DE2647810B1 - Stoßdämpfer für Tiefbohrgestänge - Google Patents

Description

Stoßdämpfer der eingangs genannten Art zu schaffen, der bei verbesserten Feder- und Dämpfungseigenschaften auch im Hochtemperaturbereich einsetz- und in verringerten Querschnittsabmessungen ausführbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung in erster Linie vor, daß die Federelemente auf zumindest zwei axial im Abstand übereinander angeordnete parallelwirkende Federsäulen aufgeteilt, in miteinander in Strömungsverbindung stehenden Federkammern des Ringraumes untergebracht und von Tellerfedern aus Stahl od. dgl. Metall gebildet sind, die innerhalb jeder Federsäule zu einer Anzahl gleichgeschichteter Pakete zusammengefaßt sind, deren Schichtungssinn in axialer Richtung von Paket zu Paket abwechselt.

Der Stoßdämpfer nach der Erfindung ist in seinen Feder- und Dämpfungseigenschaften weitgehend temperaturunabhängig und ohne weiteres im Bereich von Temperaturen im Bohrloch einsetzbar, die 300⁰C erreichen oder überschreiten. Die Aufteilung auftretender Stoßbelastungen auf zwei oder mehr parallelgeschaltete Federsäulen verringert die von den Federelementen innerhalb einer Säule aufnehmenden Lasten, so daß die Federn bei je Feder verringerten Federweg mit geringen radialen Abmessungen ausgeführt werden können, die den Bau von Stoßdämpfern mit einem Außendurchmesser von z. B. 4³/4 Zoll erlauben. Auch bei solchen Stoßdämpfern geringer Querschnittsabmessung unterliegen die Federelemente nicht der Gefahr einer Zerstörung durch Bruch, während ferner eine bei unterschiedlichsten Hubwegen gleichmäßig gute Dämpfung durch Reibungsarbeit gewährleistet ist. Darüber hinaus ist bei dem erfindungsgemäßen Stoßdämpfer die Möglichkeit gegeben, Hubweg, Federcharakteristik und Dämpfungschrakteristik durch Änderung z. B. der Anzahl der gleichgeschichtet in einem Paket zusammengefaßten Federelemente zu variieren und jeweils gegebenen Bohrbedingungen anzupassen.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann jede Federkammer einen Pumpraum mit sich beim Zusammenfahren von Außenrohrkörper und Innenrohrkörper verminderndem und sich beim Auseinanderfahren derselben vergrößerndem Volumen bilden, so daß im Betrieb des Stoßdämpfers dem Hydraulikmedium alternierende axiale Strömungsbewegungen aufgeprägt werden, die zur Erzielung besonderer Dämpfungscharakteristika herangezogen werden können, insbesondere wenn in weiterer Ausgestaltung nach der Erfindung zwischen Kammern des Ringraumes zumindest eine Strömungsdrossel für das unter Pumpwirkung der Kammern strömende Hydraulikmedium vorgesehen ist.

Eine solche Strömungsdrossel kann durch geeignete Querschnittsbemessung von Verbindungskanälen zwischen den eine Pumpwirkung entfaltenden Kammern im Ringraum oder von definierten Engstellen im Strömungsweg des Hydraulikmediums gebildet werden, wobei derartige Drosseln bei einer Durchströmung mit Hydraulikmedium auf dieses eine in beiden Strömungsrichtungen gleiche Drosselwirkung ausüben. In Fällen jedoch, in denen unterschiedliche Dämpfungswirkungen beim Zusammenfahren und beim Auseinanderfahren von Außenrohrkörper und Innenrohrkörper erwünscht sind, besteht auch die Möglichkeit, durch Rückschlagventile od. dgl. innerhalb des Strömungsweges des Hydraulikmediums Drosselstellen mit unterschiedlichen Drossclwirkungcn in Abhängigkeit von der jeweiligen Strömungsrichlung des Hydraulikmediums zu schaffen.

Die Erfindung sieht in Verbindung mit oder unabhängig von einer Ausbildung vorbeschriebener Art weiterhin vor, daß der Ringraum für die Federelemente durch seine obere Dichtung im Abstand unterhalb der Drehmoment-Übertragungsvorrichtung abgeschlossen und die Drehmoment-Übertragungsvorrichtung ihrerseits in einem gesonderten, mit Hydraulikmedium gefüllten Ringraum zwischen dem Außen- und dem Innenrohrkörper angeordnet ist, der seinerseits durch eine obere Dichtung und durch eine untere Dichtung

κι abgeschlossen ist, von denen die untere Dichtung einem koaxial zwischen dem Außen- und dem Innenrohrkörper begrenzt unabhängig verschieblichen, eine Ausgleichskammer für das Hydraulikmedium unterseitig abschließenden oberen Ausgleichskolben zugeordnet

r> ist, unter dem sich zwischen dem Außen- und dem Innenrohrkörper eine über Verbindungsbohrungen mit dem Spülungsraum des Bohrloches verbundene Zwischenkammer befindet.

Eine solche Ausbildung setzt zum einen die Gefahr des Auftretens sog. »Durchspüler« herab und vermindert zum anderen die zwischen dem Außenrohrkörper und dem Innenrohrkörper wirksamen axialen hydraulischen Expansionskräfte, und zwar insbesondere dann wenn erfindungsgemäß der Außendurchmesser des

y> Innenrohrkörpers im Bereich der oberen Dichtung des Ringraumes für die Federelemente kleiner ist als dei Außendurchmesser des Innenrohrkörpers im Bereich der oberen Dichtung des Ringraumes für die Drehmomentübertragungsvorrichtung.

i'i Eine weitere Herabsetzung der hydraulischer Expansionskräfte kann dadurch erzielt werden, daß der Außendurchmesser des Innenrohrkörpers im Bereich des Ausgleichskolbens unter dem Ringraum für die Federelemente geringer ist als der Außendurchmessei

si des Innenrohrkörpers im Bereich der oberen Dichtung für diesen Ringraum, unterhalb dieses unteren Ausgleichskolbens zwischen dem Außen- und dem Innenrohrkörper eine über Verbindungsbohrungen mit derr Bohrloch in Verbindung stehende Endkammer vorgese-

·><> hen und unterhalb dieser Endkammer zwischen derr Außen- und dem Innenrohrkörper eine Dichtung eingesetzt ist.

Zahlreiche weitere Merkmale der Erfindung ergeber sich aus den Ansprüchen; in der Beschreibung sind ir

4) Verbindung mit der Zeichnung mehrere Ausführungs beispiele des Gegenstandes der Erfindung nähei veranschaulicht. Es zeigt
Fig. la den oberen,
F i g. 1 b den mittleren und

■■><> Fig. Ic den unteren Abschnitt eines Stoßdämpfer nach der Erfindung in einem axialen Halbschnitt,

F i g. 2 in einer Schnittdarstellung ähnlich F i g. 1 b dei oberen Bereich der unteren Federkammer des Ringrau mes zwischen dem Außenrohrkörper und dem Innen

Vi rohrkörper in einem vergrößerten Ausschnitt,

Fig.3 eine Darstellung ähnlich Fig.2 einer abge wandelten Ausführung,

F i g. 4 eine vergrößerte Querschnittsdarstellung nacl der Linie IV-IVin Fig. Ibbzw. Fig.5,

"" Fig.5 in Vergrößerung einen Ausschnitt de Stoßdämpfers im Bereich der Schnittlinie IV-IV ii Fig. Ibund

Fig.6 eine abgebrochene Ansicht des untere Bereiches des Stoßdämpfers nach der Erfindung in eine crfindungsgcmäß abgewandelten Ausbildung.

Der in den einander fortsetzenden Fig. la bis 1 veranschaulichte Stoßdämpfer besteht im einzelnen au einem Innenrohrkörper 1 und einem Außcnrohrkörpc

2. Der Innenrohrkörper setzt sich aus einem oberen Abschnitt 3, einem mittleren Abschnitt 4 und einem unteren Abschnitt 5 zusammen. Der obere Abschnitt 3 ist an seinem oberen linde mit einer Anschlußmuffc 6 mit Innengewinde für eine Verschraubung mit dem unteren Ende eines Abschnitts des Bohrgestänges versehen und mit dem mittleren Abschnitt 4 im Bereich einer konischen Schraubverbindung 7 verschraubt. Der mittlere Abschnitt 4 ist seinerseits wiederum mit dem unteren Abschnitt 5 im Bereich einer konischen Schraubverbindung 8 vereinigt. Die Abschnitte 3,4 und 5 des Innenrohrkörpers 1 umgrenzen gemeinsam einen zentralen Durchlaßkanal 9 für die Bohrspülung.

Der Außenrohrkörper 2 besteht seinerseits im einzelnen aus einem oberen Abschnitt 10, zwei mittleren Abschnitten 11 und 12 sowie einem unteren Abschnitt 13. Der obere Abschnitt 10 ist im Bereich einer konischen Schraubverbindung 14 mit dem mittleren Abschnitt 11 und dieser im Bereich einer konischen Schraubverbindung 15 mit dem nächstunteren mittleren Abschnitt 12 vereinigt. Über eine konische Schraubverbindung 16 sind der mittlere Abschnitt 12 und der untere Abschnitt 13 des Außenrohrkörpers 2 verbunden. An seinem unteren Ende weist der untere Abschnitt 13 einen Anschlußzapfen 17 mit Außengewinde für eine Verschraubung mit dem oberen Ende eines unteren Bohrgestängeabschnitts auf.

Der Innenrohrkörper 1 und der diesen koaxial umgebende Außenrohrkörper 2 begrenzen miteinander einen Ringraum 18, der oberseitig durch eine obere Dichtung 19 abgeschlossen ist. Über dieser befindet sich ein Feinabstreifer 20 und über diesem ein Grobabstreifer 21. Unter der Dichtung 19 ist im oberen Abschnitt 10 des Außenrohrkörpers 2 ein Verschleißring 22 eingelassen. An seiner Unterseite ist der Ringraum 18 durch einen Ausgleichskolben 23 abgeschlossen, der koaxial zwischen dem Außenrohrkörper 2 und dem Innenrohrkörper 1 begrenzt axial und von diesen unabhängig verschieblich ist und eine Ausgleichskammer 24 des Ringraumes 1 unterseitig abschließt. An seiner Außen- «o und seiner Innenseite trägt der Ausgleichskolben 23 Dichtungen 25, 26, denen unterseitig wiederum Feinabstreifer 20 und Grobabstreifer 21 vorgeordnet sind. Die Unterseite des Ausgleichskolbens 23 ist einer Endkammer 27 zwischen dem Innenrohrkörper 1 und dem «5 Außenrohrkörper 2 zugewandt, welche eine räumliche Fortsetzung der Ausgleichskammer 24 bildet und bei der Stoßdämpferausführung nach Fig. la bis Ic über einen axialen Verbindungskanal 28 mit dem zentralen Durchlaßkanal 9 für die Bohrspülung in Verbindung steht.

Der Ringraum 18 ist mit einem Hydraulikmedium gefüllt, das beispielsweise über eine verschließbare Einlaßbohrung 29 oberirdisch mit Normaldruck eingefüllt wird. Im Betrieb des Stoßdämpfers prägt sich diesem Hydraulikmedium bei der Stoßdämpferausführung nach Fig. la bis Ic der Druck in der Spülung vermittels des Ausgleichskolbens 23 auf.

Wie aus Fig. la ersichtlich ist, endet der Ringraum 18 infolge der entsprechenden Anordnung der Dichtung 19 ω im Abstand unterhalb einer Drehmoment-Übertragungsvorrichtung 30, welche von einem Nut-Fcder-Systcm gebildet wird und bei koaxialer relativer Vcrschicblichkeit von Innenrohrkörper 1 zu Außenrohrkörper 2 sicherstellt, daß diese beiden Rohrkörper ^fel> gegen Verdrehen gesichert sind. Diese im obere Bereich des Stoßdämpfers angeordnete Drchmomenl-Ubcrtragungsvorrichtung 30 ist ihrerseits in einem gesonderten, mit Hydraulikmedium über eine verschließbare Einlaßbohrung 31 befüllbarcn Ringraum 32 zwischen dem Innenrohrkörper 1 und dem Außenrohrkörper 2 angeordnet, der seinerseits durch eine obere Dichtung 33 abgeschlossen ist, über der sich wiederum ein Feinabstreifer 20 und ein Grobabstreifer 21 befinden. Unterhalb der oberen Dichtung 33 ist wiederum ein Verschleißring 22 im oberen Abschnitt 10 des Außenrohrkörpers 2 eingelassen. Den unteren Abschluß des oberen Ringraumes 32 bildet ein oberer Ausgleichskolben 34, der innenseitig eine Dichtung 35 mit darunter angeordnetem Feinabstreifer 20 und außenscitig eine Dichtung 36 mit unter dieser angeordnetem Feinabstreifer 20 sowie Grobabstreifer 21 trägt. Dieser Ausgleichskolben 34 verschließt unterseitig eine obere Ausgleichskammer 37 und ist mit seiner Unterseite einer Zwischenkammer 38 zwischen dem Innenrohrkörper 1 und dem Außenrohrkörper 2 zugewandt, welche gewissermaßen die räumliche Fortsetzung der oberen Ausgleichskammer 37 bildet und über Verbindungsbohrungen 39 mit dem Bohrloch in Verbindung steht. Dementsprechend wirkt auf die Unterseite des Ausgleichskolbens 34 der Druck in der Spülung im Bohrloch ein, der um den Bohrmeißelverlust geringer ist als der Druck in der Spülung im Bohrgestänge. Dementsprechend prägt sich dem Hydraulikmedium im Ringraum 32 der Druck der Spülung im Bohrloch auf. Der Außendurchmesser 41 des Innenrohrkörpers 1 im Bereich der oberen Dichtung 19 für den Ringraum 18 ist kleiner als der Außendurchmesser 40 des Innenrohrkörpers 1 im Bereich der Dichtung 33 für den Ringraum 32. Da lediglich der kleinere Querschnitt mit dem Durchmesser 41 durch den im Ringraum 18 herrschenden Spülungsdruck beaufschlagt wird, nicht jedoch der Querschnitt mit dem größeren Durchmesser 40 im Bereich der Dichtung 33, ergibt sich eine wesentlich reduzierte hydraulische Expansionskraft in axialer Richtung, die In entsprechend vermindertem Ausmaß bestrebt ist, Innenrohrkörper 1 und Außenrohrkörper 2 auseinanderzufahren.

Der Ringraum 18 weist neben der Ausgleichskammer 24 eine untere Federkammer 42, eine obere Federkammer 43 sowie eine obere, zusätzliche Kammer 44 auf. Sämtliche Kammern 44, 43, 42 und 24 stehen untereinander über Durchlaßkanäle in Strömungsverbindung, von denen die Durchlaßkanäle zur Verbindung der oberen Federkammer 43 mit der oberen Abschlußkammer 44 mit 45, die Durchlaßkanäle zur Verbindung der oberen Federkammer 43 mit der unteren Federkammer 42 mit 46 und 47 und die Durchlaßkanäle zur Verbindung der unteren Federkammer 42 mit der unteren Ausgleichskammer 24 mit 48 bezeichnet sind. Sämtliche Kammern des Ringraumes 18 sind innenseitig und außenseitig von koaxialen Zylinderflächen des Innenrohrkörpers 1 bzw. des Außenrohrkörpers 2 begrenzt. Die obere Abschlußkammer 44 wird oberseitig begrenzt und durch eine einwärts vorspringende Schulter 49 des Außenrohrkörpers 2 und unterscitig durch eine auswärts vorspringende Schulter 50 des Innenrohrkörpers 1. Die oberseitige Begrenzung der Federkammer 43 wird von einer auswärts vorspringenden Schulter 51 des Innenrohrkörpers 1 und die untcrscitigc Begrenzung durch eine einwärts vorspringende Schulter 52 des Außenrohrkörpers 2 gebildet. Die entsprechenden Bcgrcnzungsschultcrn für die untere Federkammcr sind mit 53 bzw. 54 bezeichnet. Infolge dieser Ausbildung bilden die Kammern 44, 43, 42 Pumpkiimmern.die beim Arbeiten des Stoßdämpfers im

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Bohrbetrieb durch Auseinander- bzw. Zusammenfahren von Innenrohrkörpern 1 und Außenrohrkörpern 2 Volumenveränderungen erfahren mit der Folge, daß das Hydraulikmedium in dem Ringraum 18 in alternierende Strömungsbewegungen versetzt wird. Wesentlich ist diese Funktion insbesondere für die Federkammern 43 und 42. Die obere AbschluUkammer 44 bildet eine gegebenenfalls entbehrliche Zusatzkammer.

In den Federkammern sind Federelemente in Gestalt von Tellerfedern 55 (Federkammer 42) und 56 (Federkammer 43) untergebracht. Diese vorzugsweise aus Stahl bestehenden Tellerfedern sind innerhalb jeder Federkammer zu einer Federsäule übereinandergeschichtet, wobei innerhalb jeder Federsäule die Tellerfedern zu einer Anzahl gleichgeschichteter Pakete zusammengefaßt sind, deren Schichtungssinn in axialer Richtung von Paket zu Paket abwechselt. Es ist bevorzugt, jeweils vier Tellerfedern gleichgeschichtet in einem Paket zusammenzufassen, wobei innerhalb jeder Federsäule z. B. achtunddreißig solcher Pakete vorgesehen sein können.

Die Innen- und die Außendurchmesser der Tellerfedern sind dabei so bemessen, daß sie jeweils unter Belassung eines Umfangsspaltes vom Innenrohrkörper I durchgriffen und vom Außenrohrkörper 2 umgeben werden. Die Tellerfedern 56 der oberen Federsäule 58 stützen sich zwischen einem unteren Stützring 59 auf der Schulter 52 und einem oberen Stützring 60 unter der Schulter 51 ab. In gleicher Weise sind die Tellerfedern 55 der unteren Federsäule 57 zwischen einem unteren ω Stützring 61 auf der Schulter 54 und einem oberen Stützring 62 unter der Schulter 53 abgestützt. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. la bis Ic schließen die Umfangsflächen der Stützringe jeweils mit den zugehörigen Schultern bündig ab.

Im Betrieb des Stoßdämpfers in seiner Ausführung nach Fig. Ia bis Ic nehmen beim Zusammenfahren von Innenrohrkörper 1 und Außenrohrkörper 2 die Tellerfedern der parallelwirkenden Federsäulen 57, 58 die Stoßbelastung durch eine ihren Kegelwinkel verringernde Verformung auf, wobei ein Teil der Stoßenergie durch Reibung an den einander zugewandten Eingriffsflächen der Tellerfedern absorbiert und in Wärme umgesetzt wird. Zusätzlich zu der daraus resultierenden Dämpfung wird eine Dämpfung mit Hilfe des Hydraulikmediums herbeigeführt, das durch die Pumpwirkung der Federkamniern 42, 43 in den Durchlaßkanälen 45, 46,47 und 48 strömt und bei dieser Stromungsbewegung einer Drosselung unterworfen wird. Zu diesem Zweck sind die Durchlaßkanäle 45, 46 und 48 in ihrem durchströmbaren Querschnitt so bemessen, daß sie dem durchströmenden Hydraulikmedium die gewünschte Drosselwirkung aufprägen. Die bei dem Beispiel nach Fig. la bis Ic mit über ihre axiale Länge gleichbleibendem Ströinungsquerschnitt ausgeführten Durchlaßkanäle 45, 46 und 48 bilden dementsprechend über ihre gesamte axiale Länge Drosselstrecken, in denen die Drosselwirkung und damit die hydraulische Dämpfung sowohl beim Zusammenfahren als auch beim Auseinanderfahren von Innenrohrkörper 1 und Außenrohrkör- ω per 2 auftritt. Anstelle solcher axial langer Drosselstrekken besieht auch die Möglichkeit, definierte Drosselstellen mit geringer axialer Länge vorzusehen, die dadurch gebildet sein können, daß die Durchlaükanäle nur auf einem axial beschränkten Langenabschnitt einen verengten Drosselquerschnitt aufweisen, ansonsten jedoch so weit bemessen sind, daß sie dem strömenden llydraulikmedium keinen bzw. einen nur geringen Drosselwiderstand entgegensetzen. Dies ist als Beispiel in Fi g. Ib veranschaulicht, in der der Durchlaßkanal 47 einen solchen weiten Durchlaßquerschnitt darbietet, während die definierte Drosselstelle durch den oberen Stützring 62 der unteren Federkammer 42 gebildet wird, der mit seinem Außenumfang und der Innenfläche des gegenüberliegenden Bereiches des Außenrohrkörpers (Abschnitt 12) einen Drosselspalt 63 begrenzt. Eine solche Ausgestaltung kann beispielsweise jeweils auch im Bereich der Stützringe 59,60 und 61 vorgesehen sein, in welchem Fall dann die Verbindungskanäle 45,46 bzw. 48 eine entsprechend weite Querschnittsbemessung erhalten.

Eine abgewandelte Ausführung veranschaulicht die F i g. 3, bei der der Stützring 62 unter Abdichtung mittels Dichtungen 64 an seinem Innen- und seinem Außenumfang zwischen den Innenrohrkörper 1 und den Außenrohrkörper 2 zwischengefügt ist und axiale Durchlaßkanäle 65 aufweist, die bei einer Durchströmung mit Hydraulikmedium beim Zusammenfahren von Außenrohrkörper und Innenrohrkörper eine Drossel bilden. Zusätzlich dazu weist der Stützring 62 Durchlaßkanäle 66 auf, die einen bei Durchströmung in einer Richtung (von oben nach unten) drosselwirkungsfreien oder -verminderten Querschnitt darbieten und mittels eines Rückschlagventils 67 für eine Durchströmung in entgegengesetzter Richtung gesperrt sind. Bei einer solchen Ausführung tritt eine Dämpfungswirkung durch Drosselung des Hydraulikmediums nur bei Strömung des Hydraulikmediums in einer Richtung auf, wohingegen bei einer Strömungsrichtung in entgegengesetzter Richtung eine Drosselwirkung nicht oder nur in verringertem Maße gegeben ist. Auf diese Weise kann die Dämpfungswirkung beim Zusammenfahren von Innenrohrkörper 1 und Außenrohrkörper 2 anders bemessen werden als die Dämpfungswirkung beim Auseinanderfahren derselben. Die Ausgestaltung der Strömungsdrossel in Fig.3 ist nur ein Beispiel zur Veranschaulichung der Möglichkeiten zur unterschiedlichen Dämpfungsgestaltung in Abhängigkeit von den Bewegungsrichtungen der Rohrkörper des Stoßdämpfers. Es versteht sich, daß alle geeigneten Ventilgestaltungen Anwendung finden können, wobei es auch möglich ist, lediglich Durchlaßkanäle 66 im Stützring 62 vorzusehen, die dann von den Ventilen bei Durchströmung mit Hydraulikmedium in einer Richtung stärker als bei einer Durchströmung in entgegengesetzter Richtung verschlossen werden können.

Die F i g. 6 zeigt eine Abwandlung im unteren Bereich des Stoßdämpfers, bei der unterhalb des unteren und in Fig.6 nur schematisch angedeuteten Ausgleichskolbens 23 eine Endkammer 27' vorgesehen ist, die über Verbindungsbohrungen 70 mit dem Bohrloch in Verbindung steht und gegenüber dem zentralen Durchlaßkanal 9 für die Bohrspülung abgedichtet ist. Zu diesem Zweck ist zwischen dem unteren Ende des Abschnitts 5 des Innenrohrkörpers 1 und dem unteren Abschnitt Π des Außenrohrkörpers 2 eine Dichtung 71 eingesetzt, die das untere Ende des Kanals 28 abschließt. Diese Dichtung 71 befindet sich in einem Bereich eines gegenüber dem Durchmesser 41 für die obere Dichtung 19 nochmals verringerten Durchmessers, so daß angesichts der Verbindung der Kammer 27' mit der Spülung im Bohrloch eine nochmalige Verringerung der zwischen dem Innenrohrkörper I und dem Außenrohrkörper 2 herrschenden Kxpansionskrilftc erzielt wird.

Es versteht sich, daß im Rahmen der Erfindung /.ahlreiche Abwandlurgen möglich sind. So können

anstelle von zwei übereinander geordneten Federsäulen 57, 58 drei solche Säulen parallelwirkend übereinander geordnet werden. Auch kann die Zuordnung der Zahl gleichgeschichteter Tellerfedern zu einem Federpaket entsprechend der gewünschten Dämpfungswirkung verringert oder vergrößert werden. Dies gilt naturgemäß auch für die Zahl der innerhalb jeder Federsäule vorgesehenen Federpakete. Des weiteren können die Tellerfedern an ihren Eingriffsflächen mit einer verschleißmindernden Beschichtung, z. B. aus Tetra-

fluoräthylen, versehen sein. In Fällen mit entsprechend einfache Bohrbedingungen kann auch darauf verzichtet werden, Strömungsdrosseln für das Hydrauiikmedium im Ringraum 18 vorzusehen, wenn die Eigendänipfung der Tellerfedern infolge ihrer Reibung beim Arbeiten des Stoßdämpfers ausreicht. Anstelle einer Anordnung der Drehmoment-Übertragungsvorrichtung im oberen Bereich des Stoßdämpfers ist es weiterhin auch möglich, diese im unteren Bereich anzuordnen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (21)

Patentansprüche:

1. Stoßdämpfer für Tiefbohrgestänge, der in das Gestänge als Zwischenteil koaxial in vertikaler Ausrichtung einbaubar ist und einen Außenrohrkörper sowie einen Innenrohrkörper umfaßt, die koaxial relativ zueinander verschieblich, jedoch mittels einer im oberen Bereich des Stoßdämpfers angeordneten Drehmoment-Übertragungsvorrichtung gegen Verdrehen gesichert sind, zwischen sich einen mit Hydraulikmedium gefüllten Ringraum begrenzen und in dem Ringraum übereinandergeschichtete ringförmige Federelemente für eine Stoßaufnahme unter Stoßdämpfung abstützen, wobei der Ringraum durch eine obere Dichtung und durch eine untere Dichtung abgeschlossen ist, von denen die untere Dichtung einem koaxial zwischen dem Außen- und dem Innenrohrkörper begrenzt unabhängig verschieblichen, eine Ausgleichskammer für Hydraulikmedium im Ringraum unterseitig abschließenden Ausgleichskolben zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Federelemente auf zumindest zwei axial im Abstand übereinander angeordnete parallelwirkende Federsäulen (57, 58) aufgeteilt, in miteinander in Strömungsverbindung stehenden Federkammern (42, 43) des Ringraumes (18) untergebracht und von Tellerfedern (55,56) aus Stahl od. dgl. Metall gebildet sind, die innerhalb jeder Federsäule zu einer Anzahl gleichgeschichteter Pakete zusammengefaßt sind, deren Schichtungssinn in axialer Richtung von Paket zu Paket abwechselt.

2. Stoßdämpfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innen- und Außendurchmesser der Tellerfedern (55, 56) innerhalb einer Federsäule (57,58) untereinander gleich sind.

3. Stoßdämpfer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tellerfedern (55, 56) an ihren einander zugewandten Eingriffsflächen mit einer verschleißmindernden Beschichtung versehen sind.

4. Stoßdämpfer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Tellerfedern (55, 56) jeweils unter Belassung eines Umfangspaltes vom Innenrohrkörper (1) durchgriffen und vom Außenrohrkörper (2) umgeben sind.

5. Stoßdämpfer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Federkammer (42, 43) einen Pumpraum mit sich beim Zusammenfahren von Außenrohrkörpern (2) und Innenrohrkörpern (1) verminderndem und sich beim Auseinanderfahren derselben vergrößerndem Volumen bildet.

6. Stoßdämpfer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Federkammer (42,43) innen- und außenseitig von koaxialen zylindrischen Flächen des Innen- bzw. des Außenrohrkörpers (1, 2) unterseitig von einer einwärts vorspringenden Schulter (54, 52) des Außenrohrkörpers (2) und oberseitig von einer auswärts vorspringenden Schulter (53, 51) des Innenrohrkörpers (1) begrenzt sind.

7. Stoßdämpfer nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Federkammern (42, 43) untereinander durch axiale Durchlaßkanäle (46, 47) für das Hydraulikmedium in Verbindung stehen, wobei die unterste Federkammer (42) über einen axialen Durchlaßkanal (48) mit der Ausgleichskam-

mer (24) verbunden ist.

8. Stoßdämpfer nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der obersten Federkammer (43) eine zusätzliche Pumpkammer (44) in dem mit Hydraulikmedium gefüllten Ringraum (18) zwischen dem Außenrohrkörper (2) und dem Innenrohrkörper (1) ausgebildet ist, die innen- und außenseitig von koaxialen zylindrischen Flächen des Innenrohr- bzw. des Außenrohrkörpers, oberseitig von einer einwärts vorspringenden Schulter (49) des Außenrohrkörpers und unterseitig von einer auswärts vorspringenden Schulter (50) des Innenrohrkörpers begrenzt ist und über einen axialen Durchlaßkanal (45) mit der obersten Federkammer in Verbindung steht.

9. Stoßdämpfer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch zumindest eine zwischen Kammern des Ringraumes (18) angeordnete Strömungsdrossel für unter Pumpwirkung der Kammern strömendes Hydraulikmedium.

10. Stoßdämpfer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der axialen Durchlaßkanäle (45,46,48) eine Drossel bildet.

K. Stoßdämpfer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Drossel bildenden axialen Durchlaßkanäle (45, 46, 48) einen über ihre axiale Länge gleichbleibenden durchströmbaren Dronselquerschnitt aufweisen.

12. Stoßdämpfer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Drossel bildenden Durchlaßkanäle einen nur auf einen axialen Längenabschnitt beschränkten, verengten Drosselquerschnitt aufweisen.

13. Stoßdämpfer nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche axialen Durchlaßkanäle (45, 46, 48) zwischen den Kammern (24, 42, 43, 44) des Ringraumes (18) Drosseln bilden.

14. Stoßdämpfer nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosseln bei einer Durchströmung mit Hydraulikmedium auf dieses eine in beiden Strömungsrichtungen gleiche Drosselwirkung ausüben.

15. Stoßdämpfer nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige der Drosseln auf Hydraulikmedium eine in Abhängigkeit von der Strömungsrichtung unterschiedliche Drosselwirkung ausüben.

16. Stoßdämpfer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Federkammer (42, 43) oberhalb und unterhalb der Federsäule ein gesonderter Stützring (59, 60,61,62) angeordnet ist, von denen zumindest ein jeweils oberer Stützring an seiner Außenumfangsfläche mit der ihm gegenüberliegenden Innenumfangsfläche des Außenrohrkörpers und/oder von denen ein jeweils unterer Stützring an seiner Innenumfangsfläche mit der ihm gegenüberliegenden Außenumfangsfläche des Innenrohrkörpers einen axialen Drosselspalt (63) begrenzt.

17. Stoßdämpfer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der Stützringe unter Abdichtung an seinem Innen- und an seinem Außenumfang zwischen den Innenrohrkörper und den Außenrohrkörper zwischengefügt ist und axiale Durchlaßkanäle aufweist, die bei einer Durchströmung mit Hydraulikmedium beim Zusammenfahren von Außenrohrkörper und Innenrohrkörper eine

Drossel bildet.

18. Stoßdämpfer nach Anspruch 9 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützring Durchlaßkanäle (66) aufweist, die einen bei Durchströmung in einer Richtung drosselwirkungsfreien oder -verminderten Querschnitt darbieten und mittels eines Rückschlagventils (67) od. dgl. für eine Durchströmung in entgegengesetzter Richtung sperrbar sind.

19. Stoßdämpfer für Tiefbohrgestänge, der in das Gestänge als Zwischenteil koaxial in vertikaler Ausrichtung einbaubar ist und einen Außenrohrkörper sowie einen Innenrohrkörper umfaßt, die koaxial relativ zueinander verschieblich, jedoch mittels einer im oberen Bereich des Stoßdämpfers angeordneten Drehmoment-Übertragungsvorrichtung gegen ein Verdrehen gesichert sind, zwischen sich einen mit Hydraulikmedium gefüllten Ringraum begrenzen und in dem Ringraum übereinandergeschichtete ringförmige Federelemente für eine Stoßaufnahme unter Dämpfung abstützen, wobei der Ringraum durch eine obere Dichtung und durch eine untere Dichtung abgeschlossen ist, von denen die untere Dichtung einem koaxial zwischen dem Außen- und dem Innenrohrkörper begrenzt unabhängig verschieblichen, eine Ausgleichskammer für Hydraulikmedium im Ringraum unterseitig abschließenden Ausgleichskolben zugeordnet ist, insbesondere nach Anspruch 1 oder einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringraum (18) für die Federelemente durch seine obere Dichtung (19) im Abstand unterhalb der Drehmoment-Übertragungsvorrichtung (30) abgeschlossen und die Drehmoment-Übertragungsvorrichtung ihrerseits in einem gesonderten, mit Hydraulikmedium gefüllten Ringraum (32) zwischen dem Außen- und dem Innenrohrkörper (2, 1) angeordnet ist, der seinerseits durch eine obere Dichtung (33) und durch eine untere Dichtung (35, 36) abgeschlossen ist, von denen die untere Dichtung einem koaxial zwischen dem Außen- und dem Innenrohrkörper begrenzt unabhängig verschieblichen, eine Ausgleichskammer (37) für Hydraulikmedium unterseitig abschließenden oberen Ausgleichskolben (34) zugeordnet ist, unter dem sich zwischen dem Außen- und dem Innenrohrkörper eine über Verbindungsbohrungen (39) mit dem Spülungsraum des Bohrlochs verbundene Zwischenkammer (38) befindet.

20. Stoßdämpfer nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser des Innenrohrkörpers (1) im Bereich der oberen Dichtung (19) des Ringraumes (18) für die Federelemente (55,56) kleiner ist als der Außendurchmesser des Innenrohrkörpers im Bereich der oberen Dichtung (33) des Ringraumes (32) für die Drehmoment-Übertragungsvorrichtung (30).

21. Stoßdämpfer nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des unteren Ausgleichskolbens (23) zwischen dem Außen- und dem Innenrohrkörper (2, 1) eine über Verbindungsbohrungen (70) mit dem Bohrloch in Verbindung stehende Endkammer (27') vorgesehen ist und daß unterhalb dieser Endkammer zwischen dem Außen- und dem Innenrohrkörper eine Dichtung (71) eingesetzt ist.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Stoßdämpfer für Tiefbohrgestänge, der in das Gestänge als Zwischenteil koaxial in vertikaler Ausrichtung einbaubar ist und einen Außenrohrkörper sowie einen Innenrohrkörper ■> umfaßt, die koaxial relativ zueinander verschieblich, jedoch mittels einer im oberen Bereich des Stoßdämpfers angeordneten Drehmoment-Übertragungsvorrichtung gegen Verdrehen gesichert sind zwischen sich einen mit Hydraulikmedium gefüllten Ringraum begrenzen und in dem Ringraum übereinandergeschichtete ringförmige Federelemente für eine Stoßaufnahme unter Stoßdämpfung abstützen, wobei der Ringraum durch eine obere Dichtung und durch eine untere Dichtung abgeschlossen ist, von denen die untere Dichtung einem koaxial zwischen dem Außen- und dem !nnenrohrkörper begrenzt unabhängig verschieblichen, eine Ausgleichskammer für das Hydraulikmedium im Ringraum unterseitig abschließenden Ausgleichskolben zugeordnet ist.

Bei einem bekannten Stoßdämpfer dieser Art bestehen die Federelemente aus ebenen Ringscheiben aus einem elastomeren Material, insbesondere Polyurethan, die unter Zwischenfügung von Metallaufnahmescheiben zu einer einzigen Säule übereinandergeschichtet sind. Die elastische Verformbarkeit der Elastomerringe vermittelt einem solchen Stoßdämpfer je nach Ausführung Hubwege von etwa 30 bis 100 mm bei einer erwünschten, weichen Federcharakteristik und einem günstigen Dämpfungsverhalten, das aus dem Eigen-

iii dämpfungswert des elastomeren Materials resultiert. Das Hydraulikmedium in dem zugleich auch die Drehmoment-Übertragungsvorrichtung aufnehmenden Ringraum steht vermittels des Ausgleichskolbens unter dem Druck der Spülung im Bohrgestänge, wirkt im Bereich der von einem Nut- und Federsystem gebildeten Drehmoment-Übertragungsvorrichtung als Schmiermittel und erfüllt unter anderem im Ringraum eine Druckausgleichsfunktion gegenüber den Drücken in der Spülung und denen im Bohrloch, wobei der

in Ausgleichskolben eine selbsttätige Druckanpassung herbeiführt sowie gegebenenfalls eintretende Verluste an Hydraulikmedium auffängt.

Die Einsatzmöglichkeiten derartiger Stoßdämpfer, welche die Aufgabe haben, die vom Bohrmeißel auf das

4"> Bohrgestänge rückwirkenden Schwingungen zu dämpfen und die aus solchen Schwingungen resultierenden hohen dynamischen Belastungen des Bohrgestänges zu vermindern sowie im Interesse einer erhöhten Bohrgeschwindigkeit den Bohrmeißeldruck zu vergleichmäßi-

>o gen, haben sich sowohl in tiefen als auch in flachen Bohrungen innerhalb weiter Drehzahlbereiche und auch bei schwierigen Bohrbedingungen bewährt, sind jedoch in ihren Einsatzmöglichkeiten auf Bohrungen beschränkt, bei denen die Temperatur im Bohrloch etwa

r> 100 bis 130⁰C nicht übersteigt und bei denen verhältnismäßig große Außendurchmesser des Bohrgestänges und damit des Stoßdämpfers nicht unterschritten werden. Auch der Druck der Spülung im Bohrgestänge schränkt die Einsatzmöglichkeiten ein, da

mi dieser Spülungsdruck auf das Hydraulikmedium im Ringraum einwirkt und dieser Druck im Hydraulikmedium eine axial wirkende Expansionskraft zwischen dem Außen- und dem Innenrohrkörper erzeugt, die die Bohrmeißelbelastung übersteigen und zur Folge haben

"> kann, daß der Außen- und der innenrohrkörper auseinandergefahren werden und der Stoßdämpfer wie ein relativ starres Element wirkt.
Der Erfindung Meet die Aufgabe zuerunde. einen