt wird und den Druck entlang der Hülsenwand nahe der öffnung 28 ausgleicht. Dadurch wird ein Aufwölben des unteren Hülsenendes 22 reduziert.

Bei der Erprobung wurde festgestellt, daß der Verschleiß an der neuen Ventilhülse 22 vernachlässigbar ist und die Zeit, die die Ventilhülse 22 benötigt, um durch die Ventilsitzstrecke 12 während des Schlaghubes gezogen zu werden, während einer längeren Nutzzeit konstant blieb.

In den alternativen Ausführungen der Erfindung, die in F i g. 7 und 8 gezeigt werden, verlaufen Bohrungen 28a vom oberen Ende 20 der Hülse 22 zu einem Bereich nahe dem unteren Ende der äußeren Oberfläche 31. Diese Bohrungen 28a stellen eine Verbindung zwischen der freien Schlagzone 11 der Hydraulik-Kammer und dem unteren Teil der Durchflußstrecke 27 her.
In einer weiteren Ausführung, die in den Fig. 9 und 10 gezeigt wird, sind Längsnuten 28/) in die äußere Oberfläche der Hülse 22 eingebracht, die vom oberen Bereich der Hülse 22 nahe ihrem Ende 30 zum unteren Ende der Hülsenoberfläche 31 verlaufen.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Hydraulisches Schlagwerkzeug mit einem in einem Außenrohr teleskopisch verschiebbaren Innenteil, mit einer zwischen Außenrohr und Innenteil gebildeten, mit hydraulischer Arbeitsflüssigkeit gefüllten, beidseitig abgedichteten Kammer, die hintereinander angeordnet eine Ventilsitzstrecke und eine mit größerem Durchmesser versehene freie Schlagstrecke aufweist, und mit einer ringförmigen Ventilschulter und einem gegenüber der Ventilschulter axial versetzten Ventilanschlag am Innenteil, zwischen denen eine auf dem Innenteil geführte Hülse frei beweglich ist, wobei zwischen Hülse und Innenwandung des Außenrohres eine engere Durchflußstrecke und zwischen Hülse und Innenteil ein vergleichsweise weiterer, zur Schlagstrecke hin zugänglicher Durchflußweg gebildet sind, der während des Schlaghubes durch Anlegen des der ringförmigen Ventilschulter zugewandten Endes der Hülse an eine entsprechend ausgebildete Fläche der Ventilschulter abdichtbar ist, und wobei die Hülse mit einer oder mehreren Öffnungen versehen ist, die die freie Schlagstrecke mit der engeren Durchflußstrecke verbinden, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (28) auf der Seite der engeren Durchflußstrecke (27) im unteren, der freien Schlagstrecke (II) abgewandten Bereich aus der Hülse (22) austreten bzw. dort enden.

2. Schlagwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (28) Bohrungen sind, die die Hülsenwandung durchdringen und die freie Schlagstrecke (11) und/oder den weiteren Durchflußweg (24) mit der engeren Durchflußstrekke (27) verbinden und nahe dem der Ventilschulter (18) zugewandten Ende (23) der Hülse in die engere Durchflußstrecke (27) münden.

3. Schlagwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen Längsnuten (28tysind, die sich in der Hülsenoberfläche (31) vom oberen Ende der Hülse bis oberhalb des unteren Hülsenendes erstrecken.