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Expansionspacker Die Erfindung betrifft einen Expansionspacker mit
einem Dorn und einer an seinem Umfang angeordneten mit Hilfe eines Druckmittels
radial expandierbaren rohrförmigen Gummimanschette, die mit ihren Enden am Packergehäuse
befestigt i.st.
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Packer dienen zum Absperren eines Bohrloches in axialer Richtung und
ermöglichen es daher, in einen derartigen abgesperrten Bohrlochabschnitt zur Prüfung
der Dichtheit der Bohrlochwandung Luft oder Wasser unter Druck einzuleiten und aus
der Menge des pro Zeiteinheit zugeführten Prüfmediums und des dabei in dem abgesperrten
Abschnitt aufgebauten Drucks auf die Dichtheit der Bohrlochwandung zu schließen.
Um beispielsweise das Prüfmedium durch den Packer hindurchleiten zu können, ist
der Dorn üblicherweise rohrförmig ausgebildet0 Mit dem Ausdruck Packergehäuse wird
hier der Packer ohne Gummimanschette bezeichnet.
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Bei bekannten Packen ist die Gummimanschette im Bereich ihrer Enden
ins Packergehäuse eingespannt oder -eingeklebt. Am Übergang von der Befestigungsstelle
zur freiliegenden und daher expandierbaren Gummimanschette können bei den bekannten
Packern unzulässig hohe Kräfte auftreten, die zu einem Zerreißen der Gummimanschette
führen, beispielsweise dann, wenn auf den Packer sehr starke axiale Kräfte einwirken,
wenn also beispielsweise der Packer zum Absperren eines Bohrlochs dient und in den
abgesperrten Abschnitt unter hohem Druck eine Flüssigkeit eingepreßt wird, die den
Packer in axialer Richtung zu verschieben sucht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den geschilderten Nachteil
zu vermeiden. Die Erfindung besteht darin, daß im Bereich mindestens eines Endes
der Gummimanschette an ihrem Umfang verteilt im wesentlichen bandförmige Verstärkungen
aus zugfestem biegsamen Material angeordnet
sind, die mit ihrem
einen Ende mit der Gummimanschette und mit ihrem anderen Ende mit dem l'ackergehause
verbunden sind.
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Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die Verstarkungen einen
großen Teil der auf die Verbindungsstelle der Gummimanschette mit dem Packergehäuse
wirkenden Zugkräfte aufnehmen, so daß die Verbindungsstelle nicht mehr so stark
beansprucht ist und daher beim Auftreten von Zugkräften an dieser Stelle nicht mehr
so leicht beschädigt wird. Bei den Verstärkungen kann es sich auch um im wesentlichen
stabförmige Verstärkungen handeln. Beim Expandieren des Packers machen die Verstärkungen
die Verformung der Gummimanschette mit und dann, wenn man den Druck des Druckmittels
wieder abfallen läßt, gestatten die Verstärkungen, daß die Gummimanschette wieder
ihre ursprüngliche Form annimmt und werden hierbei ebenfalls wieder in ihre ursprüngliche
Form gebracht.
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Die Verstärkungen können sich über einen verhältnismäßig großen Teil
der Länge der Gummimanschette erstrecken, vorzugsweise sind sie aber verhältnismäßig
kurz; bei einem Ausführungsbeispiel ist der Abschnitt der Verstärkungen, der mit
der Gummimanschette unmittelbar in Kontakt ist, etwa 60 mm lan, wogegen die Gummimanschette
bei diesem Beispiel eine Länge von etwa 350 mm aufweisen kann0 Die Verstärkungen
können in die Gummimanschette eingebettet sein, bei einer bevorzugten 1Lusführungsform
sind
die Verstärkungen aber an der Außenfläche der Gummimanschette
angeordnet. Dies bietet den Vorteil, daß die Verstärkungen die Gummimanschette im
Bereich der Befestigung an dem Packergehäuse zusätzlich gegen Beschädigung infolge
Abrieb schlitzen. Hierzu können die Verstärkungen vorteilhafterweise aus verhältnismäßig
hartem Material sein, das gegenüber einer Abnutzung beim mehrmaligen Gebrauch des
Packers besonders widerstandsfähig ist0 Vorzugsweise wird hierfür ein elastisch
biegsames Material verwendet, insbesondere ein Metall, und hier insbesondere Federstahl.
Durch die elastische Biegsamkeit der Verstärkungen wird außerdem die Gefahr des
Uberwulstens der Gummimanschette verringert; ein derartiges Uberwulsten kann sonst
leicht dann vorkommen, wenn ein verhältnismäßig dünner Packer in einem verhältnismäßig
großen Bohrloch verwendet wird.
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Bei den Ausführungsformen, bei denen die Verstärkungen außen an der
Gummimanschette angeordnet sind, sind die Außenflächen der Verstärkungen vorzugsweise
aufgerauht; dies bietet den Vorteil, daß die Verstärkungen eine besonders wirkungsvolle
Abstützung an der Bohrlochwandung finden, so daß ein großer Teil der auf den Packer
wirkenden Axialkräfte unmittelbar vom Packergehäuse über die Verstärkungen auf die
Bohrlochwandung übertragen wird, wodurch die Gummimanschette von der Ubertragung
derartiger Kräfte entlastet wird. Die Aufrauhung kann durch beliebige Mittel erzielt
sein, beispielsweise können die Verstärkungen außen eine Verzahnung aufweisen, oder
sie können beispielsweise mit Hartmetall-oder Korundkörnern besetzt sein.
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Die Befestigung der Verstärkungen an der Gummimanschette kann in beliebiger
Weise vorgenomtnen sein, beispielsweise können die Verstärkungen an der Gummimanschette
anvulkanisiert sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Verstärkungen
jedoch angeklebt, Dies bietet den Vorteil, daß die Befestigung auch am Ort des Einsatzes
des Packers vorgenommen werden kann und daß daher beschädigte Packer repariert werden
können und auch übliche Packer in einen erfindungsgemäßen Packer in einfacher Weise
umgebaut werden können0 Die Befestigung der Verstärkungen am Packergehäuse selbst
kann ebenfalls durch Kleben erfolgen, beispielsweise mit einem Kunststoffkleber
der bei Erwärmung weich wird und bei Abkühlung wieder fest wird, die Befestigung
kann aber auch durch Schweißen oder Schrauben erfolgen.
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Eine Entlastung der Verbindungsstelle zwischen Gummimanschette undPackergehäuse
wird bereits dann erreicht, wenn die Verstärkungen nur einen verhältnismäßig geringen
Teil des Umfangs in Anspruch nehmen. Bei einer bevorzugten husführungsform der Erfindung
ist jedoch vorgesehen, daß die Verstärkungen verhältnismäßig breit und die Zwischenräume
zwischen den Verstärkungen verhältnismäßig schmal sind, so daß auf diese Weise die
Gummimanschette im Bereich ihrer Befestigung am Packergehäuse nicht oder nur wenig
mit der Bohrlochwandung in Berührung komi2t.
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Vorzugsweise verlaufen die Verstärkungen, die bei Ausfiihrungsformen
der Erfindung als im wesentlichen rechteckförmige schmale Streifen ausgebildet sind,
ungefähr in
Längsrichtung der Gummimanschette; dies bietet den Vorteil,
daß die Gummimanschette auch im Bereich ihrer Befestigung nahezu ungehindert expandieren
kann.und dabei die Verstärkungen fest an die Bohrlochwandungen drückt. Die Verstärkungen
können auch eine von einer rechteckigen Form abweichende Form aufweisen, vorzugsweise
sind sie unabhängig von der jeweiligen Form im Bereich ihres freien Endes abgerundet,
um dort die Gefahr von Beschädigungen der Gummimanschette zu vermeiden.
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Die Verstärkungen können als voneinander getrennte einzelne Teile
vorgesehen sein, die in entsprechenden Abständen an der Gummimanschette und am Packergehäuse
befestigt sind. Bevorzugt wird jedoch eine Ausführungsform der Erfindung, bei der
die Verstärkungen untereinanddr verbunden sind. Dies bietet den Vorteil, daß die
Herstellung des erfindungsgemäßen Packers vereinfacht ist. Die Verbindung der Verstärkungen
kann durch ein gesondertes Teil erfolgen, beispielsweise durch ein Spritzgußteil,
das die einzelnen beispielsweise streifenförmigen Verstärkungen in gleichmäßigen
Abständen hält. Die Verbindung kann in der Weise vorgenommen sein, daß die Verstärkungen
im nicht am Packer befestigten Zustand in einer Ebene nebeneinander angeordnet sind
und daß die Verbindung flexibel ausgebildet ist, so daß die Verstärkungen zum Zweck
des Befestigens am Packer rohrförmig um die Verbindungsstelle zwischen Manschette
und PaclLergehtuse herumgelegt werden können, wobei die Verstärkungen vorzugsweise
in Längsrichtung des Packers
verlaufen. anstatt die Verstärkungen
durch ein gesondertes Teil miteinander zu verbinden, können die Verstärkungen auch
einstückig miteinander verbunden sein, beispielsweise als Stanzteil ausgebildet
sein.
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Es ist möglich, eine so große Anzahl von Verstärkungen nebeneinanderliegend
miteinander zu verbinden, daß diese Verstärkungsteile zum Verstärken von Packern
mit unterschiedlichen Durchmessern geeignet sind; es müssen dann allenfalls einige
der Verstärkungen entfernt werden, bevor das Verstärkungsteil an einem Packer befestigt
wird, damit die Anzahl der Verstärkungen dem Umfang des Packers angepaßt ist.
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Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß
die Verstärkungen durch ein Rohr gebildet sind, das auf einem Teil seiner Länge
Längsschlitze aufweist, und daß der nichtgeschlitzte Teil des Rohrs am Packergehäuse
befestigt ist und der geschlitzte Teil des Rohrs die Gummimanschette koaxial umgibt
und an ihr befestigt ist. Bei diesem Verstärkungsteil handelt es sich, wenn elastisches
Material verwendet ist, also um eine Rohrfeder. Diese husführungsform ist besonders
widerstandsfähig und läßt sich einfach befestigen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung, die
erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen
Merkmale können je einzeln
für sich oder zu mehreren in beliebiger
Kombination bei einer Ausführungsform der Erfindung verwirklicht sein. Die einzige
Figur zeigt das eine Ende eines Packers mit ltohrfeder, teils in Seitenansicht,
teils im Längsschnitt0 Der dargestellte Packer ist an seinen beiden Enden gleich
ausgebildet. Er weist an dem in der Figur dargestellten Ende ein Endstück 1 auf,
das an seinem nach oben weisenden Ende ein Innengewinde zum Anschrauben einer liohrleitung
trägt. An seinem unteren Ende ist eine Metallhülse 2 aufgeschraubt, deren Außendurchmesser
stufenartig verjüngt ist, und dort ist eine weitere Metallhülse 3 aufgesetzt und
in nicht dargestellter Weise durch Schweißen mit der Metallhülse 2 verbunden. Die
beiden Metallhülsen 2 und 3 bilden einen Ringspalt 4, in dem das in seiner Dicke
reduzierte Ende 5 der Gummimanschette 6 des Packers -befestigt ist. Die Befestigung
kann durch Kleben oder Vulkanisieren erfolgt sein0 Das Endstück 1 weist an seinem
in Fig. 1 unteren Ende ein Innengewinde auf, in das ein rohrförmiger Dorn 10 eingeschraubt
ist, der an seinem in der Figur nicht dargestellten anderen Ende wiederum ein Endstück
trägt, in den das andere Ende der Gummimanschette 6 befestigt ist.
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Der Außendurchmesser der nicht expandierten Gummimanschette 6 und
des Endstücks 1, der weiteren Ilülse 3 sovaie der größte Außendurchmesser der Hülse
2 sind alle gleich groß, so daß der ganze Packer im nichtexpandierten
Zustand
einen im wesentlichen gleichen Außendurchmesser aufweist.
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Zwischen der Außenwand 11 des Dorns 10 und der Innenwand 12 der Hülse
2 sowie der Innenwand der Gummimanschette 6 besteht ein kleiner Dwischenraum, und
in diesen Zwischenraum ist durch einen Kanal 14, der das Endstück 1 durchsetzt und
im Bereich einer kegelstumpfförmigen Verjüngung des Endstücks 1 an dessen Außenseite
endet, ein Druckmittel, beispielsweise Hydrauliköl, einleitbar, durch das die Gummimanschette
6 in ihrem nicht eingespannten Bereich expandierbar ist.
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Einepiohrfeder 16 aus Federstahl von 0,3 mm Dicke ist in ihrem in
der Figur oberen Bereich 17, der eine Länge von 40 mm aufweist, ungeschlitzt, und
auf ihrer restlichen Länge von 60 mm weist sie eine Anzahl von gleichlangen, verhältnismäßig
schmalen Längsschlitzen auf, die insgesamt sechzehn gleichbreite Zungen 18 voneinander
trennen, die die Verstärkungen für die Gummimanschette bilden. Der Innendurchmesser
der Rohrfeder 16 ist nur ganz geringfügig größer als der Außendurchmesser des restlichen
Packers, so daß die Rohrs ender 16 gerade auf den Packer aufgeschoben werden kann0
In ihrem Bereich 17 ist die Rohrfeder 16 mit der Hülse 3, also mit dem Packergehäuse
verklebt, dabei ist sie so auf dem Packer angeordnet, daß die Zungen 18 auf ihrer
ganzen Länge an der Außenfläche 20 der Gummimanschette 6 anliegen, und diese Zungen
18 sind mit der Gummimanschette 6 verklebt.
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Die Zungen 18 sind auf ihrer Außenseite in nicht dargestellter Weise
mit Hartmetallkörnern besetzt.
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Wird in den Kanal 14 ein Druckmittel eingeleitet, so expandiert die
Gummimanschette 6, dabei folgen die Zungen 18 der radialen ExpansionsbewegungO Die
Länge der Zungen 18 ist so gewählt, daß diese Zungen 18 innerhalb eines bestimmten
Bohrlochdurchmesserbereichs eine gute Anlage an der Bohrlochwand finden und dadurch
einen Teil der auf die Verbindung der Gummimanschette 6 mit den Ilülsen 2 und 3
wirkenden Kräfte aufnehmen, Da auch am anderen Ende des Packers, das in der Figur
nicht dargestellt ist, eine gleiche llohrfeder 16 angeordnet ist, wird unabhängig
von der Richtung, in der der Packer innerhalb des Bohrlochs axial belastet wird,
jeweils diejenige Befestigungsstelle der Manschette 6, die auf Zug belastet ist,
durch die Xohrfeder 16 entlastet.
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Die Zungen 18 setzen der Expansionsbewegung der Gummimanschette 6
im Bereich der Zungen einen gewissen Widerstand entgegen, so daß dort die Expansion
gegenüber einem Packer ohne Zungen verringert ist; daher wird durch die Zungen verhindert,
daß sich die Gummimanschette im Bereich der Befestigungsstelle unzulässig stark
expandiert, was besonders in stark zerklüftetem Gebirge vorkommen könnte und was
zu einem Platzen der Gummimanschette im Bereich ihrer Befestigung führen könnte.
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Beim Absinken des Drucks des Druckmittels nimmt die Gummimanschette
6 wieder ihre in der Figur gezeigte Form an, und auch die Zungen 18 nehmen wieder
ihre gezeichnete Lage ein. Der Packer ist daher ohne Schwierigkeiten wieder aus
dem Bohrloch entfernbar, Sollte infolge längeren Gebrauchs durch Abnutzung eine
Gummimanschette schadhaft geworden sein, so kann nach dem Erneuern der Gummimanschette
die Rohrfeder 16, die vorher zweckmäßigerweise vom Packer entfernt worden war, wieder
angebracht und mit dem Packergehäuse und mit der Gummimanschette verklebt werden0
Der dargestellte Packer weist einen Außendurchmesser von 70 mm auf, die Enden 5
der Gummimanschette weisen eine Dicke von 8 mm auf, und in ihrem übrigen Bereich
weist die Gummimanschette eine Wandstärke von 14 mm auf. Die Länge der Gummimanschette
(ohne ihre Enden 5) beträgt etwa 350 mm, und die Länge des gesamten zylinderförmigen
Packers etwa 520 mm.
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