DE2741438A1

DE2741438A1 - Dichtungseinheit

Info

Publication number: DE2741438A1
Application number: DE19772741438
Authority: DE
Inventors: Henry Paul Arendt
Original assignee: Otis Engineering Corp
Current assignee: Otis Engineering Corp
Priority date: 1976-09-14
Filing date: 1977-09-14
Publication date: 1978-03-23
Also published as: SE7709980L; NO773152L; FR2364382B1; GB1592781A; CA1073744A; FR2364382A1; DE2741438C2; NL7710088A; US4078810A; AU2866277A; AU517302B2

Description

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HOFFMANN · EITLE & PARTNER

PATENTJlNwXlTE 97Δ1Λ38 DR. ING. E. HOFFMANN (1930-197«) · Dl Pl.-I NG. W. EITLE · D«. RE«. NAT. K. H OFFMAN N - Dl Pl.-I NG. W. IEH N

DIPL.-ING. K. FOCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABEILASTRASSE 4 (STERN HAUS) · D-8000 MD N CH EN 81 · TELEFON (089) 911087 · TELEX 05-29619 (PATH E)

29 716 p/eh

Otis Engineering Corporation, Carrollton, Texas/ USA

DICHTUNGSEINHEIT

Die Erfindung bezieht sich auf eine in Strömungsleitungen verwendete Dichtung und insbesondere auf eine Abpump-Kolbendichtungseinheit für den Antrieb von Werkzeugen entlang von Strömungsleitungen mittels eines Stromungsmitteldruckes und als Bohrlochschwabbler.

Elastische Ringdichtungen wurden dazu verwendet, verschiedene Arten von Werkzeugen durch Strömungsmittelleitungen in Bohrlochwartungsbetrieben zu pumpen.

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Derartige Systeme haben besondere Bedeutung bei Bohrlöchern in abseits aelegene;! Bereichen, wie unter dem Meer liegenden Orten, die meistens entweder von einer Küstenstation oder einer Wa.se jbt rf lächer<plat.tform gewartet werden müssen. Bei einem typischen Drahtseilapparat besteht bei Abpumpvorg.ingen eine mechanische Drahtverbindung zwischen der Bohrlochkopf und den Werkzeugen, so daß bei einem Werkzeugfehler der Bedienungsperson keine Möglichkeit verbleibt, die Ausrüstung zur Oberfläche zurückzuholen. vSomii.. sind dauerhafte und betriebssichere Kolbeneinheiten für einen erfolgreichen Abpumpbetrieb als kritisch anzusehen.

Die Bohrlochwartung durch ALpunptechniken hängt nicht von der Schwerkraft ab, so daß diese sehr gut für eine Anwendung dort geeignet ist, wi ein vertikaler Zugang nicht praktisch ist, wie bei gewissen Bohrlöchern unterhalb des Meeresspiegels, al ^o wo die Bohrlöcher gekrümmt oder scharf abgeknickt sind. Abpumptechniken sind insbesondere dann anwendbar, wenn sie infolge der Drahtfestigkeit bei konventionellen Drahtseilbetrieben nicht durch eine extreme Tiefe begrenzt sind. Bestehende Drahtseilausrüstungen können nicht tiefer als ungefähr 6.09 6 Meter (20.000 Fuß) und zwar wegen den speziellen Problemen, denen man unter solch ungünsL.i-v.n Umgebungen begegnet, wie Bohrungen in sauren oder i!ochtamperaturbohrungen, die insbesondere in sehr tiefen Bohrlöchern angetroffen werden, betrieben werden.

In ablandigen Bereichen, werden oft Begleitbohrungen enthaltene Installationen durch üb-sr den Meeresboden gelegte Strömungsleitungen verbünde:.. ' Ie längste solcher Strömungsleitungen, wie sie zur Zeit im Bereich der Nordsee verwendet werden,sind ungefähr 1.829 Meter (6.000 Fuß) lang, obwohl Entfernungen bis zu 40 km zwischen den Bohrlochköpfen und den Plattformen unter Betracht zu ziehen sind.

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Die bisherigen Entwicklungen in Alaska zeigen die Umstände für die Verwendung von Abpumptechniken, da Drahtseile in arktischen Temperaturen steif und brüchig werden. : ■

Die Abpumptechniken umfassen die Verbindung von verschiedenen Kolbeneinheiten, die mit einer Werkzeugkette verbunden sind. Diese Werkzeugkette umfaßt Stößel, Beschleuniger, Kratzer, und die notwendigen Lauf- und Ziehwerkzeuge, die erforderlich sind, um die Strömungssteuerung in einem Bohrlochausbau zu betreiben, anzuordnen und zu ziehen. Zur Zeit ist ein Schwabbeltopf die bei Abpumpeinheiten gebräuchlichste Dichtung wegen der Unverfügbarkeit der speziell für die Abpumpwartung bestimmten Elemente. Herkömmliche Schwabbeltöpfe sind für das mechanische Anheben der Flüssigkeit aus einem Bohrlochleiter durch Bildung einer Dichtung mit der Leiterwand bestimmt, um die Flüssigkeit im Leiter oberhalb des Schwabbeltopfes anzuheben. Derartige Schwabbeltopfe (swab cups) umfassen gewöhnlich eine Reihe von feinen relativ flexiblen Lappen, welche individuell oder in Gruppen durch dickere, inflexible Lippen abgestützt werden. Die dünnen Lappen folgen den Konturen des Rohres, um die Strömungsmittelumströmung geringzuhalten, während die schwereren Lippen den Hauptbestandteil der Last bzw. der Uberdruckzunahme aufnehmen. Ein bekannter Schwabbeltopf hat die Form eines Drosselringes mit Lappen. Jedoch wird der Drosselring nicht durch die Lappen betätigt, sondern funktioniert eher vollständig unabhängig.

Bei Abpumpkolben verwendete Dichtungseinheiten werden während zweier prinzipeller Phasen des Betriebes solcher Einheiten einer Abnutzung unterworfen. Wenn die Einheiten für den Transport von Werkzeugen in und aus den Bohrungen zwischen einem Bohrungskopf und der tatsächlichen Stelle

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zur Durchführung der Bearbeitung, für die die Werkzeuge eingeführt werden, verwendet werden, bewegen sich die Werkzeuge über lange Strecken, und zwar gewöhnlich bei einem überdruck von 7 at bis 21 at (1OO bis 300 psi)· Während einer solchen Bewegung können die Einheiten Wülsten oder Bünden der Strömungsleitungen, Schweißverbindungen, Rohrbohrungen reduzierten Durchmessers, Schleifen, die gewöhnlich einen Durchmesser von ungefähr 1,5 Meter (5 Fuß) haben, Verteilern, Absperr- und Halteprofilen entlang der Strömungsleitungsoberflache, Seitentaschendornen, Rohrsicherheitsventilen und anderen Formen einer Oberflächenkonfiguration und Veränderung entlang der Strömungsleitungsoberflache begegnen. Dichtungseinheiten verformen sich um einen gewissen Betrag jedesmal dann, wenn sie an einem dieser Unebenheiten vorbeistreichen. Somit werden die Dichtungseinheiten im wesentlichen einer abrasiven Beschädigung unterworfen. Zum Beispiel wurde berechnet, daß ein vollständiger Umlauf über 40 km Strömungsleitung in einem 3.050 Meter (IO.000 Fuß) langen Bohrloch damit vergleichbar ist, daß die Werkzeugkette ca. 80 km (44 Meilen) auf einer Betonstraße gezogen wird. Während der Überdruck bzw. die Druckunterschiede bei der Transportphase der Dichtungseinheit relativ mäßig ist, so tritt die Hauptbeschädigung der Einheit wahrscheinlich während dieser Phase auf, und zwar wegen der vielen Wechsel der Strömungsbedingungen und der Tatsache, daß die Mehrheit der nutzvollen Lebensdauer der Einheit während dieser Betriebsphase verbraucht wird.

Die andere Betriebsphase der Dichtungseinheiten, welche eine Beschädigung bedingt, tritt dann auf, wenn die Einheiten tatsächlich die Bearbeitung durchführen, für die die Werkzeugkette in die Bohrung eingeführt wird.

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Während dieser Betriebsphase treten üblicherweise Überdrücke von ca. 351,5 at (5.000 psi) auf. Ebenso werden Druckschwankungen gewöhnlicherweise dazu verwendet, Rüttelwirkungen ("jarring effects") zu entwickeln, um bestimmte Werkzeugvorgänge durchzuführen. Es wurde festgestellt, daß im wesentlichen hohe Überdrücke bzw. hohe Druckunterschiede und hohe Temperaturen bei zukünftigen Bohrlochwartungen unter Verwendung solcher Dichtungseinheiten verwendet werden.

Für das Vorantreiben von Werkzeugen in Strömungsleitungen verwendete Dichtungseinheiten müssen in der Lage sein, eine effektive Dichtung mit der Strömungsleitungswand zu schaffen, die ausreichend ist, um Werkzeugketten zu einer Bearbeitungsstelle und von dieser zu pumpen und um die notwendige Bearbeitung in einer Bohrlochbohrung durchzuführen, während zu derselben Zeit die Strömung durch die Strömungsleitung nicht vollständig blockiert wird. Solche Einheiten müssen ein Vorbeiströmen einer gesteuerten Strömungsmittelmenge bei einem gegebenen Überdruck für eine Anzahl von verschiedenen Zwecken zulassen. Diese Zwecke bestehen im Waschen vor der Werkzeugkette für das Schneiden von Paraffin, in der Zulassung dessen, daß der Druck andere stromabwärts liegende Kolben in der Werkzeugkette erreicht, um zusätzliche Dichtungseinheiten entweder innerhalb der Werkzeugkette oder innerhalb einer zweiten Werkzeuqkette voranzuschieben, die für den Fall in die Strömungsmittelleitung gepumpt wird, wenn die Originalwerkzeugkette festgefahren ist und in der Eleminierung der Möglichkeit einer vollständigen Verstopfung der Strömungsleitung.

Zur Zeit verfügbare Dichtungseinheiten fallen hauptsächlich wegen gebrochener Lippen und nicht wegen einer sysematischen Abnutzung aus. Es wird angenommen, daß solche Einheiten Anforderungen unterworfen werden, die jenseits der Möglichkeiten der Einheiten liegen.

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Zukünftig ins Auge gefaßte Erfordernisse für die Dichtungseinheiten umfassen harte chemische, thermische und druckmäßige Bedingungen sowie hohe Anforderungen an die Lebensdauer und zwar innerhalb vorhergesagter Bedingungen. Die Einheiten können dabei einer chemischen Umgebung, d.h. einer H₂S-Konzentration von 50 % und einer hochkonzentrierten CO₂-Umgebung begegnen, wobei ausgiebig Korrosionsverhinderungsmittel verwendet werden, die das Metall schützen, aber zur Zerstörung der elastischen Teile der Dichtungseinheit neigen und wobei trockenes Gas als Vortreibmittel verwendet wird. In thermischer Hinsicht können die Dichtungseinheiten bei der Ruhelage bzw. der Lagerung einer unter O-Temperatur von minus 51° C (60° F) bis minus 118°C (180⁰F) begegnen und bei der tatsächlichen Benutzung einer Temperatur von 121° C (250⁰F) bis 260° (500°F). Im Umlauf befindlich, begegnen solche Einheiten Strömungsmittel, welche süßes Rohwasser, Salzwasser, Diesel, Kondensat, leichte Öle mit Hemmungsmitteln und Zugaben und Gase, wie Methan, Ethan, Butan und verwandte Gase sowie verschiedene Verunreinigungen, wie H-S, CO₂, Ätzmittel, Cloride sowie andere Mittel, wie Alkohol, Amine und dergl. umfaßt.

Die Druckerfordernisse für die Dichtungseinheiten können, wie bereits zuvor angegeben mehr als 351,5 at (5.000 psi) bei Umgebungsdrücken betragen, die mehr als 1.757,5 at (25.000 psi) betragen können. Die Anforderungen an die Lebensdauer bzw. die Wartungsdauer solcher Einheiten sind extrem hoch, um übermäßige Kosten infolge vorzeitigen Ausfalls auszuschließen. Zum Beispiel sollten solche Einheiten vor einem Austausch für einen Standardbetrieb einen Minimalweg von 76 km (250.000 Fuß) bis zu 305 km (1.000.000 Fuß) unter optimalen Bedingungen zurücklegen, jedoch nicht weniger als ungefähr 15 km (50.000 Fuß) unter extremen Bedingungen. Sie bewegen sich 30 Stunden für eine

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Entfernung von 18 km (60.000 Fuß) bei bis zum 260° C (5OO°F) und 1.757.5 at (25.000 psi) Umgebungsdruck, ohne Bypass-Strömungen bei einem Druck von 35 at (500 psi), wo Messaufnehmer sich in ultra-tiefen Bohrungen befinden. In Strömungsleitungen kann erwartet werden, daß die Einheiten für das Messen, Steuern, Kunststoffbeschichten, das Feststellen von Lecks und dergl. bis zu 390 km (200 Meilen) ablaufen. Bei einigen Vorgängen unter dem Meeresspiegel kann erwartet werden, daß die die Dichtungseinheiten umfassenden Werkzeugketten bei einer Strömungsmittelumgebung für mehr als 90 Tage bei den verschiedensten Verwendungen im Bohrloch verbleiben können.

Bohrlochschwabbler werden verwendet, um Strömungsmittel aus den Bohrlöchern zu entfernen, um Strömungsmittel in Bohrlöchern zu rühren und für ähnliche Funktionen. Der Schwabbier wird normalerweise gezogen oder mechanisch entlang eines Bohrloches durch ein Kabel oder eine rohrförmige Handhabung angetrieben. Laufend verfügbare Schabbier sind nicht nur als Schwabbier vollkommen, sondern sind ebenso nicht für extreme Anforderungen, wie sie bei Abpumpkolben anzutreffen sind, bestimmt.

Daher besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine neue und verbesserte kolbenähnliche Dichtungseinheit für die Verwendung als eine flüssigkeitsbetriebene Lokomotive zum Vorantreiben von Werkzeugen entlang einer Strömungsleitung oder als Bohrloch- oder Brunnenbohrungsschwabbler zum Anheben von Flüssigkeiten aus Bohrlöchern oder Brunnenbohrungen, die man auch als Flüssigkeitsheber bezeichnen kann, welche nicht die vorgenannten Nachteile aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Dichtungseinheit zur Verwendung in einer Strömungsleitung als einen Abpump-

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kolben oder einen Flüssigkeitsheber mit einem Dornkörper versehen, welcher zumindest ein Ende aufweist, welches für die Verbindung mit einem angetriebenen Werkzeug oder einem angetriebenen Glied vorgesehen ist. Eine Montagehülse ist für einen begrenzten Längsbewegungsweg auf dem Dornkörper angeordnet. Auf der Hülse befindet sich eine elastische Dichtungsanordnung, welche einen gelippten Bereich aufweist, der einen mit der Hülse verklebten gelippten Bereich und einen Drosselring aufweist, welcher infolge des Längsverschiebeweges der Hülse ausdehnbar ist. Die Längsbewegung der Hülse wird durch die Aufbringung eines Strömungsmittelüberdruckes auf den gelippten Bereich über einen bestimmten Betrag hinaus bewirkt. Die Lippen oder Lappen des gelippten Bereiches haben jeweils einen Querschnitt, welcher in Richtung auf den Fuß derselben zunimmt und mit einer speziellen rechtwinkligen Außenkante versehen ist, um einen gleichmäßigen oder konsistenten Biegevorgang der Lippen vorzusehen . Für die Abnutzung ist ein adäquates Kantenmaterial vorgesehen. Bei einem für den Transport des Kolbens und der damit verbundenen Werkzeuge in die Strömungsleitung eingebrachten niedrigen Überdruck erweitern sich die Lippen nach außen, um mit der Wandung der Strömungsleitung eine Dichtung zu bilden. Dabei wird ein Strömungsmittelverlust verhindert und der Kolben und die Werkzeuge können sich durch die Strömungsleitung bewegen. Bei größeren Überdrücken biegen sich die Lippen über, so daß eine Strömung an den Lippen vorbei möglich ist und eine Kraft auf die Hülse aufgebracht wird, um diese in Richtung auf das Drosselglied zu bewegen. Durch diese Bewegung ergibt sich eine Ausdehnung des Drosselgliedes für eine weitere Beschränkung der am Drosselglied vorbeigehenden Strömung. Der Verschiebeweg der Hülse ist hinsichtlich einer vorbestimmten Ausdehnung des Drosselgliedes auf einen Maximaldurchmesser begrenzt, wodurch ein bestimmtes Vorbeifließen des Strömungsmittels an den Lippen und am Drosselglied

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vorbei möglich ist, wobei das Drosselglied den größeren Teil der auf den Kolben infolge des Überdruckes aufgebrachten Last aufnimmt, wodurch die Lippen einer minimalen Lippenabnutzung unterworfen sind. Durch Änderung des Bewegungsbetrages der Hülse kann die Drosselringausdehnung zu- oder abnehmen. Solch eine Bewegungsgröße wird durch den Abstand zwischen der Hülse und einer Anschlagschulter gesteuert. Bei einer Form des Kolbens ist das elastische Dichtungsglied ein einstückiges Teil mit dem gelippten Bereich und dem Drosselglied, wobei die gesamte Länge des gelippten Bereiches und ungefähr die Hälfte des Drosselgliedes mit der Hülse verklebt sind, während der Hauptteil des verbleibenden Bereiches des Drosselgliedes auf einem Rückeinsatz sitzt, der nicht mit dem Drosselglied verklebt ist. Bei einer anderen Form der Kolbeneinheit ist der verbleibende Bereich des Drosselgliedes mit einer kurzen Rückeinsatzhülse alleine, ohne die Verwendung eines Rückhalteflansches verklebt. Bei einer weiteren Ausführungsform der Kolbeneinheit ist der verbleibende Endbereich des Drosselgliedes mit einer aus einer Hülse und einem Rückhalteflansch bestehenden Einheit verklebt. Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Drosselglied des Dichtungselementes unabhängig vom gelippten Bereich ausgebildet und zwischen zwei Rückhalteringen angeordnet, welche unter Quetschen des Drosselgliedes durch den auf den gelippten Bereich aufgebrachten überdruck aufeinanderzubewegbar sind. Bei einer bestimmten Form dieser letzteren Ausführungsform erstreckt sich die mit dem gelippten Bereich verklebte Hülse in nicht geklebtem losen Verhältnis in den Drosselbereich, wobei ein äußerer Flansch auf der Hülse zwischen dem gelippten Bereich und dem benachbarten Rückhalteflansch vorgesehen ist, um den auf dem gelippten Bereich aufgebrachten überdruck bzw. die dadurch bedingte Kraft auf den Rückhalteflansch übertragen wird, um das Drosselglied auszudehnen.

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Entsprechend der Erfindung wird eine Kolbeneinheit der beschriebenen Gattung geschaffen, welche eine Kombination aus flexiblen ringförmigen Lippen und aus einem deformierbaren Drosselring verwendet, wobei die durch den Überdruck auf die Dichtung bewirkte Last von den Lippen auf das Drosselglied übertragen wird, wenn der Überdruck über einen bestimmten Wert ansteigt.

Die Lippen weiten sich auf gegen die Wand der Leitung, um ein Vorbeiströmen des Strömungsmediums bei niedrigem Überdruck zu vermeiden. Die Lippen verbiegen sich bei einem Zwischenüberdruck um eine bestimmte Strömungsmittelvorbeiströmung zuzulassen. Bei einem höheren Überdruck, und der bei diesem auf die Dichtungseinheit infolge des Überdrucks von den Lippen größtenteils zum Drosselglied aufgebrachten Kraft dehnt sich das Drosselglied aus. Bei einem höheren Überdruck gestatten sowohl die Lippen als auch das Drosselglied ein Vorbeiströmen des Strömungsmittels entlang der Strömungsleitung um die Einheit herum.

Die Ausdehnung des Drosselgliedes wird durch die Bewegungsgröße der Montagehülse bestimmt, um ein vorbestimmte Vorbeiströmung des Strömungsmittels um das Drosselglied herum vorzusehen.

Der gelippte Bereich der Einheit ist mit einer in Längsrichtung bewegbaren Hülse verklebt, welche eine Ausdehnungskraft auf das Drosselglied der Einheit überträgt, wenn der überdruck auf den gelippten Bereich einen vorbestimmten Wert überschreitet, um das Drosselglied zur Übertragung eines größeren Teils der durch den Überdruck auf die Einheit aufgebrachten Last vom gelippten Bereich auf das Drosselglied zu übertragen.

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Das Drosselglied in der Einheit expandiert ausreichend, wenn alle Lippen der Einheit infolge des Strömungsmittelüberdruckes für das Drosselglied abgebogen sind, um eine genügende Strömungsbeschränkung zu schaffen, so daß vom Drosselglied der größere Teil der durch den überdruck auf die Einheit übertragene Last getragen wird.

Die Lippen haben einen besonderen rechtwinkligen Querschnitt, welcher in Richtung auf den Fuß der Lippen zunimmt, um einen konsistenten und gleichförmigen Biegevorgang und um ein adäquates Kantenmaterial für die Abnutzung vorzusehen.

Der gelippte Bereich der Einheit ist durch einen O-Ring mit dem Dornkörper der Einheit abgedichtet, wodurch der Querschnittsbereich zwischen dem Fuß der Lippen und der O-Ringdichtung durch den mittels des expandierten Drosselgliedes der Einheit hergestellten überdruck bewirkt wird, der in einer Kraft resultiert, die das Drosselglied in der ausgedehnten Position hält.

Entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Kolbeneinheit eine auf einem Dornkörper gleitende Hülse und einer Dichtungseinrichtung, welche eine Vielzahl von ringförmigen Lippen und ein ausdehnbares, ringförmiges Drosselglied umfaßt, welches auf der Hülse befestigt ist. Die Hülse ist mit der Dichtungseinrichtung entlang der Länge des gelippten Bereiches und ungefähr über die Hälfte des Drosselgliedes verklebt.

Entsprechend einer Ausführungsform der Kolbeneinheit besteht die Dichtungseinheit einstückig aus einem ringförmigen, elastischen Glied mit einem gelippten Bereich und einem deformierbaren Drosselbereich. Das ringförmige Dichtungsglied kann aus einem ersten gelippten Bereich

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und einem zweiten getrennten, deformierbaren Drosselbereich bestehen.

Da."5 elastische ringförmige Dichtungsglied ist bei hohem Druck für eine rauhe Bearbeitung geeignet, wobei ein Bereich des Drosselgliedes mit einer Hülse verklebt ist, die nicht mit einem steifen, ringförmigen Rückhalteflansch versehen ist. Entsprechend einer besonderen Ausführungsform ist ein Teil des deformierbaren Drosselgliedes mit einer Hülse verklebt, die einen äußeren ringförmigen Rückhalteflansch aufweist.

Entsprechend einer anderen Ausführungsform umfaßt das ringförmige, elastische Dichtungselement einen ersten gelippten Bereich, der auf einer längsbewegbaren Hülse angeordnet ist, die wiederum auf einen Dornkörper aufgeschoben ist. Ebenfalls besteht das Dichtungsglied aus einem getrennten im Abstand angeordneten, deformierbaren Drosselbereich, welcher auf ringförmigen flanschartigen Rückhaltegliedern geklebt ist, die gleitend auf dem Dornkörper angeordnet sind, um das Drosselglied zu quetschen und dieses somit infolge der längsgerichteten Belastung des gelippten Bereiches auszudehnen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den beigefügten Zeichnungen rein schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt einer Ausführungsform einer Kolbeneinheit mit den Merkmalen der Erfindung,

Fig. 2 einen Teilschnitt und eine Ansicht eines Werkzeugzuges, welcher mit zwei kolben-

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ähnlichen Einheiten versehen ist, die für den Verlauf entlang einer Stromungsleitungsschleife angeordnet sind,

Fig. 3 eine vergrößerte Schnittansicht des Dichtungselementes der Kolbeneinheit entsprechend Fig. 1 mit dem Umbiegen der Lippen und der Ausdehnung des Absperrbereiches, wenn dieser für die Verschiebung des Kolbens entlang der Strömungsleitung einem Druckunterschied unterworfen wird,

Fig. 4 einen Teilschnitt einer anderen Ausführungsform einer Kolbeneinheit mit den Merkmalen der Erfindung,

Fig. 5 einen Teilschnitt einer weiteren Ausführungsform der Kolbeneinheit mit den Merkmalen der Erfindung,

Fig. 6 einen Teilschnitt einer weiteren Ausführungsform einer Kolbeneinheit mit den Merkmalen der Erfindung,

Fig. 7 einen Teilschnitt einer weiteren Ausführungsform der Kolbeneinheit mit den Merkmalen der Erfindung und

Fig. 8 einen Teilschnitt einer abgeänderten Ausführungsform der in Fig. 7 dargestellten Kolbeneinheit mit den Merkmalen der Erfindung.

Entsprechend der Darstellung in Fig. 1 umfaßt eine Dichtungseinheit oder Kolben 10, welcher in Übereinstimmung

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mit der Erfindung konstruiert wurde, einen Dornkörper 11, welcher einen reduzierten,außen mit einem Gewinde versehenen Ansatz 12 aufweist, auf dem eine Dornkappe 13 aufgeschraubt ist. Der Dornkörper weist einen reduzierten länglichen Mittelbereich 14 auf, auf dem sich gleitend für eine begrenzte Längsbewegung eine Montagehülse 15 abstützt. Der reduzierte Mittelbereich 14 erstreckt sich von einer äußeren ringförmigen Anschlagschulter 20 auf dem Dornkörper bis zum Gewindebereich des Ansatzes 12. Der reduzierte Bereich 14 des Dornkörpers ist mit einer äußeren ringförmigen Ausnehmung 21 versehen, in der für die Abdichtung zwischen dem Bereich 14 und der Hülse 15 ein Dichtungsring 30 angeordnet ist.

Auf dem Dornkörper 11 ist über der Montagehülse 15 ein ringförmiges, elastisches Dichtungselement 23 befestigt. Entsprechend der Darstellung in Fig. 1 ist das Dichtungselement als einstückiges Teil ausgebildet, welches eine Vielzahl von in Längsrichtung des Kolbens im Abstand voneinander angeordnetei äußerai ringförmigen Lippen oder Lappen 24 aufweist, die entlang der Länge eines rohrförmigen Kerns 25 ausgebildet sind,der mit einem deformierbaren ringförmigen Drosselglied 30 verbunden ist. Das Drosselglied 30 hat einen zentralen vergrößerten Nabenbereich 30a. Das Dichtungselement 23 ist auf der Montagehülse 15 geklebt, die sich entlang der gesamten Länge des gelippten Bereiches des Elementes und nahezu entlang der Hälfte des Drosselgliedes 30 erstreckt. Der freie Endbereich des Drosselgliedes 30 stützt sich auf einem ringförmigen Rückeinsatz 31 ab, welcher mit einem Hülsenbereich 32 versehen ist, auf dem das Drosselglied 30 augeschoben ist. Dieser Rückeinsatz 31 ist mit einem Flansch 33 versehen, welcher an der Endkante des Drosselgliedes 30 anliegt. Die Länge des Rückeinsatzes 31 entlang des Hülsenbereiches 32 ist derart bemessen, daß innerhalb des

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Drosselgliedes zwischen der Innenkante 32a des Hülsenbereiches 32 und der benachbarten Endkante 15a der Montagehülse 15 ein Zwischenraum 34 verbleibt, damit eine begrenzte Längsbewegung der Hülse 15 in Richtung auf den Rückeinsatz 31 möglich ist, was später noch im einzelnen erläutert wird.

Jede Lippe 24 des elastischen Elementes 2 3 hat eine im wesentlichen rechtwinklige Außenkantengestaltung 24a, um für die infolge der zwischen der Wandung der Strömungsleitung und dem Dichtungselement auftretenden Reibung entstehende Abnutzung ausreichend Abnutzungsmaterial vorzusehen. Der Querschnitt des Körpers einer jeden Lippe, welcher mit 24b bezeichnet ist, nimmt in der Dicke gemessen, entlang der Längsachse oder Länge des Elementes 23 radial nach innen in Richtung auf den Fußbereich einer jeden Lippe am hülsenförmigen Kern 25 zu. Diese Zunahme des Querschnitts der Lippen bedingt, daß diese Lippen sich im wesentlichen auf gleiche Weise verhalten, wie ein Träger gleicher bzw. konstanter Biegebeanspruchung um ein konsistentes oder gleichförmiges Abbiegen der Lippen vorzusehen. Das Element 23 besteht aus einem Elastomer, welches bei extremen chemischen, thermischen und Druckverhältnissen arbeitet, bei denen die Kolbeneinheit Anwendung findet. Ein solches Elastomer kann beispielsweise Polyurethan sein.

Die gegenüberliegenden Enden des Kolbens 10 sind jeweils mit einem geeigneten Kupplungsmittel, wie einer nicht dargestellten Kugel oder einer Steckfassung versehen, um den Kolben mit einer Abpumpwerkzeugkette zu verbinden. Solch eine Werkzeugkette 40 ist in Fig. 2 dargestellt und zwar für die

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Bewegung entlang einer typischen Leitungseingangs oder -ausgangsschleife 41, die in einem Brunnenabpumpsystem verwendet wird. Entsprechend der Darstellung in Fig. 2 sind zwei Kolbeneinheiten 10 als Tandemanordnung mit einer Kette aus Werkzeugen 42, 43, 44 und 45 verbunden. Jede Kolbeneinheit 10 kann an einem Ende mit einem Standardkugelkupplungsstück 50 und am gegenüberliegenden Ende entsprechend der Darstellung auf Seite 22 des Otis Engineering Corporation Catalog No. OEC 51 13 mit dem Titel "PUMPDOWN COMPLETION EQUIPMENT" veröffentlicht im Mai 1975 mit einem Buchsenteil 51 versehen sein. Jede Kugelverbindung bildet natürlich eine Univer-salkupplung mit einer benachbarten Buchse in der Kolbeneinheit oder dem damit verbundenen Werkzeug. Die verschiedenen Werkzeuge 42 bis 45 können mehrere Kombinationen einer Familie von Abpumpwerkzeugen aufweisen, die solche Einheiten, wie Rückflußventile, Überströmventile, Steuerventile, Paraffinschneidmesser, Ziehwerkzeuge, hydraulische Kratzer oder Rüttler, Beschleuniger und dergl. entsprechend der Darstellung in Otis "PUMPDOWN COMPLETION EQUIPMENT" Catalog umfassen. Natürlich in Abhängigkeit von dem besonderen Belastungs- und Kraftanwendungserfordernissen der durchzuführenden Wartungsschritte können mehrere Kolbeneinheiten 10 als Tandem miteinander verbunden sein, um einen Werkzeugzug entlang einer Strömungsleitungs zu verschieben. Entsprechend der Darstellung in Fig. 2 sind zwei derartiger Kolbeneinheiten 10 mit einer Kette von vier durch die Leitung 41 zu stoßenden Werkzeugen gekuppelt. Da die Kolben 10 einseitig in dem Sinne wirken, daß sie in einer Richtung pumpbar sind und die Umströmung in der entgegengesetzten Richtung erfolgt, ist es notwendig, in beide Richtungen weisende Kolben zu installieren, um eine Werkzeugkette zu einem bestimmten Ort im Brunnen zu pumpen und um die Werkzeugkette zum Oberflächenende des Brunnens

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wieder zurückzuführen. Wenn zum Beispiel eine einzelne Kolbeneinheit die Werkzeugkette in eine Richtung tragen kann, würde die Zweikolbenanordnung entsprechend Fig. 2 in entgegengesetzte Richtung gerichtet sein, damit die Werkzeugkette in beiden Richtungen der Leitung gepumpt werden kann. Dies bedeutet allgemein, daß in jedem in einer bestimmten Richtung installierten Satz mehr als eine Kolbeneinheit enthalten ist.

Beim Betriebsablauf der Kolbeneinheit 10 sind eine oder mehrere Einheiten an der Abpumpwerkzeugkette entsprechend der Darstellung in Fig. 2 verbunden, um die Werkzeugkette durch die Strömungsleitung 41 zu verschieben, wenn in der Strömungsieitung hinter der Werkzeugkette ein Strömungsdruck aufgebracht wird. Die Strömungsleitung kann in einer jeden der vielen Brunneneinrichtungen der im genannten Katalog beschriebenen Art vorgesehen sein. Der Strömungsdruck wird in der Strömungsleitung hinter der Werkzeugkette aufgebracht werden, wie beispielsweise am Brunnenkopf oder Bohrlochkopf, um quer über das Dichtungselement 23 des Kolbens 10 einen überdruck aufzubringen. Da der Strömungsdruck hinter dem Kolben aufgebracht wird, drückt der Druck gegen die Lippen 24 diese nach vorne in Richtung auf das Drosselglied 30, wodurch die Lippen in ein dichtendes Verhältnis entlana der Strömungsleitung der Innenwandoberfläche gebracht werden. Der Druck wird auf ein Niveau erhöht, welcher für den Transport des Werkzeugzuges durch die Strömungsleitung in einem annehmbaren Maße in Übereinstimmung mit den Sicherheitserfordernissen und der geeigneten Werkzeuginstandhaltung erforderlich ist. Mit anderen Worten wird die Werkzeugkette nicht in einem solch hohen Maße durch die Leitung gepumpt, daß eine Werkzeugbeschädigung auftreten kann, bzw. daß eine Fehlfunktion entweder der Werkzeuge oder

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von Teilen des Brunnensystems auftreten können. Gewöhnlich beträgt der auf die Kolben aufgebrachte Druck für den Transport der Werkzeugkette von 7 at bis 21 at (1OO psi) in Abhängigkeit von der Werkzeugkettengröße. Wenn die Überdruckbelastung auf dem Dichtungselement zunimmt, werden die Lippen folgerichtig nach außen gegen die Strömungsleitungswand erweitert, bis der maximale Überdruck erreicht ist, bevor die Strömungsmittel Bypass-Strömung entlang der Lippen auftritt. Bei diesem maximalen Überdruck, welcher durch das Dichtungselement vor dem Auftreten der Bypass-Strömung abgefangen werden kann, entsteht der totale überdruck in vorbestimmten Schritten an jedem der Lippen. Wenn daher zumindest theoretisch der maximale Überdruck erreicht wird, bei dem entlang des Dichtungselementes keine Strömungsmittel Bypass-Strömung auftritt, sollten alle Lippen in wirksamer Dichtungsanlage mit der Leitungswandoberfläche erweitert sein. Während des Transportes der Werkzeugkette ist es lediglich notwendig, daß die durch den Überdruck auf den Kolben wirkende Kraft den Reibungswiderstand gegenüber der Bewegung der Werkzeugkette entlang der Strömungsmittelleitung überwindet. Dabei werden auch alle anderen Widerstände überwunden, welche an Kragen, geschweißten Verbindungen, reduzierten Durchmessern von Dichtungsbohrungen, an gekrümmten Schleifen bei Übergängen zwischen einer im wesentlichen horizontalen und vertikalen Bewegung und an anderen Abweichungen und Einschränkungen entlang der Länge der Strömungsleitung auftreten können.

Wenn die Werkzeugkette mehr Arbeit durchführen muß, als für die Bewegung der Kette entlang der Strömungsleitung notwendig ist, wird der überdruck auf ein Niveau erhöht, welches für die Durchführung dieser Arbeit notwendig ist. Wie zuvor angedeutet, kann dieses Niveau

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351,5 at (5.000 psi) innerhalb einer Hochdruckumgebung, welche 1.757,5 at (25.000 psi) oder mehr betragen kann, und bei erhöhten Temperaturen betragen. Wahrend eine wesentliche Abnutzung um die Lippenkanten des Dichtungselementes während der Transportphase der Kolben auftritt, tritt eine größere zerstörerische Beschädigung entlang der Lippen unter diesen extrem hohen Überdrücken auf, die für die Durchführung der notwendigen Arbeit mittels der Werkzeugkette erforderlich sind. Die einzigartige Ausbildung der Kolbeneinheit der vorliegenden Erfindung, wodurch der größere Teil der durch den Überdruck aufgebrachten Belastung von dem Lippenbereich des Dichtungselementes auf den Absperrbereich übertragen wird, verringert die Lippenbeschädigung bei hohen Überdrücken bzw. hohen Druckdifferenzen. Wenn der Überdruck zur Durchführung der notwendigen Arbeit erhöht wird, biegen sich die Lippen nach vorne und nach innen in Strömungsrichtung gegen die Bewegungsrichtung der Werkzeugkette. Die Lippen biegen sich sozusagen über das Zentrum, so daß die Lippen beginnen, sich von der Wand der Strömungsleitung zurückzuziehen, wodurch ein Strömungsmitteldurchfluß entlang der Lippenkanten innerhalb der Strömungsleitung möglich ist. Wenn der Überdruck zunimmt, kommt die neue Ausbildung der Kolbeneinheit zur Wirkung. Der auf das Dichtungselement 23 beaufschlagte Überdruck wird über einen Ringbereich zwischen dem Fuß der Lippen und der Dichtungsanlagelinie zwischen der O-Ringdichtung 22 und der Innenwandoberfläche der Montagehülse wirksam, da die Bypass-Strömung infolge des Überbiegens der Lippen entlang der Lippen auftritt. Die effektiv auf diesen effektiven Ringbereich durch den Überdruck aufgebrachte Kraft drückt die Montagehülse 15 und den auf die Hülse geklebten Bereich des Dichtungselementes 23 in Längsrichtung entlang des Dornkörpers 11 des Kolbens in Richtung auf das Drosselglied 30.

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Das freie Ende des Drosselgliedes sitzt auf dem Rückeinsatz 31, welcher die Bewegung des Drosselgliedes so begrenzt, daß die Montagehülse eine Längsquetschkraft auf das Drosselglied aufträgt, so daß das Drosselglied sich radial nach außen ausdehnt, wodurch weiterhin der ringförmige Strömungsraum um das Drosselglied innerhalb der Stromungsleitungswandung eingeschränkt wird. Bis zu dem Zeitpunkt, zu dem alle Lippen 24 abgebogen sind, wird das Drosselglied ausreichend ausgedehnt, um eine Strömungsbeschränkung zu schaffen, die den größeren Teil der Last vom überdruck quer über das Element 23 auf das Drosselglied aufnimmt, im Unterschied zur Belastung der Lippen. Die Montagehülse 15 ist in Richtung auf das Drosselglied bewegbar, bis die Endkante 15a der Hülse an der Endkante 32a des Einsatzes 31 anliegt, wodurch der Zwischenraum 34 zwischen der Hülse und dem Einsatz geschlossen wird. Das Dichtungselement 23,die Länge des Zwischenraumes 34 zwischen der Hülse 15 und dem Einsatz 31 und die verwandten Teile der Kolbeneinheit sind gestaltet, um die Ausdehnung des Drosselgliedes 30 zur Schaffung eines Bypasses um das Drosselglied herum innerhalb der Strömungsleitung zu begrenzen, wenn das Drosselglied vollständig mittels der Maximalbewegung der Montagehülse expandiert ist. Diese Bedingung wird in Fig. 3 wiedergegeben, welche die nach innen weg von der Leitungswandung gebogenen Lippen 24 zeigt, die eine Bypass-Strömung entlang der Lippen gestatten. Ebenso zeigt die Fig. 3 das Drosselglied bei maximal begrenzter Expansion im Abstand von der Wand infolge der vollständigen Anlage der Befestigungshülsenendkante 15a mit der Einsatzendkante 32a.

Es ist wichtig, daß das Absperrglied nicht derart expandiert ist, daß die ganze oder fast die ganze Strömung aus einer Anzahl zuvor beschriebenen Gründen unterbrochen wird. Diese Gründe umfassen das Erfordernis für eine kontinuierliche Strömungsfähigkeit entlang der Strö-

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mungsleitung zum Einpumpen anderer Werkzeugketten und dergleichen andere Gründe im Zusammenhang mit von der vollständigen Abriegelung des Drosselgliedes herrührenden unerwünschten Wirkungen. Wenn zum Beispiel das Drosselglied den größten Teil der Strömung absperrt, so entspannen sich die Lippen. Dadurch wird die auf das Drosselglied wirkende Expansionskraft der Hülse reduziert, wodurch sich ebenfalls das Drosselglied entspannt, zusammenzieht und den Druck verliert, so daß die Lippen dann durch Expansion wieder aktiviert werden und daß Drosselglied zusammengedrückt wird, um erneut den Strömungsdruck abzuriegeln. Dieser Zyklus schafft eine Art Schwingung, die nicht im voraus bestimmbar ist und unerwünschte Druckschwankungen hervorruft. Das Strömungsmengen/Überdruck/Bypass-Mengenhältnis wird durch Veränderung der Bewegungsgrenzen der Hülse 15 durch Veränderung der Länge des Einsatzes und/oder des Einsatzdurchmessers, wodurch der Zwischenraum im Absperrbereich verändert werden kann, wahlweise geändert. Dieses Verhältnis schafft vorzugsweise eine Drosselgliedexpansion, die einen gemessenen Druckabfall bewirkt, um das Drosselglied vollständig expandiert zu halten. Wenn die Hülse 15 am Einsatz 31 unter Bewirkung der Maximalausdehnung des Drosselgliedes 30 anliegt, so wird die volle Kraft des Überdruckes auf die Kolbeneinheit auf den Dornkörper 11 aufgebracht, wobei eine solche Kraft geliefert wird, mit der die durch die Werkzeugkette durchzuführende Arbeit erfolgen kann. Der zunehmende Querschnitt der Lippen in Richtung auf den Fußwurzelbereich bedingt, daß sich die Lippen gleichmäßig und konsitent abbiegen. Solange der überdruck über ein Niveau gehalten ist, welches das Drosselglied 30 vollständig expandiert hält verbleiben die Lippen im abge-

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bogenen Zustand entsprechend der Darstellung in Fig. 3, so daß eine Bypass-Strömung entlang der Strömungsleitung um das Kolbendichtungselement 23 herum auftritt. Natürlich wird für die Rückkehr der Werkzeugkette von der Bearbeitungsstelle in der Strömungsleitung die Richtung des Überdruckes umgekehrt, so daß sich die auf dem Kolben befindlichen Lippen in entgegengesetzter Richtung umbiegen, wobei der Kolben im wesentlichen in die in Fig. 1 dargestellte Stellung zurückkehren, in der das Element 2 3 entspannt ist. Während der in entgegengesetzter Richtung der Werkzeugkette gerichtete Kolben die Last übernimmt und auf gleiche Weise,wie zuvor beschrieben, das Zurückziehen der Werkzeugkette vom Arbeitsbereich und den Transport der Kette zurück zum Oberflächenende des Brunnen- oder Bohrlochsystems übernimmt. Der Rückkehrverlauf kann natürlich bestimmte Arbeitsfunktionen zusätzlich zum Transport der Werkzeugkette entlang der Strömungsleitung erfordern. Wenn zum Beispiel eine Form eines Laufwerkzeuges mit einer Brunnensystemeinheit zusammenwirkt, welches durch das Werkzeug bearbeitet wird, kann es notwendig sein, das Laufwerkzeug zu lösen, das Ventil zu schließen oder andere Funktionen durchzuführen, welche einige Arbeit über den einfachen Transport der Werkzeugkette zurück zur Oberfläche erforderlich macht. Während der Durchführung einer solchen Arbeit ist die Betriebsweise des Kolben 10, welcher die Last übernommen hat, dieselbe wir zuvor beschrieben.

Die Fig. 4 bis 8 stellen Veränderungen der Kolbenausgestaltung mit den Merkmalen der Erfindung dar, mit bestimmten Möglichkeiten der Durchführungscharakteristika der Kolben bezüglich der Struktur des Rückhalteeinsatzes und der Ausbildung des verwendeten Dichtungselementes.

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"³⁰~ 27AU38

Insbesondere unter Bezugnahme auf Fig. 4 ist ein einstückiges Dichtungselement 23 entsprechend der vorausgehenden Beschreibung auf der Hülse 15 entlang der Länge des gelippten Bereiches und nahezu über die Hälfte des Drosselgliedbereiches geklebt. Auf dem Endbereich des Drosselgliedes 30 ist im Abstand von der Endkante 15a der Hülse 15 ein Rückeinsatz 31A aufgesetzt und geklebt. Ein Endflansch ist an diesem Rückeinsatz 31A nicht vorgesehen. Andererseits ist der in Fig. 4 dargestellte Kolben mit identischen Merkmalen des Kolbens in Fig. 1 versehen. Diese Form des Kolbens wird für einen rauhen Betrieb und sehr hohen Druckbedingungen verwendet.

Der in Fig. 5 dargestellte Kolben umfaßt ein Dichtungselement 23A, welches im wesentlichen mit dem Dichtungselement 23 identisch ist, jedoch zusätzlich mit einer ringförmigen Senkausnehmung 30b in der Endfläche des Drosselgliedes 30 versehen ist. Das Dichtungselement 23A ist entlang der Länge des gelippten Bereiches und nahezu der Hälfte des Drosselgliedes auf der Hülse 15 befestigt und geklebt. Auf den Endbereich des Drosselgliedes ist ein Rückeinsatz 31B aufgeschoben und geklebt. Dieser Rückeinsatz 31B hat einen Flansch 33b welcher in der Ausnehmung 30b des Drosselgliedes versenkt ist. Das Drosselglied ist entlang aller Flächen des Einsatzes, die am Drosselglied anliegen, mit dem Einsatz verklebt.

Die Form des in Fig. 6 dargestellten Kolbens ist geometrisch identisch mit der Kolbeneinheit entsprechend Fig. 1, allerdings mit dem einzigen Unterschied hinsichtlich der Struktur dahingehend, daß das Drosselglied 30 mit dem Einsatz 31 verklebt ist.

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Durch das Verkleben des Drosselgliedes der Dichtung mit dem Einsatz, insbesondere entsprechend Fig. 5 und 6, resultiert in einer Verschiebung des Abnutzungsbereiches des Drosselgliedes zu einer Stelle um den Längsmittelbereich des Drosselgliedes. Da das Drosselglied sowohl mit der Hülse 15 als auch mit dem Einsatzverklebt ist, tritt der größere Bereich der radialen Ausdehnung des Drosselgliedes entlang dem Mittelbereich des Drosselgliedes auf.

Die Form des in Fig. 7 dargestellten Kolbens umfaßt eine Dichtungselementanordnung, die mit einem gelippten Bereich 23B und einem unabhängigen, d.h. getrennten Drosselglied 3OA versehen ist. Der gelippte Bereich ist auf der Hülse 15 befestigt und geklebt. Das Drosselglied 3OA stützt sich zwischen einem Paar von Rückhalteeinsätzen 31C und 31D ab und ist mit diesen verklebt. Diese Einsätze sind untereinander spiegelbildlich identisch ausgebildet, um die gegenüberliegenden Endbereiche des Drosselgliedes abzustützen. Der gelippte Bereich 23B ist mit einer Endkantenlippe 2 3C versehen, die über die Endkante der Hülse 15 hinaus ragt, um eine strömungsmitteldichte Dichtung gegenüber dem Einsatz 31D sicherzustellen, wenn der auf den Kolben aufgetragene Überdruck den gelippten Bereich mit der Hülse 15 in Richtung auf das Drosselglied 3OA drückt. Die besondere Kolbenanordnung entsprechend Fig. 7 schafft die Möglichkeit einer zusätzlichen Bewegung oder eines zusätzlichen Hubes infolge der Verwendung der im Abstand angeordneten, getrennten Einsätze. Zusätzlich zur Verwendung des getrennten Drosselgliedes 3OA kann das Drosselglied unabhängig vom gelippten Bereich im Falle einer übermäßigen oder ungleichmäßigen Abnutzung ersetzt werden. Beim Betrieb der in Fig. 7 dargestellten Kolbeneinheit drückt ein auf den Kolben wirkender überdruck den gelippten Bereich zusammen mit der Hülse 15

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in Richtung auf das Drosselglied. Der gelippte Bereich und die Hülse drücken den Einsatz 31D in Richtung auf den Einsatz 31C, wobei das Drosselglied 3OA zwischen den Einsätzen mit der Folge gequetscht wird, daß sich das Drosselglied radial ausdehnt, um den Strömungsweg um das Drosselglied herum innerhalb der Strömungsleitung zu beschränken, wie dies zuvor diskutiert wurde. Die anderen Ausgestaltungsmerkmale des in Fig. 7 dargestellten Kolbens sind mit denen in Fig. 1 identisch.

Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform der Kolbeneinheit mit den Merkmalen der Erfindung, und zwar unter Verwendung einer gelippten Dichtungselementes und eines davon getrennten Drosselgliedes. Ein gelippter Dichtungselementbereich 23C ist auf die Hülse 15A befestigt und geklebt. Die auf das Drosselglied gerichtete Endkante des Dichtungselementes liegt an einer äußeren Anschlagschulter 15d, die an der Hülse 15A ausgebildet ist. Zwischen einem Paar von Einsätzen 31E, 31F, welche spiegelbildlich identisch sind und die gegenüberliegenden Enden des Drosselgliedes abstützen befestigt und geklebt. Die Einsätze und das Drosselglied sind ohne Kleben lose auf den Endbereich der Hülse 15A aufgeschoben, der sich über die äußere Anschlagschulter 15d erstreckt. Die anderen Merkmale der Kolbeneinheit entsprechend Fig. 8 sind mit denen in Fig. 1 identisch. Die Aufbringung eines Überdruck auf den in Fig. 8 dargestellten Kolben drückt den gelippten Bereich 23c mit der Hülse 15A in Richtung auf das Drosselglied 3OB. Die äußere Anschlagschulter 15d drückt den Einsatz 31F in Richtung auf den Einsatz 31E, da die Hülse innerhalb des Einsatzes 31E gleitet, wobei das Drosselglied 30B

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zwischen den Einsätzen so gequetscht wird, daß sich das Drosselglied radial nach außen ausdehnt, um um das Drosselglied herum innerhalb der Strömungsleitung entsprechend der vorausgehenden Beschreibung eine ringförmige Einschränkung vorzusehen, so daß das Drosselglied den größeren Bereich der durch den auf die Kolbeneinheit wirkenden Überdruck sich ergebenden Belastung übernimmt. Wie im Falle der in Fig. 7 dargestellten Einheit erlaubt das getrennte Drosselglied einen getrennten Austausch, um eine übermäßige und ungleichmäßige Abnutzung zu kompensieren.

Die verschiedenen Formen der dargestellten und beschriebenen Kolbeneinheiten sind ebenso als Brunnenoder Bohrlochschwabbler zum Ausheben oder Rühren von Bohrlochflüssigkeiten oder dergl. in einem Bohrloch bzw. einer Brunnenbohrung geeignet. Die Kolbeneinheiten können als Schwabbel jeweils mechanisch an einem Kabel oder an einer starren Handhabung, wie beispielsweise einem Rohr befestigt sein. Beim Ausheben von Bohrlochflüssigkeiten überträgt die Flüssigkeitslast oberhalb der Kolbeneinheit eine aus einem Überdruck resultierende Betriebslast auf das Dichtungselement, wodurch die Lippen abgebogen werden, um die Montagehülse zu verschieben und das Drosselglied entsprechend der vorausgegangenen Beschreibung auszudehnen. Beim Ablassen der Kolbeneinheit verläuft das Drosselglied abwärts mit zunächst nach innen gebogenen, eine Bypass-Strömung zulassenden Lippen, wodurch der Kolben sich ohne Beeinflußung des Drosselgliedrings durch die Flüssigkeit bewegen kann. Wenn die Einheit angehoben wird,führen, erregen und expandieren die für das Anheben der Flüssigkeit expandierenden Lippen den Drosselgliedring. Die gesteuerte Bypass-Strömung entlang des

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Drosselgliedes ist infolge der Wegbegrenzung der Montagehülse wirksam. Der Grad der Bypass-Strömung wird natürlich durch den Hülsenweg bestimmt, welcher in jeder Kolbeneinheit festgelegt ist. Es ist verständlich, daß jede der verschiedenen Formen der Kolbeneinheiten, die die Merkmale der Erfindung aufweisen, entsprechend der vorausgehenden Beschreibung und der Darstellung eine Lastübertragung von dem gelippten Bereich zum Drosselglied schaffen, wenn ein Überdruck auf den Kolben wirkt, um die Lippenabnutzung zu reduzieren. In jeder Kolbenausbildungen liegt eine Wegbegrenzung der die Lippen tragenden Montagehülse vor, wodurch das Drosselglied ausreichend expandiert, um eine Strömungsbeschrankung zu schaffen, die die wirksame Last von den Lippen auf das Drosselglied übertragt, während die Ausdehnung des Drosselgliedes begrenzt ist, um einen erforderlichen Strömungsweg um das Drosselglied innerhalb der Strömungsleitung zu belassen.

Kurz zusammengefaßt handelt es sich beim Erfindungsgegenstand um eine Dichtungseinheit für die Bewegung durch eine Strömungseinheit für einen Abpumpkolben oder einen Brunnen- oder Bohrlochschwabbier, die einen Dornkörper, eine Dichtungselement-Montagehülse umfaßt, die für einen begrenzten Weg des Körpers vorgesehen ist. Außerdem weist die Dichtungseinheit eine ringförmige, elastische Dichtungsanordnung auf, die auf der Montagehülse zur Abdichtung der Wand der Strömungsleitung als Reaktion auf einen ersten Strömungsmittelüberdruck auf die Einheit abzudichten und um eine gesteuerte Bypass-Strömung und eine Lastübertragung unter Wirkung eines zweiten höheren Überdruckes zu erlauben. Die Dichtungseinrichtung umfaßt im Abstand angeordnete

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ringförmige Lippen und einen ringförmigen Drosselring, welcher sich durch eine begrenzte Bewegung der Hülse infolge der Wirkung eines Strömungsmittelüberdruckes auf die Lippen ausdehnt. Wenn der überdruck auf den Lippen einen vorbestimmten Wert überschreitet, expandiert die Hülse den Drosselring, welcher den größeren Teil der Überdrucklast annimmt, die die Lippen zur Reduzierung der Lippenabnutzung entlastet. Als Abpumpkolben wird die Einheit entlang einer Strömungsleitung gepumpt, um eine Werkzeugkette durch die Strömungsmittelströmung von den Lippen in Richtung auf den Drosselring anzutreiben. Als Schwabbel wird die Einheit in entgegengesetzter Richtung gezogen, um eine Flüssigkeit in einem Bohrloch zu rühren oder zu verschieben.

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Claims

PAT E N TAN WaLTE DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) . D ! PL.-I N G. W. E !T LE ■ BR. RER. NAT, >,. HOFFMANN · D I PL.-1 N G. W. LE H N DIPL.-ING. K. FOCHSLE ■ DR. PtR. KAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 (STERN HAUS) . D-BOOO MO N C H fc N 81 · TC LE FO N (089) 91 1087 · TE LE X 05-29619 {PATH E) 29 716 p/eh Otis Engineering Corporation, Carrollton, Texas/ USA Patentansprüche

1. Kolbenartige Dichtunqseinheit für die Bewegung entlang einer Strömungsleitung, gekennzeichnet durch einen DornVorper (11), ein auf diesem Körper befindliches ringförmiges, gelipptes Dichtungselement und durch einen auf dem Körper angeordneten, dem gelippten Dichtungselement tandemartig zugeordenten ringförmigen Drosselring (30), wobei dieser Drosselring (30) infolge eines auf das gelippte Dichtungselement (23) aufgebrachten Überdruck durch das gelippte Dichtungselement (23) ausdehnbar ist.

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2. Dichtungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für eine begrenzte Längsbewegung auf dem Dornkörper (11) eine Montagehülse (15) angeordnet ist, auf der sich das ringförmige Dichtungselement (2 3) zum Ausdehnen und Zusammenziehen infolge der Aufbringung eines Strömungsmitteldruckes auf den Kolben in einer Strömungsmittelleitung (41) abstützt, wobei das Dichtungselement tandemartig einen gelippten Bereich und einen Drosselbereich umfaßt, daß der gelippte Bereich für die Bewegung der Montagehülse (15) entlang des Dornkörpers (11) gegen das Drosselglied (3o) als Reaktion auf den auf den Kolben aufgebrachten Strömungsmittelüberdruck auf der Montagehülse (15) befestigt ist und daß zwischen der Montagehülse (15) und dem Drosselglied (3o) für die Aufbringung einer längsgerichteten Kraft von der Montagehülse (15) zum Drosselglied (3o) eine Einrichtung (34) vorgesehen ist, um das Drosselglied (3o) als Reaktion auf den auf den Kolben aufgebrachten Überdruck zu expandieren und daß ein mit dem Drosselglied (3o) in Verbindung stehender Rückeinsatz (31) vorgesehen ist, um das Drosselglied (3o) gegen eine Bewegung auf dem Dornkörper (11) weg vom gelippten Bereich zu halten, wodurch das Drosselglied für eine radiale Expansion desselben infolge der Bewegung der Montagehülse (11) in Richtung auf das Drosselglied (3o) quetschbar ist.

3. Dichtungseinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Dichtungselement (23) einstückig ausgebildet ist, wobei der gelippte Bereich (23) ein Vielzahl von in Längsrichtung im Abstand voneinander angeordnet ringförmige Lippen (24) auf v/eist, die ai» cLiem Ende mit dem Drosselglied (30) verbunden sind, wobei dieses Drosselglied als Drosselring (3o) mit einem zentralen, ausdehnbaren Nabenbereich ausgebildet ist.

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4. Dichtungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Längsbewegung der Montagehülse (15) durch Anlage eines Endes der Montagehülse (15) mit dem Rückeinsatz (31) begrenzbar ist, und daß der Zwischenraum (34) zwischen der Montagehülse

(15) und dem Rückeinsatz (31) unter druckentlasteten Bedingungen einen vorbestimmten Wert einnimmt, um die Bewegung der Montagehülse auf einen Wert zu begrenzen, der zur Begrenzung der Ausdehnung des Drosselgliedes (3o) auf einen Maximaldurchmesser innerhalb einer Strömungsleitung

(41) begrenzt ist, um um das Drosselglied (3o) einen Ringraum vorzusehen, der eine Strömungsmittel-Bypass-Strömung entlang des Drosselgliedes (3o) und innerhalb der Strömungsleitung (41) zu gestatten, die ausreichend ist, um das Drosselglied (3o) im ausgedehnten Zustand zu halten.

5. Dichtungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß ein Teil des auf den gelippten Bereich gerichteten Bereiches des Drosselgliedes (3o) mit der Montagehülse (15) verklebt ist.

6. Dichtungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g eken η zeichnet, daß ein vom gelippten Bereich weggerichteter Endbereich des Drosselgliedes

(30) mit dem Rückeinsatz (31) verklebt ist.

7. Dichtungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Rückeinsatz

(31) als Hülse (31A) ausgebilet ist, welche innarhalb des freien Endbereiches des Drosselgliedes (3o) angeordnet ist.

8. Dichtungseinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Hülse (31A) einen äußeren Ringflansch (33b) aufweist, welcher an der freien Endkante des Drosselgliedes (30) anliegt.

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9. Dichtungseinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß der Flansch (33b) in einer ringförmigen Senkausnehmung (3Ob) des freien Endes des Drosselgliedes (3o) liegt.

10. Dichtungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß das Drosselglied (3oA; 3oB) als vom gelippten Bereich getrenntes Teil ausgebildet ist.

11. Dichtungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß das Drosselglied (3oA; 3oB) als symmetrisches Teil ausgebildet ist, welches zur Kompensierung einer übermäßigen und ungleichmäßigen Abnutzung umkehrbar ist.

12. Dichtungseinheit nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet , daß der Rückeinsatz aus einem Paar von im Abstand voneinander angeordneten Ringen (31C, 31D) besteht, die auf dem Dornkörper

(11) zur Abstützung des Drosselgliedes (3oA) zwischen den Ringen und zum Zusammenquetschen des Drosselgliedes (3oA) hinsichtlich der Ausdehnung desselben als Reaktion der Anlage der auf das Drosselglied gerichteten Endkante (15a) der Montagehülse (15) an der auf den gelippten Bereich gerichteten Endkante (32a) des Einsatzes angeordnet ist.

13. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß der Endbereich der Montagehülse (15A) im Bereich des Drosselgliedes (3oB) in die Einsatzringe (31E, 31F) ragt und daß die Montagehülse (15A) einen ringförmigen Außenflansch (15d) aufweist, welcher zwischen einer Endkante des gelippten Bereiches und des benachbarten Einsatzringes (31F) angeordnet ist.

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14. Dichtungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekenn ze ichnet , daß der Dornkörper (11) zur Verbindung mit einer Werkzeugkette (40) mit einer Kupplungseinrirhtung (50, 51) versehen ist, daß der Dornkörper (V!) einen länglichen Bereich (14) reduzierten Durchmessers aufweist, der an einem Ende mit einer Anschlagschulter (2o) versehen ist, daß auf dem Bereich (14) reduzierten Durchmessers des Dornkörpers (11) die längsverschiebbare Montagehülse (15) angeordnet ist, die eine erste Endkante aufweist, die mit der Anschlagschulter (2o) des Dornkörpers (11) in Anlage bringbar ist und die über eine bestimmte Wegstrecke auf dem Bereich (14) reduzierten Durchmessers des Dornkörpers (11) verschiebbar ist, daß der reduzierte Bereich (14) des Dornkörpers (1V eine äußere Ringausnehmung (21) aufweist, die innerhalb der Montagehülse (15) vorgesehen ist und in der eine Ringdichtung (22) zur Abdichtung des reduzierten Bereiches (14) des Dornkörpers (11) gegenüber der Innenwandoberfläche der Montagehülse vorzunehmen, daß die Lappen des gelippten Bereiches des Dichtungselementes (23) jeweils ein äußeres ringförmiges Glied aufweisen, das aus einer an einer peripheren Führungswand anliegenden Lippe (24) und einem die jeweiligen Lippen stützenden Körperteil (24b) besteht, dessen Dicke progressiv in Richtung auf den Fußwurzelbereich des Lappens, gemessen entlang der Länge des Dichtungseleinentes, zunintnt, wobei die Dickenzunahme einem gleichförmigen Abbiegevorgang infolge des Überdrucks dient, daß der Rückainsatz (31) auf dem Dornkörper (11) am freien Ende des Drosselgliedes (3o) einen Anschlag für die vom gelippten Bereich weggerichtete Seite des Drosselgliedes bildet, wodurch das Drosselglied in Längsrichtung gequetscht und radial nach außen infolge der Bewegung der Montagehülse (15) in Richtung auf das Drosselglied durch Einwirkung eines Strömungsmittel-Überdruckes auf den Kolben ausgedehnt wird, daß der Rückeinsatz (31) und das Ende der Montagehülse (15) im Bereich des Drosselgliedes (3o) derart im Abstand (34) angeordnet sind, daß die Hülse (15) um einen vorbestimmten Betrag in

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Richtung auf das Drosselglied zur Begrenzung der Radialausdehnung des Drosselgliedes auf einen Durchmesser bewegbar ist, der innerhalb einer Strömungsleitung (41) einen vorbestimmten ringförmigen Strömungskanal um das Drosselglied (3o) innerhalb der Strömungsleitung bildet, daß die Lippen (24) des ersten Dichtungselementbereiches in eine Richtung auf das Drosselglied (3o) in Stellung abbiegbar sind, bei der in der Strömungsmittelleitung an den Lippen (24) vorbei eine Strömungsmittelströmung möglich ist, und daß die Hülse sich maximal auf das Drosselglied (3o) für eine maximale Ausdehnung des Drosselgliedes bewegen kann, wenn alle Lippen in die Strömungsmittel-Bypass-Stellung abgebogen sind, um einen Druckabfall quer über den Kolben vorzusehen, welcher so bemessen ist, daß das Drosselglied seine Maximalausdehnung beibehält.

15. Dichtungseinheit nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtungselement (23) ein einstückiges Gebilde ist, bei dem das Drosselblied (3o) mit dem gelippten Bereich verbunden ist und daß der gelippte Bereich und der auf dem gelippten Bereich zugerichtete Bereich des Drosselgliedes (3o) mit der äußeren Oberfläche der Montagehülse (15) verklebt sind.

16. Dichtungseinheit nach den Ansprüchen 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet , daß der Rückeinsatz (31) eine innere Hülse aufweist, die in den vom gelippten Bereich abgewandten freien Endbereich des Drosselgliedes (3o) eingeschoben und mit dem Drosselqlied verklebt ist, und daß die Hülse (32) des Rückeinsatzes (31) eine nach innen qerichtete Endkante (32a) aufweist, die von der stromabwärts gerichteten Endkante (15a) der Montagehülse (15) im Abstand derart angeordnet ist, daß für eine bestimmte Längsbewegung der Montagehülse (15) für die Maximalausdehnung des Drosselgliedes (3o) ein Zwischenraum (34)

809812/0819 - ι -

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gebildet ist.

17. Dichtungseinheit nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselglied (30A) des Dichtungselementes vom gelippten Bereich getrennt ausgebildet ist, daß der Rückeinsatz (31) ein Paar von Ringen (31C, 31D) aufweist, die im Abstand voneinander an gegenüberliegenden Seiten des getrennten Drosselgliedes (3OA) anliegen, und mit diesem verklebt sind, wodurch die Ringe (31C, 31D) durch die Längsbewegung der Montagehülse (15) zum Quetschen und Ausdehnen des Drosselgliedes (30A) aufeinanderzubewegbar sind und daß der gelippte Eereich (23) eine über die dem Drosselglied (30A) benachbarten Endkante der Montagehülse (15) vorstehende Endkantenlippe (23C) aufweist, um mit dem benachbarten Einsatzring (31D) eine Dichtung zu bewirken, wenn der gelippte Bereich und die Montagehülse (15) in Richtung auf das Drosselglied (30A) gedrückt werden.

18. Dichtungseinheit nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß das Drosselglied (30B) als vom gelippten Bereich getrenntes Glied ausgebildet ist, daß der Rückeinsatz (31) ein Paar von Ringen (31C, 31D) aufweist, die auf gegenüberliegenden Seiten des Drosselgliedes (30A) auf dem reduzierten Bereich (14) des Dornkörpers (11) aufliegen und die am Drosselglied (30A) geklebt sind, um das Drosselglied auszudehnen, wenn die Ringe infolge der Bewegung der Montagehülse (15) aufeinanderzubewegt werden.

19. Dichtungseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet , daß die Lippen (24) das Dichtungselement (23) einen im wesentlichen rechtwinkligen Querschnitt haben.

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