DE3041617A1

DE3041617A1 - Hydraulischer verstaerker, insbesondere zur erstellung von oelbohrungen u.dgl.

Info

Publication number: DE3041617A1
Application number: DE19803041617
Authority: DE
Inventors: Richard Wilson Hall; Harbhajan Singh Dayton Ohio Mahal; Sven Springfield Ohio Sonnenberg
Original assignee: TOWLER HYDRAULICS Inc
Current assignee: TOWLER HYDRAULICS Inc
Priority date: 1979-11-07
Filing date: 1980-11-05
Publication date: 1981-05-21
Also published as: GB2063381A; GB2063381B; CA1148853A

Description

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Hydraulischer Verstärker, insbesondere zur Erstellung von Ölbohrungen und dergleichen

Die Erfindung betrifft ein Regenerationssystem für eine hydraulische Verstärkereinheit und betrifft insbesondere hydraulische Verstärker zur Benutzung bei der ölquellenstiinulation, wie sie z.B. zum Aufbrechen geologischer Formationen neben tiefen Quellenbohrungen und für das Erosionsbohren und dergleichen verwendet wird.

Vorrichtungen der Art, wie sie mit dem Erfindungsgegonstand in Bezug stehen, sind beispielsweise? bekannt aus der US-PS 3 773 438 und 3 981 622. Das Grundprinzip des Betriebes solcher Vorrichtungen besteht darin, zwei hydraulische Zylindermotoren zu verwenden, deren jeder einer Ramme oder einem Preßstempel zugeordnet ist, zu dem das Fließmittel zugeführt wird, das in eine Quelle oder eine Bohrung mit hohen Drücken zum Aufbrechen der Substrate gepumpt werden soll. Jeder der hydraulischen Zylindermotoren ist mit einem hohen Volumen hydraulischen Fließmittels über eine gesteuerte Ventilanordnung versehen, die nacheinander die betreffenden Kolben der hydraulischen Zylindermotoren in ihre ausgefahrenen Positionen treibt, welche ihrerseits über Kolbenstangen die Preßstempel nach vorn zwingen, um ein Fließmittel in die Quelle oder Bohrung auszustoßen.

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Farner sind diese Vorrichtungen mit einer Vorkompressionsventilanordnung versehen, welche die Arbeitsflächenseite der Kolben der Zylindermotoren unter Druck setzen, wenn sie sich in der zurückgezogenen Position befinden, und zwar bevor sie von der Hauptquelle des hydraulischen Fließmittols nach vorn gezwungen werden. Diese Vorkompression unterstützt die Aufrechterhaltung eines ununterbrochenen Druckes auf das Fließmittel, welches in die Quelle oder Bohrung hineingezwungen wird, und zwar durch Aufrechterhalten eines gleichmäßigen oder glatten Überganges von dem Druck, der abwechselnd von den zwei Zylindermotoren aufgebracht wird. Sobald der Kolben des einen Zylindermotors bei seinem Arbeitshub nach vorn bewegt wird, wird der entgegengesetzte Kolben in seine zurückgezogene Stellung zurückgeführt, und dor Preßstempel wird mit Fließmittel gefüllt, welches in die Quelle oder Bohrung gepumpt werden soll. In der zurückgezogenen Position verbleibt ein kleines Volumen auf der Arbeitsflächenseite des hydraulischen Zylindermotors, welches dann vorkomprimiert wird, um das Fließmittel in dem Preßstempel für einen gleichmäßigen Übergang von dem einen Preßstempel zu dem anderen vorzukomprimieren und einen konstanten Druck auf dem Fließmittel zu halten, welches in die Bohrung gepumpt wird, wie oben erwähnt ist.

Die folgende Tätigkeit beider Preßstempel wird durch pneumatische und hydraulische Fließmittelsteuersysteme gesteuert, wie in den oben genannten beiden Patentschriften beschrieben Lst. Ferner beschreiben diese beiden Patentschriften zwei unterschiedliche Einrichtungen zum Rückführen der

Kolben in den Zylindermotoren in ihre anfänglichen Startpositionen. In der ersten Patentschrift sind zwei hydraulische Rückfuhrzylindermotoren beschrieben, die jedem der Kraftpreßstempel zugeordnet sind, welche auf die Preßstempel arbeiten oder wirken, und zwar nach Beendigung ihres Krafthubes, um die Preßstempel in ihre zurückgezogene Stellung zurückzuführen. Die zweite Patentschrift beschreibt komprimierte Luft auf der Ruckführflächenseite jedes Kolbens der hydraulischen Zylindermotoren, die nach Abschluß des Krafthubes des jeweiligen Kolbens den Kolben in seine anfängliche Startposition zurückführt.

Die primäre Betriebsbeschränkung oder -begrenzung bezug]Ich der Drehzahl des Verstärkers bzw. der Verstärkereinheit, die notwendigerweise diejenige Fließmittelmenge begrenzt, die in eine Bohrung gepumpt werden kann, ist das Volumen des hydraulischen Fließmittels, welches in einer gegebenen Zeit von der hydraulischen Fließmittelquelle den Arbeitsflächen der hydraulischen Zylindermotoren zugeführt werden kann. Die Quelle der Fließmittelzufuhr ist im allgemeinen eine Reihe von Pumpen, die durch verhältnismäßig starke Dieselmotoren angetrieben werden. Wenn deshalb die Pumpen bei maximalem Durchsatz arbeiten, wird die maximale Fließgeschwindigkeit des hydraulischen Fließmittels zu den Zylindermotoren erhalten, welche ihrerseits die Geschwindigkeit begrenzt, mit welcher sich die Kolben und ihre betreffenden Preßstempel bzw. Rammen nach vorn bewegen können, und begrenzt somit das Volumen an Fließmittel pro Zeitral.e, welches gepumpt werden kann. 3isher ist es möglich gewesen,

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den Betriebszyklus des Verstärkers dadurch einzustellen, daß man die Größe der Kolben in den Preßstempeln veränderte und Hülsen in den Preßstempeln einführte, um das Volumen des Fließmittels zu reduzieren, welches in das Bohrloch bei jedem Hub gepumpt wird, während der Druck vergrößert wird.

Ea ist im allgemeinen vorteilhaft, mit höchstmöglicher Fließmittelströmungsrate bzw. -geschwindigkeit zu pumpen, um den Hohlraum der Quelle bzw. des Bohrloches in kürzestmöglicher Zeit zu füllen. Bei Beschränkungen hinsichtlich des Druckes des hydraulischen Fließmittels wegen der praktischen Grenzen der Zufuhrquelle, wie oben erwähnt, kann jedoch der Druck, der bei maximaler Fließmittelpumpengeschwirtdigkeit erzeugt werden kann, für das Aufbrechen der Substrate unzureichend sein. Es wird dann notwendig, die Kolben und Hülsen in den Preßstempeln zu verändern, um die Fläche bzw. den Bereich des Kolbens und das Volumen in dem Preßstempel so zu verringern, daß der Druck erhöht wird. Hierdurch wird jedoch auch die.Fließmittelströmungsgeschwindigkeit aus den Preßstempeln verringert. In der Vergangenheit ist es notwendig gewesen, die Kolben in den Preßstempeln körperlich zu ändern und Hülsen einzufügen oder herauszunehmen, welche die Volumina in den Preßstempeln erhöhen oder verringern, um diesen Doppelzweck maximaler Fließmittelströmungsgeschwindigkeit und hohen Druckes zu erreichen, die zum Brechen einiger geologischer Formationen notwendig sind.

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Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung der vorstehend beschriebenen Art verbessert, und es wird die Notwendigkeit eliminiert, die Kolben oder andere Teile der Preßstempe] körperlich bzw. konstruktiv zu ersetzen, um entweder eine hohe Fließmittelströmungspumpengeschwindigkeit oder einen verhältnismäßig höheren Druck des Fließmittels, welches gerade in das Bohrloch gepumpt wird, zu erreichen.

Durch die Erfindung wird dies dadurch gewährleistet, daß ein Regenerationssystem verwendet wird, welches über eine Anordnung mit einem Steuerventil und einer Leitung hydraulisches Fließmittel aus der Rückfuhrflachenseite der Kolben der hydraulischen Zylindermotoren während des Krafthubes herauszieht und dieses Fließmittel in die Arbeitsflächenseite der hydraulischen Zylindermotoren zusammen mit der Hauptquelle des hydraulischen Fließmittels pumpt. Hierdurch wird die Menge des Fließmittels verringert, welches von der Quelle verlangt wird, um die Kolben aus ihren zurückgezogenen Positionen in ihre ausgefahrenen Stellungen zu bewegen, und somit wird die Zykliergeschwindigkeit bzw. Drehzahl des hydraulischen Verstärkers bzw. der Verstärkereinheit erhöht. Das Regenerationssystem kann erwünschtenfalls über die Betätigung des Steuerventiles herausgenommen werden, und das hydraulische Fließmittel kann in einen Tank entleert bzw. zwischengespeichert werden, so «Uiß der maximale Druck gegebenenfalls erhalten werden kann.

Jeder Kolben in den hydraulischen Zylindermotoren ist am Ende einer Kolbenstange befestigt oder geformt, welche mit

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dom Preßstempel an ihrem gegenüberliegenden Ende in Eingriff tritt. Die Kolbenstange hat einen vorbestimmten Durchmesser, der kleiner als der Durchmesser des Kolbens ist, um ein freies Volumen innerhalb des Zylindermotors auf der Ruckfuhrflächenseite des Kolbens vorzusehen, der mit hydraulsichem Fließmittel während des Rückhubes gefüllt werden kann. Der Bereich bzw. die Fläche der Arbeitsfläche des Kolbens ist größer als die Betriebsfläche der Ruckfuhrflächenseite des Kolbens entsprechend der Differenz zwischen dem Durchmesser der Kolbenstange und dem Durchmesser des Kolbens.

Durch Ankoppeln der Ruckfuhrflächenseite jedes Zylindermotors an der Arbeitsflächenseite, um die Drücke auf beiden Seiten der Kolben gleich zu halten, wird die Kraft, welche von den Kolbenstangen auf die Plunger bzw. Druckstempel der betreffenden Preßstempel aufgebracht wird, wegen der Verringerung des wirksamen Kolbendurchmessers reduziert. Obwohl die Drehzahl der hydraulischen Zylindermotoren für einen gegebenen maximalen zur Verfügung stehenden Druck auf der Hauptquelle des hydraulischen Fließmittels infolge der zusätzlichen Fließmittelströmung erhöht werden kann, die von dem Regenerationssystem hervorgerufen wird, wird deshalb der für das Pumpen des Fließmittels in das Bohrloch hinein zur Verfügung stehende Druck verringert. Wenn deshalb der Maximaldruck erwünscht ist, kann das Regenerationssystem außer Betrieb gebracht werden, und maximal zur Verfügung stehender Druck kann auf die Plunger bzw. Druckstempel der Preßstempel aufgebracht werden.

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Wenn das Regenerationssystem außer Betrieb ist, wird der Druck des hydraulischen Fließmittels auf der RückführfIH-chenseite der Kolben erheblich reduziert, und das Fließmittel wird in einen Behälter mit niedrigem Druck entleert bzw. dazwischen gespeichert, so daß in wirksamer Weise die ganze Arbeitsfläche des Kolbens die Betriebsfläche ist, auf welche der Druck des hydraulischen Fließmittels beim Krafthub arbeitet. Deshalb erlaubt das vorliegende System einen maximalen Fließmittelstrom aus den Preßstempeln in eine Quelle oder Bohrung hinein, und zwar während des Betriebes des Regenerationssystems, und wenn eine Druckerhöhung erforderlich ist, um die Wände der Bohrung zu brechen, kann das Regenerations system ausgeschaltet bzw. eliminiert, werden, wodurch das Aufbringen maximalen Druckes über die hydraulischen Zylindermotoren auf die Preßstempel raöqlich wird. Diese Verschiedenartigkeit sorgt für erhebliche Vorteile gegenüber den bekannten Vorrichtungen, die ein Auseinandernehmen der Preßstempel und Ändern verschiedener Bestandteile desselben erfordern, um diese duale oder doppelte Tätigkeiten zu erreichen, die eine hohe Fließmittelströmung oder einen hohen Druck erlauben, wie erwünscht ist.

Gemäß den vorstehenden Ausführungen wird der Druck auf dor Hauptquelle des hydraulischen Fließmittels zu den Zylindermotoren hin durch die Fähigkeiten der Zuführpumpen begrenzt. Hierdurch wiederum wird der Druck beschränkt, der auf das Fließmittel aufgebracht werden kann, welches in die Bohrung hineingepumpt wird, und zwar sowohl bei norma-

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len Betriebsbedingungen als auch während der Verwendung des Regenerationssystems. Es ist jedoch manchmal notwendig und erwünscht, den Druck auf dem Pließmittel im Bohrloch auf einen unterschiedlichen Maximaldruck zu beschränken oder sicher zu sein, daß höhere Spitzendrücke nicht erhalten werden, die eine Beschädigung der Gerätschaft hervorrufen könnten. Wegen der korrosiven und/oder abrasiven Eigenschaft des in das Bohrloch gepumpten Fließmittels ist es schwierig, den Fließmitteldruck mit herkömmlichen Druckmeß- und -Steuergeräten wirtschaftlich, genau und zuverlässig zu messen und zu steuern, und zwar direkt, um den Maximaldruck in dem Bohrloch zu begrenzen. Da erfindungsgemäß das DruckverhäLtnis zwischen dem Druck auf dem in das Bohrloch gepumpten Fließmittel während der Benutzung des Regenrationszyklus und ohne diesen nicht dasselbe ist, wird ferner eine Drucksteuervorrichtung am hydraulischen Zylindermotor, welches zur Anzeige und Beschränkung des entsprechenden Druckes auf dem Bohrlochfließmittel kalibriert ist, nur genau sein, wenn die Einheit in der Betriebsart arbeitet, auf welche die Vorrichtung kalibriert ist. In der anderen Betriebsart nach der Erfindung wird die Steuervorrichtung ungenau sein.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist jedoch ein Mittel ausgedacht worden, um den Druck im Bohrloch unbeachtlich der Betriebsart des Systems, in welchem dieses gerade arbeitet, auf ein gewünschtes Maximum zu begrenzen. Dies wird erreichi: durch eine Druckbegrenzungsvorrichtung, die auf der Hauptfließmittel zuführleitung der hydraulischen Zylindermotoren

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angeordnet und so betätigbar ist, daß sie die Fließmittelströmung zu den Zylindermotoren in jeder Betriebsart mißt und in jeder Betriebsart einstellbar ist, um einen gewünschten Bohrlochfließmitteldruck in den Preßstempeln auf der Basis einer Kalibrierungsskala auf der Vorrichtung vorzusehen, die für beide Betriebsarten genau ist.

In dieser Vorrichtung wird ein abgestufter Kolben in Verbindung mit einem automatischen Ventilschalt- und Ausschaltsystem verwendet, um die wirksame Fläche zu verändern, auf welche das Quellenfließmittel wirkt, um gegen eine einstellbare Federkraft zu arbeiten, die auf entsprechende Drücko des in das Bohrloch gepumpten Fließmittels kalibriert isL. Sobald das Pumpensystem gemäß der Erfindung von seiner normalen Betriebsart auf den Regenerationszyklus und umgekehrt geschaltet wird, wird gleichzeitig ein Ventil in dar Hauptfließmittelquellenzuführleitung geschaltet, um das Fließmittel gegen den geeigneten Kolbenbereich bzw. gegen die Kolbenfläche so zu richten, daß die Kalibrierung auf der Vorrichtung weiterhin genau bleibt.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten dor vorliegenden Erfindung ergeben sich aus dor vorliegenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer hydraulischen Verstärkereinheit bzw. eines hydraulischen Verstärkers unter Verwendung eines Paares von Preßstempeln

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sowie eines zugeordneten Paares von hydraulischen Zylindermotoren mit einem Regenerationssystem der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und Fig. 2 eine Querschnittsansicht durch die Quellendruckbegrenzungsvorrichtung für das hydraulische Fließmittel , wobei schematisch pneumatische Steuereinrichtungen veranschaulicht sind.

Es wird nun die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung im einzelnen beschrieben. Da sich die Erfindung hauptsächlich auf ein regeneratives System bezieht, welches in eine hydraulische Verstärkereinheit der oben in den beiden erwähnten US-Patentschriften beschriebenen Art eingeschlossen bzw. eingebaut ist, braucht der Gesamtbetrieb und brauchen die Ventilbestandteile, einschließlich der pneumatischen Steuerschaltkreise, nicht in der vorliegenden Beschreibung im einzelnen dargelegt zu werden, und der Leser kann Bezug auf die vorstehend genannten beiden US-Patentschrifton 3 773 438 und 3 981 622 nehmen, und zwar für Einzelheiten des Betriebes sowohl der hydraulischen als auch der pneumatischen Steuerschaltungen, und die Beschreibung dieser beiden Patentschriften wird hiermit zum Gegenstand auch der vorliegenden Anmeldung gemacht.

Das Ventilsystem bzw. Abblassystem, welches direkt die Zufuhr des hydraulischen Fließmittels von der Quellenleitung 10 zu den hydraulischen Zylindermotoren HCA und HCB steuert, die ihrerseits den Preßstempel A bzw. den Preßstempel B betätigen, ist in dem Kasten MS-1 der Fig. 1 ent-

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halten. Die Hauptsteuerventile des regenerativen System?; gemäß der Erfindung sind in Fig. 1 in dem Kasten MS-2 veranschaulicht.

Zunächst beziehen wir uns auf die Betriebsbestandteile im Kasten MS-1 unter der Annahme, daß der Preßstempel A als erster so aktiviert bzw. betätigt werden soll, daß er nach rechts getrieben wird, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Dann sind die Ventile HV 9A und HV 12A gemäß Darstellung in Fig. 1 in der geschlossenen Stellung, und das Ventil HV 11A wird in die offene Lage bewegt, um den Durchgang des Fließmittels aus der Hauptquelle des hydraulischen Fließmittols, welches durch die Leitung 10 kommt, zur Arbeitsflächenseite des Kolbens 12 in dem hydraulischen Zylindermotor HCA zu erlauben. Hierdurch wiederum stößt der Plunger bzw. Druckstempel 14 im Preßstempel A Flüssigkeit durch Leitung 16 zur Leitung 18, wo sie zu dem (nicht dargestellten) Bohrloch getragen wird. Das Fließmittel, welches in das Bohrloch gepumpt wird und gewöhnlich hoch abrasiv bzw. abschleifend oder scheuernd, korrosiv ist oder beides, wird aus einer (nicht gezeigten) Zuführdruckquelle den Preßstempeln A und B zugeführt und durch Leitung 20 mit den Absperr- bzw. Rückschlagventilen 22 und 24 in die Preßstempel gepumpt.

Sobald der Kolben 12 seine ausgefahrene Stellung am Ende des Arbeitshubes erreicht hat, öffnet der Kragen 26 auf der Kolbenstange 28 das Ventil AV 4A, welches das Ventil HV 11B öffnet, welches das unter Hochdruck stehende hydraulische?

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Fließmittel aus der Hauptquelle über Leitung 10 zur Arbeitsflächenseite des Kolbens 30 in dem Hydraulikzylindermotor HCB zuläßt bzw. zuführt. Durch das öffnen des Ventils HV 11B wird seinerseits das Ventil HV 11A geschlossen, welches seinerseits das Ventil HV 12A öffnet. Das hydraulische Fließmittel, welches gegen den Kolben 30 wirkt, veranlaßt diesen, sich nach vorn zu bewegen, wodurch seinerseits der Plunger des Preßstompeis B veranlaßt wird, Fließmittel durch die Leitung 18 zum Bohrloch auszustoßen.

Sobald der Preßstempel B betätigt wird, wie oben beschrieben ist, und zwar für eine Bewegung aus seiner zurückgezogenen Position, wie in Fig. 1 gezeigt ist, in seine ausgefahrene Stellung, wird der Kolben 12 in seine zurückgezogene Position zurückgeführt. Dies wird durch Verwendung eines hydraulischen Fließmittels mit verhältnismäßig niedrigem Druck erreicht, welches durch die Leitung 34 gepumpt wird, dann durch das Absperr- bzw. Rückschlagventil HV 24 und dann durch die Leitung 36 direkt auf die Rückführflächenseite des hydraulischen Zylindermotors HCA strömt. Sobald der Kolben 12 in seine zurückgezogene Stellung zurückgeführt ist, betätigt der Kragen bzw. die Manschette 26 das pneumatische Steuerventil AV 4B. Hierdurch wird seinerseits das Ventil AV 12A geschlossen, welches seinerseits das Vorkompressxonsventil HV 9A öffnet, das Fließmittel zu dem kleinen verbliebenen Volumen auf der Arbeitsflächenseite des Kolbens 12 in dem hydraulischen Zylindermotor HCA zuführt, um dieses Volumen vorzukompimieren·, bevor das Ventil HV 11A geöffnet wird, welches die Hauptquelle der

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Fließmitte!zufuhr mit dem Motor HCA verbindet. Sobald der Kolben 12 in seine zurückgezogene Position zurückkehrt, stößt er auch Fließmittel durch das Ventil HV 12A aus, welches vorher in der oben beschriebenen Weise geöffnet worden ist, wodurch das Fließmittel in den Tank 40 entleert bzw. dazwischengespeichert werden kann, aus welchem es wieder rezirkuliert bzw. umgewälzt werden kann.

Sobald der Kolben 30 seine am weitesten ausgefahrene Stellung erreicht hat, betätigt der Kragen 42 auf der Kolbenstange 43 das pneumatische Steuerventil AV 4C, welches das Ventil HV 11A öffnet, um hydraulisches Fließmittel mit hohem Druck aus der Leitung 10 zur Arbeitsflächenseite des Kolbens 12 einzuführen. Nachdem das Ventil HV 11Ά geöffnet ist, wird das Ventil HV 11B geschlossen, welches das hydraulische Fließmittel mit hohem Druck von der Arbeitflächenseite des Kolbens 30 abschließt bzw. abtrennt. Das Ventil HV 12B wird dann geöffnet, wodurch das hydraulische Fließmittel in dem hydraulischen Zylindermotor HCB in den Tank hinein beim Rückhub des Kolbens 30 entleert werden kann. Wenn das Ventil HV 12B geöffnet wird, wird der Druck aus dem hydraulischen Zylindermotor HCB entlastet, und das Fließmittel mit niedrigem Druck auf der Rückführflächensnite des hydraulischen Zylindermotors HCB, welches aus der Leitung 34 durch das Ventil HV 23 und Leitung 44 kommt, führt den Kolben 30 in seine zurückgezogene Position zurück und stößt das hydraulische Fließmittel von der Arbeitsflächenseite des hydraulischen Zylindermotors HCB zum Tank 40 aus.

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Sobald der Kolben 30 seine zurückgezogene Position erreicht hat, betätigt der Kragen 42 das pneumatische Steuerventil AV 4D, welches seinerseits das Ventil HV 12B schließt und das Vorkompressionsventil HV 9B öffnet, um das kleine freie Volumen in dem hydraulischen Zylindermotor HCB mit dem hydraulischen Fließmittel aus den Sammlern oder Speichern A1 und A2 vorzukomprimieren, wie oben in Verbindung mit dem hydraulischen Zylindermotor HCA beschrieben wurde.

Die Vorkompression der Zyiindermotoren HCA und HCB hilft bei der Schaffung eines gleichmäßigeren Druckes auf dem Ausgangsfließmittel aus dem Verstärker- Das beim Vorkomprimieren verwendete Fließmittel beider Hydraulikzylindermotoren HCA und HCB wird von den Sammlern oder Speichern A1 und A2 vorgesehen, die ihrerseits aus der Hauptfließmittelquelle über eine beschränkte bzw. Drosselöffnung 38 in Leitung 10 beschickt werden. Die Druckspeicher bzw. Energiesammler A1 und A2 werden unter Betriebsdruck gehalten, vorzugsweise demselben Druck wie der Druck aus der Quellenlcitung 10.

Die oben beschriebene Folge ist im allgemeinen die normale BetriebsfoIge der bekannten Vorrichtungen, wie in den vorgenannten beiden US-Patentschriften beschrieben, und ist auch die Betriebsfolge der vorliegenden Erfindung, wenn das hydraulische Ventil bzw. Hydraulikventil HV 17 offen ist. Wenn das Ventil HV 17 offen ist, wird das hydraulische Fließmittel auf der Rückführflächenseite beider hydraulischer Zylindermotoren HCA und HCB zum Speichertank 40 ausgestoßen, so-

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bald sich die Kolben 12 und 30 in ihre ausgefahrene Stellung bewegen und hydraulisches Fließmittel aus den hydraulischen Zylindermotoren ausstoßen.

Wenn jedoch das Ventil HV 17 in die geschlossene Lage bewegt wird, wie in Fig. 1 veranschaulicht ist, wird das aus einem hydraulischen Zylindermotor ausgestoßene Fließmittel, wenn der betreffende Kolben des Motors nach vorn bewegt wird, durch die Ventileinheit MS-2 geführt und durch Leitung 50 zur Leitung 10 zurückgeführt, um zusätzliches Fließmittel zu demjenigen hydraulischen Zylindermotor zuzuführen, der gerade in Betrieb ist. Falls zum Beispiel der Kolben 12 aus seiner zurückgezogenen Stellung in seine ausgefahrene Position bewegt wird, wird hydraulisches Fließmittel auf der Rückführflächenseite des Kolbens durch Leitung 36 ausgestoßen und strömt durch die Absperr- bzw. Rückschlagventile HV 21 und HV 18 und durch Leitung 50, um mit dem Fließmittel in Leitung 10 kombiniert zu werden bzw. zusammenzukommen, welches seinerseits durch die Ventile HV 10A und HV 11A zur Arbeitsflächenseite des hydraulischen Zylindermotors HCA strömt. Dieser Regenerationszyklus erhöht die Fließmittelmenge, die der Arbeitsflächenseite des hydraulischen Zylindermotors HCA zugeführt wird, und beschleunigt damit die Bewegung des Kolbens 12 aus seiner zurückgezogenen in seine ausgefahrene Stellung.

Wenn ebenso der hydraulische Zylindermotor HCB in Betrieb ist und der Kolben 30 sich aus seiner zurückgezogenen Stellung in seine ausgefahrene Position bewegt, wird hydraul L-

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sches Fließmittel von der Rückführflächenseite des hydraulischen Zylindermotors HCB durch Leitung 44 ausgestoßen und strömt durch die Absprerr- bzw. Rückschlagventile HV 20 und HV 18 sowie durch Leitung 50, um mit dem Fließmittel in Leitung 10 zusammenzukommen, welches aus der Haupthydraulikfließmittelquelle kommt. Das Fließmittel strömt dann durch die Ventile HV 10B und HV 11B zur Arbeitsflächenseite des hydraulischen Zylindermotors HCB.

Da der Druck in dem Fließmittel, welches von der Rückführflächenseite des jeweiligen hydraulischen Zylindermotors HCA oder HCB kommt, während des Regenerationszyklus im wesentlichen derselbe wie der Druck des hydraulischen Fließmittels in Leitung 10 sein muß, welches aus der Hauptquelle für hydraulisches Fließmittel kommt, ist die wirksame Fläche der Kolben auf die Querschnittsfläche der Kolbenstangen 28 und 43 für die betreffenden hydraulischen Zylindermotore reduziert. Obwohl also zusätzliches Fließmittel zugeführt wird, wird dieses mit einem effektiv niedrigeren Druck zugeführt, wie z.B. der Druck, der den Plungern 14 und 32 mitgeteilt werden kann, welche die Preßstempel A und B betreiben. Hierdurch wird in wirksamer Weise der Druck verringert, mit welchem das Arbeitsfließmittel durch Leitung 18 dem Bohrloch zugeführt werden kann, obwohl das Fließmitte L mit größerer Geschwindigkeit zugeführt werden kann, weil die hydraulischen Zylindermotoren HCA und HCB mit einer größeren Geschwindigkeit betrieben werden können, und zwar infolge des gesteigerten Volumens des hydraulischen FließmitteLs, welches ihren Arbeitsflächenseiten zugeführt

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Wenn es notwendig wird, Fließmittel mit einem größeren Druck zuzuführen, wird das hydraulische Steuerventil HV geöffnet, so daß das hydraulische Fließmittel auf den Rilckführflächenseiten der hydraulischen Zylindermotoren zum Tank 40 durch eine beschränkte Öffnung bzw. eine Drossel öffnung ausgestoßen wird, die einen viel niedrigeren Druck in dem hydraulischen Fließmittel als der Hauptquelle für die Fließmittelzufuhr hervorruft. Dieses steigert tatsächlich die Betriebsfläche auf den Arbeitsflächen der Kolben, und weil zusätzliches Fließmittel nicht für die Arbeitsflächenseite der hydraulischen Zylindermotoren vorgesehen ist, weil es in den Tank 40 entleert ist, statt zur Leitung 10 zurückgeführt worden zu sein, wird die Betriebsgeschwindigkeit während der Vorwärtsbewegung der Kolben der hydraulischen Zylindermotoren HCA und HCB verringert.

Somit erlaubt die Vorrichtung gemäß der Erfindung eine Doppelbetriebsart einer hydraulischen Verstärkereinheit ohne die Notwendigkeit, Kolben zu ändern bzw. auszuwechseln und Hülsen einzusetzen etc., wie es bei den bekannten Vorrichtungen erforderlich war und was offensichtlich erhebliche Stillstandszeiten erfordert, um die notwendigen Auswechselarbeiten vorzunehmen. Erfindungsgemäß jedoch ist all das, was notwendigerweise getan werden muß, die Betätigung des hydraulischen Steuerventils HV 17, um die Regeneration für das System vorzusehen, wie es die Erfordernisse verlanqen.

Ferner hat man sich überlegt, daß die automatische Steuerung des hydraulischen Steuerventils HV 17 in Abhängigkeit von

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den Betriebseigenschaften ausgenutzt werden kann. Falls beispielsweise das Regenerationssystem benutzt wird, um Fließmittel in das Bohrloch zu pumpen, und der Verstärker wegen unzureichenden Druckes zum Aufbrechen der Substrate des Bohrloches abgewürgt wird bzw. stecken bleibt, kann das hydraulische Steuerventil HV 17 automatisch in die offene Stellung geschoben werden, um den Druck zu erhöhen und das Aufbrechen der Oberflächen im Bohrloch zu besorgen.

Da es entsprechend den obigen Ausführungen erwünscht ist, den Maximaldruck auf dem Fließmittel, welches in das Bohrloch hineingepumpt wird, zu steuern, müssen Mittel vorgesehen werden, welche den Druck sowohl in der Normalbetriebsart als auch während des Regenerationszyklus abtasten bzw. abfühlen können. Erfindungsgemäß wurde die Druckbegrenzungsvorrichtung 60, die in Fig. 2 dargestellt ist, vorgeschlagen, um ein richtiges Einstellen des Druckes durch Verwendung eines einzigen Steuerventiles zu erlauben, unbeachtlich davon, in welcher Betriebsart sich das System befindet. Die Druckbegrenzungsvorrichtung 60 steht in Verbindung mit der Quellenleitung 10, wie in Fig. 1 gezeigt ist, und entlastet den Druck in Leitung 10 durch Entleeren von FließmitteL zum Tank 40 hin, wenn der Druck ein vorbestimmtes Niveau erreicht.

Gemäß Darstellung in Fig. 2 weist die Vorrichtung grundsätzlich ein Hauptgehäuseteil 62 mit einer zylindrischen Verlängerung 64 mit Innengewinden 66 auf, die durch das mit entsprechendem Außengewinde versehene zylindrische Teil 68 in

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Kämmeingriff bringbar sind. Das Teil 68 ist mit einem zylindrischen Innenraum versehen zur Aufnahme einer Kompressionsfeder 70 und ist an einer zylindrischen Kappe 72 angebracht, die aus einem abgestuften scheibenförmigen Teil besteht, an dem ein zylindrischer Mantel 76 angebracht ist, der sich über das äußere Ende der zylindrischen Verlängerung 6 4 erstreckt.

Ein Kolben 80 ist in einem entsprechenden zylindrischen Hohlraum im Hauptkörperteil 62 konzentrisch zur Kompressionsfeder 70 angeordnet, welche gegen das Ende des Kolbon 80 drückt. Der Kolben 80 ist abgestuft und hat ein schmaleres bzw. kleineres Ende 82, welches eine Fläche 84 bietet. Eine zusätzliche Fläche 88, die durch eine? Stufe im Kolben 80 gebildet ist, wird dem Fließmitteldruck über die Leitung 90 ausgesetzt, die weiterhin mit Leitung 10 in Vorbindung steht. Die Fläche 84 kann auch der Fließmittelquol-Ie über Ventil AV 2F ausgesetzt werden. Eine Vielzahl von zylindrischen Durchgängen sind im Hauptkörperteil der Vorrichtung 16 gebildet, um den Fließmittelst rom durch dieso Öffnungen hindurch zu ermöglichen. Die Verbindungsieitun<j 90 nimmt Fließmittel direkt von der Quellenleitung 10 auf und führt es direkt zur Quelle 88 des Kolbens 80 zu. Diu durch die Tätigkeit dieses Fließmittels auf den Kolben 80 erzeugte Kraft wird durch die Kraft der Kompressionfeder ausgeglichen bzw. letztere arbeitet gegen die erstere Kraft. Falls die Fließmittelkraft nicht ausreicht, die Federkraft zu überwinden, wird der Kolben nach rechts bewegt, wie man in Fig. 2 sieht, so daß das Fließmittel aus der Quellenleitung 10 über Leitung 92 zum Tank 40 entleert wird.

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Der kleinere Kolbendurchmesser der Fläche 84 ist der Tätigkeit des Systems in der Regenerationsbetriebsart zugeordnet. Wenn sich das System in der normalen Betriebsart befindet, wird das pneumatische Steuerventil AV 2F, welches von dem pneumatischen Steuersystem betrieben wird, in der in Fig. 2 veranschaulichten Position gehalten, so daß das Fließmittel aus der Quellenleitung 10 gegen die Fläche 88 des Kolbens 80 gerichtet und auch durch die Leitung 94 zum Ventil AV 2F geführt wird und auf die Fläche 84 des Kolbens 82 wirkt. Wenn das System jedoch auf die Regenerationsbetriebsart umgeschaltet wird, wird das Ventil AV 2F nach oben bewegt, wie in Fig. 2 zu sehen ist, so daß die Leitung 94 von dem Ventil gegen eine Verbindung mit der Leitung 96 blockiert wird. Wenn dies geschieht, wird die gegen die Kompressionsfeder 70 wirkende Kraft durch den Druck auf die Fläche 88 nur des Kolbens 80 erzeugt und ist somit kleiner als sie durch die Beschickung oder Zufuhr des kombinierten Druckes zu den Flächen 84 und 88 in der Normalbetriebsart wäre.

Eine Kalibrierungsskala 98 bzw. ein Einstellmaßstab 98 ist auf der SeLte der zylindrischen Verlängerung 64 vorgesehen. Die Vorderkante 100 der Ummantelung bzw. Verkleidung 76 wird als Markierung oder Zeiger für die Ausfluchtung mit der geeigneten Kerbe auf der Kalibrierskala 98 verwendet, um den gewünschten beschränkten Druck in dem Bohrloch für beide Betriebsarten des Systems zu erhalten. Deshalb kann durch einfache Ingenieurberechnungen der Ausgangsdruck von den Preßstempeln in Wechselbeziehung bzw. Korrelation zum Eingangsdruck aus der Quellenleitung 10 zu den hydraulischen

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Zylindermotoren HCA und HCB gebracht werden, und zwar über eine richtige Kalibrierung der Skala 98 sowie Größenbemessung der Kolbenflächen 84 und 88, und duroh geeignete Kraft- und Federrate der Kompressionsfeder 70. W.inn der gewünschte Druck auf der Kalibrierskala durch Drehen der Kappe 72 eingestellt worden ist, falls der Quellendruck diese gewünschte, gewährleistete Grenze überschreitet, wird hierdurch der Kolben 80 ausreichend nach rechts bewegt, wie in Fig. 2 gezeigt ist, so daß das Fließmittel aus der Quellenleitunq 10 durch die Leitung 92 zum Tank 40 gelangen und somit den richtigen Druck in der Zuführleitung zu don hydraulischen Zylindermotoren HCA und HCB aufrechterhalten kann, die ihrerseits den gewünschten Druck auf dem Fließmittel in den Preßstempeln und im Bohrloch erzeugen.

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Claims

Dr. Hans-Heinrich Willrath t _D _ ₆₂₀₀ wiesbadhn ι 3.11.198c

Dr. Dieter Weber Postfach 6145

Dipl.-Phys. Klaus Seiffert 3041817 «pÄw»»'²⁵

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PATENTANWÄLTE _{Tdrxi 4}. _m, ₂₄₇

Towler Hydraulics, Inc.,

1250 East Route 36, Urbana,

Ohio 43078, USA

Hydraulischer Verstärker, insbesondere zur Erstellung von Ölbohrungen und dergleichen

Priorität: Serial No. 092 245 vom

7. November 1979 in USA

Patentansprüche

Docket 674£

Hydraulischer Verstärker für die Benutzung beim Ölquellenbrechen, Erosionsbohren oder dergleichen, bei welchem zwei Arbeitspreßstempel (RAMA und RAMB) nacheinander durch zwoi entsprechende hydraulische Zylindermotoren (HCA, HCB) betrieben werden, deren jeder einen Kolben (12, 30) hat, dor

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eine Arbeitsflächenseite und eine entgegengesetzte Rücklaufflächenseite geringerer Betriebsfläche bildet als die Betriebsflächenseite, mit einer Quelle (10) für hydraulisches Fließmittel für die Zufuhr von Fließmittel zu der Arbeitsflächenseite der Motoren (HCA, HCB), wobei die Kolben (12, 30) der Motoren (HCA, HCB) zwischen einer zurückgezogenen und einer ausgefahrenen Stellung bewegbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß Ventileinrichtungen (MS-1, MS-2) die hydraulischen Zylindermotoren (HCA, HCB) mit der Fließmittelquelle (10) zur wahlweisen (1) Aufnahme von Fließmittel von der Rücklaufflächenseite der Motoren (HCA, HCB) und zum Zuführen des Fließmittels der Quelle (10) verbinden, zur Steigerung der Fließmittelströmung von der Quelle zu der Arbeitsflächenseite der Motoren (HCA, HCB) während der Bewegung aus der zurückgezogenen Stellung in die ausgefahrene Position oder (2) zum Ausstoßen von Fließmittel aus der Rückführflächenseite und nicht zum Zurückführen desselben in die Quelle (10) während der Bewegung aus der zurückgezogenen Position in die ausgefahrene Stellung, und daß Einrichtungen (MS-2) vorgesehen sind zum Zuführen hydraulischen Fließmittels zu der Rückführflächenseite der Motoren (HCA, HCB) zur Bewegung der Kolben (12, 30) in die zurückgezogene Stellung.

2. Hydraulischer Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Zuführen von Fließmittel zu der Rückführflächenseite der Motoren (HCA, HCB) folgende Teile aufweist: Eine erste Leitung für die Verbindung der Fließmitte:l-

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quelle (10) mit der Arbeitsflächenseite der Motoren (HCA, HCB), eine zweite Leitung zum Verbinden der Rückführflächenseite der Motoren (HCA, HCB) mit den Ventileinrichtungen (MS-2), eine dritte Leitung (50) zum Verbinden der Ventileinrichtungen (MS-2) mit der ersten Leitung, Einrichtungen (34) zum Zuführen von Fließmittel bei geringerem Druck als der Pließmittelquelle (10) zu der zweiten Leitung und eine weitere Ventileinrichtung (HV 23, HV 24), welche die Fließmittelzufuhr unter geringem Druck mit der zweiten Leitung verbindet zum Druchlassen des Fließmittels bei geringem Druck zu der zweiten Leitung, wenn die Kolben (12, 30) in der ausgefahrenen Stellung sich befinden und sich der Fließmitteldruck auf der Rückführflächenseite der Motoren (HCA, HCB) bei ihrem niedrigeren Druck befinden, und zum Verhindern, daß Fließmittel mit höherem Druck zu den Fließmlttelzuführeinrichtungen (34) mit niedrigerem Druck gelangt.

3. Hydraulischer Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinrichtungen (MS-2) das Fließmittel aus den Motoren (HCA, HCB) der Quelle (10) mit im wesentlichen demselben Druck zuführen, wie die Quelle (10) Fließmittel der Arbeitsflächenseite der Motoren (HCA, HCB) zuführt.

4. Hydraulischer Verstärker nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Sammeleinrichtung (A-1, A-2), die mit der Fließmittelquelle (10) über Einrichtungen (38) verbunden ist, welche eine beschränkte öffnung zum Ablassen eines Teils des Ausgangs der Quelle (10) bilden, eine zusätzliche Ven-

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tileinrichtung (HV 9A, HV 9B), welche auf den Rücklauf jedes Motors (HCA, HCB) in seine entsprechende zurückgezogene Stellung anspricht und die Motoren (HCA, HCB) mit der Sammeleinrichtung (A-1, A-2) verbindet, zum Vorkortiprimieren der Motren (HCA, HCB) vor dem Beginn der direkten Applikation von Fließmittel von der Quelle (10), und eine Einrichtung (AV 4A, AV 4C, HV 11A, HV 11B), die auf die Näherung jedes Kolbens der Zylindermotoren (HCA, HCB) in ihre ausgefahrenen Stellungen anspricht, zum Aufbringen von Fließmittel von der Quelle (10) auf den anderen Motor, der in seiner zurückgezogenen Stellung vorkomprimiert worden ist, so daß der Ausgangsdruck des Verstärkers im wesentlichen ununterbrochen bleibt.

5. Hydraulischer Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (60) den Druck des Fließmittels, welches einer Quelle bzw. einem Bohrloch zugeführt wird, auf einen bestimmten Maximaldruck begrenzt, durch Begrenzen des Druckes auf dem Fließmittel aus der hydraulischen Fließmittelquelle (10) zu den Motoren (HCA, HCB) hin, wenn die Ventileinrichtung (MS-1, MS-2) sich in einer der auswählbaren Stellungen befindet.

6. Hydraulischer Verstärker nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckbegrenzungseinrichtung (60) folgende Teile aufweist:

Ein Gehäuse (62) mit einem ersten Durchgang (90), der mit der Fließmjttelquelle (10) verbunden ist, einem zweiten

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Durchgang (92) , der mit einer Fließmittelentleerungseinrichtung (40) verbunden ist,

einer Kolbeneinrichtung (80), die in dem Gehäuse (62) bewegbar ist, um auswählbar den ersten und den zweiten Durchgang (90, 92) zu verbinden, und mindestens zwei getrennte Flächen (84, 88) hat, die wahlweise dem Fließmittel aus der Fließmittelquelle (10) aussetzbar sind, und

mit einer Steuerventileinrichtung (AV 2F) zum Aufbringen von Fließmittel aus der Fließmittelquelle (10) auf eine oder beide der Kolbeneinrichtungsflächen (84, 88),

und eine Federeinrichtung (70, 72) zum einstellbaren Aufbringen einer Kraft auf die Kolbeneinrichtung (80) zum Gogenwirken gegen den Druck des Fließmittels aus der Quelle (10) bis auf ein vorbestimmtes Niveau, bei welchem die Kolbeneinrichtung (80) sich derart bewegt, daß sie den ersten und den zweiten Durchgang (90, 92) miteinander verbindet.

7. Hydraulischer Verstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste der Kolbeneinrichtungsflächen (84, 88) derart groß ist bzw. bemessen ist, daß sie dem Druck auf dem Fließmittel entspricht, welches gerade in die Quelle oder Bohrung gepumpt wird, wenn die Ventileinrichtung (MS-1, MS-2) so eingestellt oder angeordnet ist, daß sie Fließmittel von der Rückführflächenseite ausstößt, und eine zweite der Flächen in Kombination mit der Größe der ersten Fläche derart groß bemessen ist, daß sie dem Druck auf dem Fließmittel entspricht, welches gerade in die Quelle oder

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Bohrung hineingepumpt wird, wenn die Ventileinrichtung (MS-1, MS-2) so angeordnet ist, daß sie Fließmittel von der Rückführflächenseite zu der Arbeitsflächenseite zurückführt .

8. Hydraulischer Verstärker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Federeinrichtung (70, 72) eine Kalibriereinrichtung (98) aufweist mit Anzeigen des Fließmitteldruckes in der Quelle oder Bohrung bei entsprechender Begrenzungsfederkraft auf der Kolbeneinrichtung (80) zum Gegenwirken gegen den Druck der Fließmittelquelle (10), wobei die Einrichtung auch derart einstellbar ist, daß man die Federkraft auf eine entsprechende Anzeige des Bohrlochfließmitteldruckes verändern kann.

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