DE2517613C3

DE2517613C3 - Bohrlochwerkzeug sowie Verfahren zum Befestigen und Lösen eines Bohrlochwerkzeugs auf bzw. von einem Bohrgestänge

Info

Publication number: DE2517613C3
Application number: DE2517613A
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr.-Ing. Juergens; Alfred Ostertag
Original assignee: Christensen Diamond Products Co
Current assignee: Norton Christensen Inc
Priority date: 1974-05-01
Filing date: 1975-04-21
Publication date: 1979-01-11
Also published as: JPS5243601B2; DE2517613B2; FR2269630A1; FR2269630B1; DE2517613A1; JPS50141501A; CA1016934A; US3938853A

Description

Die Erfindung betrifft ein Bohrgestängeteil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Beim Rotationsbohren von Bohrlöchern kann das Bohrgestänge, das aus Schwerstangen und Bohrgestängeteilen besteht, mehrere Kilometer lang sein. Da der Durchmesser der Bohrgestängeteile im Vergleich mit deren Länge relativ klein ist, sind diese Teile sehr flexibel. Beim Bohren ist außerdem der untere Teil des Bohrgestänges nahe dem Bohrkopf komprimiert, damit auf den am unteren Teil des Bohrgestänges befindliche

Bohrkopf Druck ausgeübt wird. Der untere Teil neigt deshalb beim Bohren dazu, eine abgelenkte oder gebogene Form anzunehmen.

Die abgelenkte Schwerstange kann die Bohrlochwand berühren, wodurch ein Verschleiß der Schwerstangen verursacht wird. Da der Bohrkopf starr mit den Schwerstangen verbunden ist, kann er außerdem in eine Richtung zeigen, die von der gewünschten Richtung des Bohrloches abdeicht Die Stelle oder die Stellen, an der bzw. an denen die Schwerstangen die Bohrlochwand berühren, bestimmen eine am Bohrkopf auftretende Querkraft. Auch diese Querkraft kann den Bohrkopf von der gewünschten Bohrrichtung abbringen.

Zur Beseitigung dieses Nachteils sind Bohrgestängestabilisatoren benutzt worden. Die Wirksamkeit der Stabilisatoren ist jedoch durch die Art ihrer Anbringung auf dem Bohrgestänge beschränkt Eine Methode besteht darin, Stabilisatorrippen durch Aufschweißen auf einer Schwerstange zu befestigen. Dies ist jedoch normalerweise unerwünscht, weil die Schweißnaht aufreißen kann und große Metaiistücke im Bohrloch verbleiben können. Außerdem können die einmal auf der Schwerstange angebrachten Rippen nicht wieder an andere Stellen des Bohrgestänges versetzt werden.

Es gibt auch integrierte Blattstabilisatoren, die aber den Nachteil haben, daß wenigstens eine zusätzliche Schwerstangenverbindung benötigt wird, da sie auf einer zusätzlichen, kurzen Stange angebracht sind oder mit ihr ein integriertes Teil bilden. Dadurch kann es noch schwieriger werden, Teile des Bohrgestänges zurückzuholen, wenn der Bohrstrang im Bohrloch unterbrochen wird. Es kann auch vorkommen, daß Stangen nicht in der gewünschten Länge an der Bohrstelle vorhanden sind, so daß ein Versetzen der Stabilisatoren nur unter großem Zeitverlust möglich ist

Für bestimmte Bohrbedingungen kann die optimale Lage der Stabilisatoren auf den Schwerstangen vorherbestimmt werden, um die Schwerstangen außer Kontakt mi» der Bohrlochwand zu halten und den Bohrkopf zwangsweise in die gewünschte Richtung zu lenken. Wenn die Verteilung der Stabilisatoren entlang der Schwerstangen nicht richtig erfolgt, kann das die Schwerstangen übermäßig beanspruchen. Werden die Stabilisatoren zu weit voneinander entfernt angebracht, verhindern sie nicht die Berührung -*er Schwerstangen mit der Bohrlochwand, so daß die Schwerstangen durch die Reibung verschleißen. Wenn die richtige Anordnung der Schwerstangen nicht eingehalten wird, verliert man auch die Kontrolle über ö? Bohrrichtung.

Es is¹ vorgeschlagen worden. Stabilisatoren oder dergleichen auf Bohrges'ängeteile aufzuschrumpfen. Solche Stabilisatoren können entlang dem Bohrstrang an vorherbestimmten Stellen eingefügt werden, indem an diesen Stellen besondere Verbinder vorgesehen sind, auf die die Stabilisatoren aufgeschrumpft werden. Versetzungen der Stabilisatoren können jedoch nicht leicht vorgenommen werden, insbesondere nicht am Bohrturm. Außerdem sind für das Aufschrumpfen einer Stabilisatorenhülse auf einer Stange exakte, konische Oberflächen auf dem Verbinder und auch in der Stabilisatorhülse unter Einhaltung enger Toleranzen erforderlich, damit sie genau zueinander passen.

Es sind auch Abriebschutzmanschetlen aus elastl· schem Kunststoff für Bohrgestängerohre bekannt (DE-AS 10 84 217), die auf dem zylindrischen Teil der Gestängerohre angebracht werden können, also keine besonderen Verbinder wie die bekannten aufschrumpfbaren Stabilisatoren erfordern. Die Abriebschutzmanscheuen können jedoch die Anforderungen an die Festigkeit etc. nicht annähernd so gut erfüllen wie die aufschrumpfbaren Stabilisatoren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Bohrlochwerkzeuge — wie beispielsweise Stabilisatoren — zu schaffen, die die Fesligkeits- und Abriebeigenschaften der aufschrumpfbaren Bohrlochwerkzeuge mit den vielseitigen Befestigungsmöglichkeiten der Abriebschutzmanschetten vereinen. Diese Aufgabe wird durch

ίο die im Anspruch 1 beschriebene Erfindung gelöst Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Geräte und Verfahren zum Aufschrumpfen von Bohrlochwerkzeugen auf Bohrgestängerohren sind an sich bekannt (US-PS 22 63 638; DE-OS 23 11 359) bzw. bereits vorgeschlagen worden. Für das Aufschrumpfen und Lösen des erfindungsgemäßen Uohr'ochwerkzeugs ist in den Ansprüchen 13 bzw. 14 ein vorteilhaftes Verfahren angegeben.

Mittels der vorliegenden Er*" Jung kann eine Stabiiisatorhüise oder eine Verschiairhüise (nachfolgend auch als Verschleißschützer bezeichnet) oder ein Räumer an jeder gewünschten Stelle auf einer aus einem Stück bestehenden Schwerstange mit zylindrischer Oberfläche montiert werden. Es sind hierzu keine getrennten Verbinder bestimmter Länge und Form erforderlich, da die Hülse direkt auf der Schwerstange angebracht wird. Deshalb entfällt die schwierige Ausführung einer exakten konischei< Oberfläche auf einem Verbinder. Wenn die Hülsen Stabilisatoren sind, können sie bei Anwendung der Erfindung in optimalen Abständen angeordnet werden, so daß die Schwerstangen die Bohrlochwand nicht berühren, und daß sie dem Bohrkopf die richtige Richtung geben und ihn in die gewünschte Richtung zwingen. Falls die Bohrbedingungen sich ändern, womit eine andere räumliche Anordnung der Stabilisatoren entlang der Schwerstangen erforderlich wird, können die Stabilisatoren leicht von der Oberfläche der Schwerstangen gelöst und an den gewünschten Stellen wieder angebracht werden. Ein Stabilisator kann auch auf der untersten Schwerstange direkt oberhalb des Bohrkopfes montiert werden, wie dies zur Verhinderung des Abweichens des Bohrkopfes von der gewünschten Richtung erwünscht ist. Neben der leichten örtlichen Veränderbarkeit können die Stabilisatoren oder verschleißschützenden Vorrichtungen oder Räumer in einfacher Weise von dem Bohrgestänge entfernt und durch entsprechende neue Vorrichtung ersetzt werden. Dieser Ersatz kann

so schnell und leicht am Bohrturm vorgenommen werden.

Durch die Möglichkeit, die Stabilisatoren an fan optimalen Punkten entlang der Schwerstangen an-7uor inon, kann ein höheres Gewicht für den Bohrkopf benutzt werden. Dadurch erhöht sich die durchbohrte Strecke, wodurch die Meterkosten für da> Bohrloch niedriger sind. Diese Kosten werden weiterhin auch dadurch ermäßigt, daß der Bohrkopf nun eine längere Strecke bohren kann.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der

bo Zeichnung näher erläutert. Es zeigt;

F i g. 1 eine Ansicht des Unteren Teils eines Rotations-Bohrgestänges mit darauf montierten Stabilisatoren als Anwendungsbeispiel der Erfindung,

Fig.2 einen vergrößert dargestellten Längsschnitt

6^r> entlang der Linie 2-2 aus F i g. 1,

F i g. 3 einen vergrößerten Schnitt in der Schnittebene 3-3 aus F i g, 2,

F t g. 4 einen Längsschnitt in der Schnittebene 4-4 aus

Fig. 2,

Fig.5 eine Darstellung der Montage einer Stabilsatorhülse an einer gewünschten Stelle auf einer Schwerstange,

Fig.6 eine Darstellung ähnlich Fig.4 bei Anwendung der Erfindung auf eine Verschleißhülse, die auf eine Schwerstange montierI ist,

F i g. 7 eine andere Möglichkeit der Erfindung ähnlich Fig. 2,

F i g. 8 einen vergrößerten Schnitt in der Schnittebene 8-8 der F i g. 7,

F i g. 9 eine weitere Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 10 einen Querschnitt in der Schnittebene 10-10 aus F i g. 9 und

Fig. 11 eine Darstellung der Innenhülse aus Fig.9 und 10,

Fig. 12 - 15 weitere Ausführungsformen der Erfindung.

In F i g. 1 ist der untere Teil eines Bohrgestänges (Bohrstranges) 10 dargestellt, dessen Ende durch einen Bohrkopf (Bohrmeißel) 11 gebildet wird, der das Bohrloch 12 erzeugt. Die Schwerstangen 13 sind in bekannter Weise über Gewinde miteinander verbunden. Die oberste Schwerstange ist mit einem Bohrrohr (nicht dargestellt) verbunden, daß bis zum Bohrgerät (nicht dargestellt) reicht, und durch welches der gesamte Bohrstrang gedreht wird, um eine Rotation des Bohrwerkzeuges zu bewirken, und welches das für das Bohren erforderliche Drehmoment überträgt. Auf den Schwerstangen 13 sind in vorbestimmten Positionen Stabilisatoren 14,15 und 16 angeordnet. Wie noch näher erläutert wird, ist an der untersten Schwerstange 13 unmittelbar über dem Bohrmeißel 11 ein Meißelstabilisator 14 angeordnet. In einer vorbestimmten Lage ist darüber der zweite Stabilisator 15 fest mit der Schwerstange 13 verbunden. Noch weiter höher ist auf der Schwerstange ein dritter Stabilisator 16 fest mit der Schwerstange verbunden. Der mittlere Stabilisator 15 ist etwa 5 Meter und der obere Stabilisator 16 etwa 18 Meter oberhalb des Bohrmeißels 11 angeordnet.

Der Abstand variiert in Abhängigkeit von den Bohrbedingungen und der zu bohrenden Formation.

Jeder der genannten Stabilisatoren 14, 15,16 enthält gemäß F i g. 2 eine Innenhülse 17 mit einer zylindrischen Innenoberfläche 18 entsprechend dem zylindrischen Umfang 19 der Schwerstange 13. Die Außenoberfläche 20 der Innenhülse 17 ist konisch oder kegelig mit einem kleinen Winkel zur Hülsenachse ausgebildet Beispielsweise kann der Kegelwinkel etwa zwischen 1 '/2° und 4° betragen. Auf der Innenhülse YI ist eine Außenhülse 21 befestigt die eine konische oder kegelige, der Außenoberfläche 20 der Innenhülse angepaßte Innenoberfläche 22 besitzt Die Außenhülse 21 ist wie in F i g. 1 — 5, als Stabilisator ausgebildet Sie weist, über ihren Umfang verteilt in Richtung zur Längsachse verlaufende Spiralrippen 23 auf, die die Wand des Bohrloches 12 berühren. Die Rippen 23 tragen an ihren Außenflächen vorzugsveise ein verschleißfestes Material 24, um möglichst wenig Abtrieb während des Bohrens zu haben. Die Rippen können als Schneiden mi ausgebildet sein, um das Bohrloch im Maß zu halten.

Wie in F i g. 3 zu erkennen ist ist die Innenhülse 17 an einer Stelle durch einen Längsschnitt 25 vollständig aufgetrennt um die Hülse in radialer Richtung weiten zu können. Damit ist sichergestellt daß ihre Innenoberfiä- i.s ehe 18 auch bei kleineren Abweichungen bezüglich des Umfanges 19 der Schwerstange 13 auf dessen Umfang anliegt Demgegenüber weist die Außenhülse 21 keinen entsprechenden Längsschnitt auf und ist deshalb über ihren gesamten Umfang zusammenhängend ausgeführt. Ihre Innenoberfläche 22 ist so ausgebildet, daß eine ReibschluDverbindung mit der konischen Außenfläche

20 der Innenhülse hergestellt ist. Die Außenhülse 21 ist auf die Innenhülse 17 aufgeschrumpft und bewirkt, daß diese ihrerseits durch Schrumpfsitzverbindung auf der Schwerstange 13 befestigt ist, wobei der Schrumpfsitz — wie weiter unten in Verbindung mit F i g. 5 beschrieben — hydraulisch herbeigeführt wird.

Wie Fig.4 zeigt besitzt die Außenhülse 21 einen Dichtungsring 30 aus elastomerem Material, der umfangsmäßig die oberen und unteren Dichtungsringteile 31,32 umfaßt von denen jeder Teil etwas weniger als 360° des Umfanges der Außenhülse 21 umschließt. Den auf dem Umfang verlaufenden Teilen 31, 32 schließen sich nebeneinanderliegende, in axialer Richtung verlaufende Dichtungsringteile 33, 34 an, die sich an den beiden gegenüberliegenden Seiten des erwähnten Längsschnittes 25 der Innenhülse 17 erstrecken Die Teile 31, 32 des Dichtungsringes 30 sind in innere, auf dem Umfang verlaufende Nuten 35, 36 eingelegt, die in Längsnuten 37, 38 der Außenhülse 21 einmünden, welche die Dichtungsringteile 33, 34 aufnehmen. Die oberen und unteren Dichtungsringteile 31, 32 liegen abdichtend auf dem Umfang der Innenhülse 17 an, und zwar in iinmittelbarer Nähe des oberen und unteren Endes der Außenhülse 21. Die Dichtungsringteile 33,34 dichten die Außenoberfläche 20 der Innenhülse 17 an den gegenüberliegenden Seiten des Schlitzes 25 ab.

Durch eine Öffnung 40, die durch die Wandung der Außenhülse 21 führt, kann eine Druckflüssigkeit in den abgedichteten Raum eingeleitet werden. Der druckbeaufschlagte Raum wird durch den Dichtungsring 30 begrenzt so daß der hydraulische Druck eine Aufweitung der Außenhülse 21 und ein Zusammendrücken der innenhülse 17 bewirkt Während der Aufweitung der Außenhülse 21 und des Zusammendrückens der innenhülse 17 werden die beiden Hülsen relativ zueinander in axialer Richtung verschoben, wobei die Innenhülse 17 tiefer in die Außenhülse 21 eingeschoben wird. Die Relativbewegung in axialer Richtung wird durch die Dehnung der Außenhülse 21 ermöglicht. Nachdem der hydraulische Druck unter der Außenhülse

21 auf die gewünschte Höhe gebracht worden ist und die beiden Hülsen relativ zueinander axial verschoben sind, wird der Flüssigkeitsdruck abgelassen. Dabei geht die Dehnung der Außenhülse 21 zurück und es entsteht eine feste und sichere Reibschlußverbindung (Schrumpfsitz) mit der Oberfläche 20 der Innenhülse 17, wobei aur^die Innenhülse 17 in eine feste Reibschlußverbindung auf dem Umfang 19 der Schwerstange 13 übergeht

Die Kombination von Innen- und Außenhülse 17, 21 ist also durch Reibschluß im Schrumpfsitzverband mit der Schwerstange 13 verbunden und kann, ohne zu rutschen, die während des Bohrens im Bohrloch auftretenden Drehmomente und Axialkräfte übertragen, denen die Stabilisatoren ausgesetzt sind.

Der Schrumpfsitz kann verstärkt werden und durch Reinigung der äußeren und inneren Kegelfläche 20,22 und der Innenoberfläche 18 der Innenhülse 17 und durch Reinigung der Oberfläche der Schwerstange 13, auf welche die Stabilisatoreinrichtung montiert werden soll, und durch anschließendes Bestreichen der gereinigten Oberfläche mit einem geeigneten reibungserhöhenden MateriaL Beispielsweise kann dieses Material aus 10 VoL-% in Leichtöl suspendiertem Wolframkarbidpulver einer Größe von 200 U. S. Mesh bestehen. Die Hülsen

werden sodann wie oben beschrieben auf die Schwerstange 13 an der gewünschten Stelle montiert. Der hydraulische Drück wird zwischen Innen- und Außenhülse 17, 21 aufgebracht, die in entgegengesetzter Richtung hinsichtlich ihrer Kegel ineinandergeschoben werden, wonach def Drück abgelassen wird und sich der Schrum^sitzverbarid zwischen Innen- und AuDenhülse 17,21 und zwischen Schwerstange 13 und Innenhülse 17 ausbildet.

Uni die Verteilung der Druckflüssigkeit und des Druckes über die gesamte Fläche der Außenhülse 21, begrenzt durch die Dichtungsringteile 30, sicherzustellen, steht die öffnung (Einlaßöffnung) 40 der Außenhülse 21 mit einer Innennut 41 in der Außenhülse 21 in Verbindung. Diese Nut (Ölverteilungsnut) verläuft bis nahe an die Längsnuten 37, 38, die die axialen Dichtungsringteile 33, 34 enthalten. Eine axial verlaufende !nnsrüiwi 42 erstreckt sich ebenfalls vnn Hpr Einlaßöffnung aus in beide Richtungen auf die oberen und unteren umlaufenden Dichtungsringteile 31,32. Die oberen und unteren Bereiche dieser Innennut 42 stehen in Verbindung mit oberen und unteren umlaufenden Nuten 43, 44, welche sich über die Innenoberfläche der Außenhülse 21 über die gleiche Ausdehnung, wie die zentrale Innennut 41, erstrecken. Durch die genannten umlaufenden und axial angeordneten Nutenanordnungen (ölverteilungsnuten) ist sichergestellt, daß der Flüssigkeitsdruck über die gesamte innere Fläche der Außenhülse 21 ausgeübt wird. Er ist begrenzt durch die Dichtu .gsringteile 30. um eine gleichmäßige Dehnung der Außenhülse 21 während der Montage auf die Innenhülse 17 und während des Verkeilens von Innen- und Außenhülse zu erreichen.

In Fig.5 ist eine Vorrichtung zur Herstellung einer Schrumpfsitzverbindung (Reibschlußverbindung) von Innenhülse 17 und Stabilisatorhülse auf der Schwerstange 13 dargestellt. Die geschlitzte Innenhülse 17 wird auf die Schwerstange 13 aufgebracht Daraufhin wird die Außenhülse 21 auf die Innenhülse 17 aufgeschoben und so weit hochgeschoben, bis die Dichtungsringteile 30 die Außenoberfläche (Kegelfläche) 20 der Innenhülse 17 abdichten. Eine obere Platte 50 mit einer zentralen Bohrung 51, durch welche die Schwerstange 13 geführt ist, wird bis zum Anschlag mit dem äußeren Ende 52 der Innenhülse 17 gebracht. Eine zweite untere Platte 53 mit einer Bohrung 54, welche von der anderen Seite über die Schwerstange 13 geführt ist, wird zum Anschlag mit dem Ende 55 der äußeren Hülse 21 gebracht. Sodann werden Zugstangen 56, die mit Gewindeenden 57 versehen sind, durch Bohrungen 58 der unteren Platte 53 und durch die fluchtenden Bohrungen 59 der oberen Platte geschoben. Diese Zugstangen sind mit Zylinderkolben 60 innerhalb von Zylindern 61 verbunden, die gegen das untere Ende der unteren Platte 53 zum Anschlag gebracht werden. Über die Gewindeenden 57 der Zugstangen 56 werden Distanzstücke 62 bis an die obere Fläche der oberen Platte 50 geführt Danach werden passende Muttern 63 auf die Gewindeenden 57 der Zugstangen 56 geschraubt, um die Distanzstücke 62 fest gegen die obere Platte 50 zu drücken.

Ein Druckanschluß 65 ist über die Öffnung 40 mit der Außenhülse 21 verbunden. Eine Druckleitung 66 führt von dem Druckanschluß 65 zu einem Steuerventil 67. Ähnlich führt eine Druckleitung 68 von den Zylindern 6t zum Steuerventil 67, das ein Kontrollmanometer 69 besitzt um den Druck in den Druckleitungen anzuzeigen. Der hydraulische Druck wird durch eine geeignete hydraulische Pumpe 70, die von Hand über einen Handhebel 71 betrieben werden kann, erzeugt. Der von der hydraulischen Pumpe 70 erzeugte Druck wird durch die Druckleitung 66 und durch die öffnung 40 unter die Außenhülse 21 geleitet. Gleichzeitig wird Druckflüssigkeit in die Zylinder 61 geführt, wodurch sie gegen die untere Platte 53 gedrückt werden und der Zylinderkolben 60 und die Zugstangen 56 relativ nach unten gezogen werden, so daß die Stangen 56, die Distanzstükke 62 und die Muttern 63 zum Anschlag gegen die obere Platte 50 gezogen werden. Dabei bewegt die obere Platte 50 die Innenhülse 17 axial in Richtung ihres Außenkegels, während die Zylinder 61 gleichzeitig die Außenhülse 21 in die entgegengesetzte Richtung bewegen. Der Druck wird erhöht, um die Außenhülse 21 weiter zu dehnen, während die Außen- und Innenhülse axial gegeneinander verschoben werden. Dadurch wandert die Außenhülse 21 nach oben entlang der konischen b?^w Wegeligpn Anßpnoberfläche 20 der innenhülse 17, bis der gewünschte Druck erreicht ist. Der gewünschte Druck kann beispielsweise in einem Bereich von 500 — 1000 bar liegen. Der Druck wird danach abgelassen, so daß die Außenhülse 21 schrumpft und der Schrumpfsitzverband die Innenhülse 17 gegen den Umfang (Außenfläche) 19 der Schwerstange 13 drückt. Es entsteht ein Schrumpfsitzverband zwischen Außenhülse 21 und Innenhülse 17 auf der Schwerstange 13. Die Reibungskräfte zwischen den Teilen sind verhältnismäßig groß. Sie können die Drehmomente und Axialkräfte, die von der Schwerstange 13 auf die Innenhülse 17 und die Außenhülse 21 bei Verwendung der Montageeinrichtung übertragen werden, aufnehmen. Die Montagevorrichtung kann sodann gelöst und von der Schwerstange abgenommen werden.

Für den Fall, daß die Stabilisierungseinrichtung von der Schwerstange 13 demontiert werden soll, kann die Montageeinrichtung in umgekehrter Anordnung wie dargestellt eingesetzt werden. Die Platte 50 kommt nun zur Anlage mit dem unteren Ende 52a der Innenhülse 17 und die Platte 53 mit dem oberen Ende 55a der Außenhülse. Der Druck wird über die Pumpe durch öffnung 40 zugeführt und läßt die Außenhülse 21 expandieren, während gleichzeitig die Platten 50,53 die Innenhülse 17 nach oben und die Außenhülse 21 nach unten zum Entkeilen führen und die Hülsen voneinander lösen und auch ein Lösen der Innenhülse 17 von der Schwerstange 13 bewirken.

In dem in F i g. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Außenhülse 21a als Verschleißschützer (Verschleißhülse) ausgebildet, der mit Ringen ,(Panzerringe) 21 b versehen ist deren Oberfläche verschleißfestes Material wie Wolframkarbid enthält. Die Innen- und Außenhülsen 17,21a haben den gleichen Aufbau wie bereits im Zusammenhang mit der Stabilisatoreinrichtung dargestellt und beschrieben. Sie können in gleicher Weise auf eine Schwerstange 13 an einer gewünschten Stelle montiert werden. Normalerweise berührt nicht jede Verschleißhülse 21a die Bohrlochwandung. Jedoch werden auch eine oder mehrere Hülsen auf die Schwerstange oder Schwerstangen an erforderlichen Stellen montiert, um sicherzustellen, daß die Schwerstange nicht mit der Bohrlochwand in Berührung kommt Dies würde nämlich während der Rotation des Schwerstangenstranges Verschleiß hervorrufen, sofern dieser infolge der Belastung des Bohrmeißeis Druckbeiastungen ausgesetzt ist

Obwohl es vorteilhaft ist, eine geschlitzte Innenhülse 17 einzusetzen, kann diese auch ungeschlitzt sein und dennoch ihre Aufgabe in gewünschter Weise erfüllen, da

sie normalerweise verhältnismäßig dünn im Vergleich zur Außenhülse und deshalb deformierbar ist. Sofern die Innenhülse 17 nicht geschlitzt ist, werden die axial angeordneten Dichtungsringteile an der Außenhülse nicht benötigt. Der bereits erwähnte obere und der untere Dichtungsringteil und ihre zugeordneten Nuten sind dann kon'muierlich ohne Unterbrechung umlaufend ausgebildet

In den Ausführungsformen der Erfindung gemäß Fig.7 — 10 ist anstatt der Innenhülse 17 mit einem einzigen Längsschnitt 25 gemäß F i g. 3 eine Innenhülse 17a durch zwei gleiche Segmente oder Sektoren gebildet, wobei beide vorzugsweise genau die gleiche Ausdehnung von etwas weniger als 180° besitzen. Mit der geschlitzten Hülse, wie sie in F i g. 3 dargestellt ist, ergibt sich ein Ungleichgewicht in der radialen Druckbzw. Spannungsverteilung. Wird nämlich hydraulischer Druck zwischen Innen- und Außenhülse 17,21 gegeben, so wird dieser Druck seine expandierenden Kräfte mit Ausnahme eines relativ kleinen Bereiches zwischen den beiden in axialer Richtung verlaufenden Dichtungsringteilen 33, 34 über den Umfang der Hülse ausüben. Deshalb wird beim Aufbringen des hydraulischen Druckes zwischen Außen- und Innenhülse 21,17 in dem Bereich, der dem Schlitz 25 diametral gegenüberliegt, der Druck wirksam, während er in dem Bereich des Schl'tzes selbst nicht wirksam ist. Es gibt eine gewisse Dehnung der Außenhülse 21 im Bereich des Schlitzes 25, hervorgerufen durch die Expansion der Außenhülse 21 in dem dem Schlitz 25 benachbarten Bereich. Die Dehnung wird durch das Material der Außenhülse in dem Bereich, der den Schlitz überbrückt, übertragen. Daraus folgt, daß die expandierende Kraft an der Außenhülse 21 in der dem Schlitz gegenüberliegenden Richtung um ein mehrfaches größer ist als in Richtung des Bereichs zwischen den in axialer Richtung verlaufenden Dichtungsringteilen 33,34.

Nach Ablassen des Druckes schrumpft die Außenhülse 21 in dem Bereich, der dem Schlitz 25 gegenüberliegt, stärker gegen die Innenhülse 17 als im Bereich des Schlitzes 25 selbst. Beispielsweise beträgt bei einer 17'/2" (Außendurchmesser) Stabilisierungseinrichtung der Unterschied der Schrumpfkräfte im Bereich des Schlitzes und der diametral gegenüberliegenden Seite ungefähr 100 000 kp. Das entsprechende Ungleichgewicht bezüglich der radialen Spannung beträgt etwa 500 bar. Dadurch tritt eine Reibung (Fressen) an den sich berührenden Metallflächen an der dem Schlitz gegenüberliegenden Seite auf.

Um diese unerwünschte Reibung zu vermeiden, wird die in Fi g. 7 — 10 gezeigte Innenhülse 17a durch zwei einander gegenüberliegende Teile oder Abschnitte 17b, 17b gebildet Dadurch ergibt sich eine zweiteilige doppeltgeschlitzte Innenhülse, bei der die Schlitze (Längsschnitte) 25-25 einander diametral gegenüberliegen. Die zweiteilige Hülse 17a hat dieselbe zylindrische Innenoberfläche und auch dieselbe konische Außenoberfläche wie die Hülse mit einem Schlitz. Die äußere Stabilisatorhülse 21 ist im wesentlichen der in F i g. 1 — 4 dargestellten Ausführung gleich. Jedoch sind die Dichtungsringteile 30 abgewandelt worden. Wie in F i g. 7 und 8 gezeigt, besitzt die Außenhülse 21 obere und untere Dichtungsringnuten 35a,36a, an die sich axial verlaufende Nuten 37a, 38a anschließen, welche nahe der Längskanten der Halbschaien (Hüisenabschnitte 170, \7b) verlaufen. Ein zusammenhängendes Dichtungsteil 30a wird in diese Nuten eingelegt In axialer Richtung verlaufende Dichtungsteile 33a, 34a liegen in den Längsnuten ^7a, 38a pnd gehen in obere und untere Dichtungsringteile 31a, 32a und in die oberen und unteren Dichtungsringnuten 35a, 36a über. Es sind also jeweils ein paar Dichtungsringe und dazugehörigen Nuten vorgesehen, davon jeweils eine, um die einzelnen Halbschalen 1,7ban ihren Umfangsflächen abzudichten.

Durch eine Einlaßöffnung 40a und über Bohrungen

40b kann Druckflüssigkeit in die Außenhülse in die abgedichteten Bereiche eingelassen werden, die durch die Dichtungsringteile 30 der beiden Hülsenabschnitte 17b, 17b abgeschlossen sind. Der Flüssigkeitsdruck wird über das gesamte Innere der Außenhülsenfläche wirksam, soweit sie durch die Dichtungsringe der beiden Hülsenabschnitte i7b, 17b eingeschlossen ist. Mit der Erhöhung des Druckes dehnt sich die Außenhülse 21 aus und die beiden als Halbschalen ausgebildeten Hülsenaoschnitte 17b, 17b werden zusammengedrückt, während die Innen- und Außenhülse 17a, 21 axial gegeneinander verschoben werden. Als Folge davon bewegt sich die

innenhülse 17a relativ gesehen in dem benötigten Ausmaß nach unten in der Außenhülse 21. Das Ablassen des Druckes hat zur Folge, daß die Außenhülse 21 schrumpft und in einen Schrumpfsitzverband gegen die beiden gegenüberliegenden Halbschalen 17b, 17b der Innenhülse 17a geht.

Die Verwendung von zwei Hülsenabschnitten (Halbschalen) anstelle einer gemäß F i g. 3 einfach geschlitzten Hülse bewirkt die Aufhebung des obenerwähnten Ungleichgewichtes in bezug auf den radialen Druck

bzw. die radialen Spannungen, die bei einer einfach geschlitzten Hülse auftreten. In bezug auf F i g. 8 steht der radiale Druck zwischen dem oberen Hülsenabschnitt 17b und der Außenhülse 21 im Gleichgewicht mit dem radialen Druck, der zwischen der unteren Halbschale 17b und der Außenhülse 21 ausgeübt wird. Die Ausschaltung der nicht ausgeglichenen Kräfte, die bei der einfach geschlitzten Hülse auftreten, verhindert, daß die Kontaktflächen von Innenhülse und Außenhülse aufeinander reiben und sich abnutzen.

In den in F i g. 9 und 10 gezeigten Ausführungsformen der Erfindung ist ebenfalls die Anwendung uer geteilten oder doppeltgeschlitzten Hülse 17c vorgesehen. Anstatt jedoch, wie in F i g. 7 und 8, die Dichtungsringe 30b in der äußeren Hülse anzuordnen, sind sie an dem äußeren Teil der halbschaligen Hülsen angebracht Somit enthält die Innenfläche 22 der Außenhülse 21 keine Dichtungsnuten. Statt dessen sind die Nuten in den Halbschalen angeordnet Damit verlaufen die Dichtungsnuten 35b, 36b entlang der Außenfläche der Halbschalen und gehen in die gegenüberliegenden Längsnuten 37b, 38b über, die zwischen der oberen und unteren Nute verlaufen. Diese Längsnuten enden dicht an den oberen und unteren Begrenzungen der Halbschalen. Ein Dichtungsringteil 30b ist in die Dichtungsnuten der Halbschalen eingelegt, wobei das Dichtungsringteil vorzugsweise aus einem zusammenhängenden Stück eines elastomeren Materials besteht

Der hydraulische Druck zum Aufweiten der Außenhülse 21 wird auch in F i g. 9 und 10 über die öffnung 40 und die Öffnungen 40b eingeleitet, die in den gewünschten Bereich zwischen den Halbschalen und der Außenhülse münden, der durch den Dichtungsringteil 30b abgedichtet ist Der Druck bewirkt die Dehnung der Außenhülse 21, während die Innenhülse 17c relativ

fc⁵" dazu weiter in die Außenhülse 21 geschoben wird. Nachdem der erforderliche Druck aufgebracht worden ist und die Innenhülse in der Außenhüls? in dem gewünschten Maße verschoben wurde, wird der

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hydraulische Druck abgelassen. Dadurch kann die Außenhüls>3 21 schrumpfen und sich der Schrumpfsitz auf der doppeltgeschlitzten Innenhülse 17c, 17c ausbilden, wodurch die Halbschalen zum Schrumpfsitz auf der Schwerstange 13 kommen.

Wie in F i g. 9 gezeigt, kann die Innenhülse 17c, sofern dies gewünscht wird, auch kurzer als die Außenhülse 21 ausgeführt werden, insbesondere im Hinblick auf die Dichtungsnuten und Dichtungsringe in der Innenhülse. Die Herstellung der Nuten auf den Außenflächen der Halbschale 17cist wesentlich einfacher und wirtschaftlicher als die Herstellung der Nuten in der Außenhülse gemäß F i g. 7 und 8.

Über Gewinde können Führungsringe 80 mit den gegenüberliegenden Seiten der Außenhülse 21 verbunden werden. Diese Führungsringe 80 haben Außenflächen 81, die in Richtung der Schwerstangenachse konisch nach außen verlaufen. Weiterhin ist eine Scheibe 82 in einer Nut 83 angeordnet, die durch den Innenbereicl·· der Führungsringe 80 und der angrenzenden Schulter 84 der Außenhülse 21 gebildet wird, wobei sich der Führungsring 80 innen bis in die unmittelbare Nähe des Umfanges der Schwerstange 13 erstreckt, jede Scheibe 82 kann mit einer Schrägschulter 85 versehen sein, die entgegengesetzt zu einer Schrägschulter 86 im Führungsring verläuft. Dadurch wird ein etwa V-förmiger Raum gebildet, in welchen ein elastomere Dichtung 87 gelegt ist. Dadurch können keine Fremdartikel in den durch Führungsring und benachbartem Ende der Innenhülse 17c gebildeten Längsraum eindringen. Bei Bedarf kann dieser Längsraum 88 mit öl, Fett oder dergleichen gefüllt werden, um das Eindringen verschmutzender Materialien zwischen Innen- und Außenhülse 17c, 21 zu verhindern. Dies gilt auch für die Längsschlitze 25 zwischen den Halbschalen 17c, 17c

Die Außenhülse 21 und die Innenhülse 17c werden auf den Schwerstangenkörper oder -abschnitt 13 gebracht, ohne daß die Führungsringe 80, die Scheiben 82 und die elastischen Dichtungen 87 schon auf der Schwerstange vorgesehen sind. Zunächst erfolgt die hydraulische Dehnung der Außenhülse 21 und die relative Längsbewegung zwischen den Hülsen 21, 17c, so daß sich der Schrumpfsitz ausbildet Danach werden dann die Führungsringe 80, die Scheiben 82 und die Dichtungsringe 87 montiert und durch Verschrauben der Führungsringe 80 mit den oberen und unteren Enden der Außenhülse 2t gehalten, wie in F i g. 9 dargestellt ist

Wie in Fig. 12 und 13 dargestellt ist, kann die Montage und Demontage der Hülsen auch ohne die in ^so F i g. 5 gezeigte Montagevorrichtung erfolgen. Zunächst sei an Hand von Fig. 12 die Demontage, also die Auflösung des Schrumpfsitzverbandes erläutert Die Außenhülse 21 ist neben der Öffnung 40 mit zwei weiteren öffnungen 95 versehen, die in eine durch Dichtungsringe 93 und ggf. durch zusätzliche Dichtungselemente 94 abgedichtete Kammer 90 und 91 einmünden. Die Dichtungsringe 93 sind innerhalb der Führungsringe 80a angeordnet, die. wie in Fig.9 durch Verschrauben mit der Außenhülse 21 verbunden sind. Wenn nun, wie durch die beiden Pfeile P angedeutet, Druck in der Kammer 90 sowie in dem Bereich zwischen Außenhülse und der zweiteilig geschlitzten Innenhülse 17c aufgebracht wird, bewegt sich die Außenhülse in Richtung des Pfeiles A, während die Innenhülse 17c in ihrer Lage bleibt. Dadurch wird die Außenhülse21 von der Innenhülse 17cgelö't.

Für die Montage wird gemäß Fig. 13 zunächst die beispielsweise doppeltgeschlitzte Innenhülsö 17caufdie Schwerstange 13 geschoben. Danach werden die beiden Dichtungselemente 94 angebracht, und die Außenhülse 2! wird über die Innenhülse 17c geschoben. Anschließend werden die beiden Führungsringe 80a an die beiden äußeren Enden der Außenhülse 21 angeschraubt. Wird nun, wie durch die beiden Pfeile P angedeutet, durch die öffnungen 95 und 40 mittels einer Flüssigkeit Druck in der Kammer 91 und in den Bereich 92 zwischen der Außenhülse 21 und der Innenhülse 17c Druck aufgebracht, bewegt sich die Außenhülse 21 in Richtung des Pfeiles B. Nach Ablassen des Druckes bildet sich der Schrumpfsitzverband zwischen der Außenhülse 21 und der Innenhülse 17c sowie zwischen der Innenhülse 17cund der Schwerstange 13 aus. Für die Erzeugung des erforderlichen Druckes ist eine Handpumpe ausreichend. Die Dichtung 94 ist so bemessen, daß sich ihr AuBendruckrnesser an den jeweiligen Innendurchmesser der Außenhülse anpaßt.

In Fig. 14 und 15 sind zwei weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt, bei denen die Innenhülse 17 durch Kunststoff gebildet ist. In F i g. 14 wird die Außenhülse 21 als Form mitbenutzt, um in den durch die Schwerstange 13 und die Außenhülse 21 begrenzten Raum einen flüssigen Kunststoff einzuführen. Die Außenhülse 21 ist außer der Bohrung 40 mit wenigstens einer, insbesondere zwei weiteren Bohrungen 97, 98 versehen. Die seitlichen Enden der Außenhülse 21 werden durch eingelegte Schläuche 96a, 966, Ringe oder dergleichen gegenüber der Bohrstange 13 abgedichtet. Wenigstens die eine Seite der Außenhülse 21 ist außerdem durch einen aufgeschraubten Führungsring 80£> abgeschlossen. Durch die Bohrungen 97 oder 98 wird ein flüssiger Kunststoff in den abgedichteten Raum eingeführt, wobei die jeweils nicht benutzte Bohrung 98 bzw. 97 als Entlüftungsbohrung dient Der eingeführte Kunststoff b,;det die Innenhülse 17. Nach Erhärten des Kunststoffsitzes wird die Außenhülse 21 mittels des bereits beschriebenen hydraulischen Verfahrens aufgeschrumpft

In Fig. 15 ist eine gegenüber Fig. 14 modifizierte Ausführung der Endabdichtung dargestellt, die hier über. an der Außenhülse 21 mittels Schrauben 99 befestigter Hilfsdichtungsmittel 80c, 100 vorgenommen wird. Die Endscheiben 80c dichten gegenüber der Schwerstange 13 über Dichtungsringe 100 ab. Nach Aushärten des Kunststoffsitzes werden die Endscheiben 80c entfernt Anschließend wird wie bei F i g. 14 die eigentliche Montage durch hydraulisches Aufschrumpfen vorgenommen.

Eine solche Montage über zuvor eingegossene Kunststoffsitze ist insbesondere bei Verwendung von Verschleißhülsen (Verschleißschützen) gut ausführbar (vgl. Fig.6). Derartige Verschleißhülsen werden auf Bohrgestänge oder Übergangsgestänge zwischen Bohrgestänge und Schwerstangenstrang angeordnet

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Bohrlochwerkzeug, mit einer auf einem insbesondere zylindrischen Bohrgestänge hydraulisch aufschrumpfbaren, als Stabilisator, Verschleißschützer, Räumer oder dergleichen vorgesehenen Außenhülse, deren Innenwandung konisch ausgebildet und an eine entsprechend ausgebildete benachbarte Wandung auf dem Bohrstrang angepaßt ist, und mit Dichtungsmitteln zur Bildung eines Druckraumes im Bereich der Innenwandung der Außenhülse, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Außenwandung des Bohrgestänges (10) und die Innenfläche (22) der Außenhülse (21) eine Innenhülse (17) eingefügt ist, deren Innenfläche (18) an die Außenwandung des Bohrgestänges (10) und deren Außenfläche (20) an die Innenfläche (22) der Außenhülse (21) angepaßt ist

2. Bohrloch werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelwinkel der konischen Flächen (20,22) etwa 1,5° - 4° beträgt

3. Bohrlochwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenhülse durch einen Längsschnitt (25) axial getrennt ist, und daß die Dichtungsmittel am oberen und unteren Ende der Innenhülse (17) angeordnete, quer zur Längsachse bis in die Nähe des Längsschnittes (25) umlaufende Dichtungsringteile (31, 32) sowie zwischen diesen axial längs der beiden Seiten des Längsschnittes (25) verlaufende D^htungsringteile (33,34) enthalten, die mit den Dichtungsringteilen (31, 32) in Verbindung stehen.

4. Bohrlochwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, c.ß die Dichtungsmittel Ringnuten (35, 36) auf der Innenoberfläche « (22) der Außenhülse (21) aufweisen, in die eine elastomere Dichtung eingelegt ist, die abdichtend mit der konischen Außenoberfläche (20) der Innenhülse (17) in Verbindung steht.

5. Bohrlochwerkzeug nach den Ansprüchen 1 und ■*<> 2, dadurch gekennzeichnet daß die Innenhülse (17CJ zwei einander gegenüberliegende oder mehrere axial verlaufende Längsschnitte (25) aufweist, welche die Innenhülse (17c,) in zwei separate Hülsenabschnitte {\7b) teilen, und daß durch die ^ Dichtungsmittel zwischen dem äußeren der Hülsenabschnitte (17b) und der Innenoberfläche (22) der Außenhülse (21) abgeschlossene Bereiche gebildet sind, in welche eine Druckflüssigkeit einpreßbar ist.

6. Bohrlochwerkzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsmittel durch auf den Außenoberflächen der Hülsenabschnitte (i7b) befindliche Nuten {35b. 36b, 37b, 38b) und in die Nuten eingelegte elastomere Dichtungen gebildet siiid. «

7. Bohrlochwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis b, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenhülse (17; 17c,¹ kürzer als die Außenhülse (21) ausgebildet und vollständig innerhalb der Außenhülse (21) angeordnet ist.

8. Bohrlochwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an den Enden der Außenhülse das Bohrgestänge (10) umfassende Führungsringe (80) mit elastomeren Dichtungen (87) befestigt sind, die den die Innenhülse (17; 17c) ^h5 enthaltenden Innenraum der Außenhülse (21) dichtend abschließen.

9. Bohrlochwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, daß die Innenhülse (17) aus Kunststoff besteht.

10. Bohrlochwerkzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in die Außenhülse (21) neben der Öffnung (40) für den Einlaß einer Druckflüssigkeit eine Bohrung (97, 98) vorgesehen ist, durch die der Kunststoff in einen abgedichtetsn Raum zwischen Außenhülse (21) und Bohrgestänge (10) einführbar und anschließend aushärtbar ist

11. Bohrlochwerkzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenhülse (21) an ihren beiden, die kürzere Innenhülse (17) überragenden Enden mit je einer Bohrung (95) versehen ist, die in je eine mittels Dichtungsringen (93) und zusätzliche Dichtungselemente (94) abgedichtete Kammer (90, 91) einmünden.

IZ Bohrlochwerkzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß auf die äußeren Enden der Außenhülse (21) Führungsringe (8OaJ aufgeschraubt sind, in deren Innenwandung gegenüber dem Bohrgestänge (10) abdichtende Dichtungsringe (93) angeordnet sind.

13. Verfahren zum Aufschrumpfen eines Bohrlochwerkzeuges nach den Ansprüchen 10 bis 12 auf ein Bohrgestänge, bei dem das Bohrlochwerkzeug unter Einpressen einer Flüssigkeit zwischen konische Anlageflächen zur Befestigungsstelle hin verschoben und dort durch Ablassen des Einpreßdruckes auf das Bohrgestänge aufgeschrumpft wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit in den Bereich zwischen den sich gegenüberliegenden Flächen der Außen- und Innenhülse und in eine zwischen Bohrgestänge, Außen- und Innenhülse sowie Führungsring gebildete, auf Seiten des Teils der konischen Außenhülse mit größerer Wandstärke und des der konischen Innenhülse mit geringerer Wandstärke liegende Kammer eingepreßt wird, wobei die Außenhülse über die Innenhülse geschoben wird.

14. Verfahren zum Lösen eines Bohriochwerkzeugs nach den Ansprüchen 10 bis 12 von einem Bohrgestänge, bei dem das Bohrlochwerkzeug unter Einpressen einer Flüssigkeit zwischen konische Anlageflächen von der Befestigungsstelle hinweg verschoben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit in den Bereich zwischen den sich gegenüberliegenden Flächen der Außen- und Innenhülse und in eine zwischen Bohrgestänge, Außen- und Innenhülse sowie Führungsring gebildete, auf Seiten des Teils der konischen Außenhülse mit geringerer Wandstärke und des der konischen Innenhülse mit größerer Wandstärke liegende Kammer eingepreßt wird, wobei die Außenhülse von der Innenhülse geschoben wird.