DE3142722A1 - Mechanische schlagschere - Google Patents

Description

Mechanische Schlagschere

Die Erfindung bezieht sich auf eine mechanische Schlagschere nach dem Oberbegriff des Anspruchs L

Beim Niederbringen von Tiefbohrungen können der Bohrmeißel oder Teile des Bohrstranges in der Formation verklemmen. Ein Lösen des Bohrstranges ist mittels einer Schlagschere möglich, die bei zum Verklemmen des Bohrstranges neigenden Formationen vorsorglich in den Bohrstrang eingefügt wird. Eine Schlagschere ist ein teleskopartig auseinander- oder zusammenschiebbares Werkzeug bestehend aus einem Dorn und einer Muffe mit stabilen Anschlägen für die Endstellungen der beiden Teile. Sie umfaßt eine aufhebbare Rastvorrichtung, die Dorn und Muffe in einer Anfangsstellung fixieren kann. In dieser Stellung kann durch Anheben oder Ablassen des Bohrstranges mittels der Zugvorrichtung am Bohrturm Federenergie im Bohrstrang gespeichert werden. Wenn sich dieser bei Aufheben der Rastung entspannt, wird die Federenergie in kinetische Energie umgewandelt, wobei sich Dorn und Muffe der Schlagschere verschieben, bis ihre Anschlagflächen aufeinanderprallen. Aufgrund der dabei abgebremsten gewaltigen Masse des Bohrstranges entstehen starke Schläge, die festsitzende Teile lösen können; es sind jedoch häufig eine Vielzahl von Schlägen nötig, bis der Bohrstrang wieder frei liegt. Der bereits erwähnten Rastvorrichtung obliegt die Aufgabe, die Längsbewegung der teleskopartig verschiebbaren Teile so lange zu blockieren, bis dem Bohrstrang eine wahlweise vorgegebene Auslösekraft aufgeprägt ist und nach Überschreitung dieser Kraft die ungehemmte Verschiebung

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von Dorn und Muffe je nach Richtung der Vorspannkraft zu ermöglichen. Teile der Rastvorrichtung sind dabei Kräften bis zu dem Wert der Auslösekraft ausgesetzt. Im Dauerge- . brauch einer Schlagschere sind derartig beanspruchte Teile besonderen Problemen hinsichtlich Verschleiß und Bruchgefahr unterworfen. Die Konstruktion muß deshalb so ausgelegt werden, daß Zug-, Druck- oder Scherkräfte möglichst weit unterhalb der kritischen Grenzen zu liegen kommen. Durch die US-PS 4,lo5,o82 ist eine mechanische Schlagschere gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Die Teile der Rastvorrichtung, welche der dem Bohrstrang aufgeprägten Auslösekraft ausgesetzt sind, bestehen aus einem Dorn und einer Muffe, welche gegenseitig auf Torsion beanspruchbar sind. An einer Stelle ist die Muffe mit Stiften versehen, die in Längsschlitze des Dorns hineinragen; an einer anderen Stelle besitzt die Muffe eine längliche Aussparung, deren eine Begrenzungsfläche als axial verlaufende Zahnreihe trapezförmiger Struktur ausgebildet ist, in die eine ebenfalls trapezförmige Zahnleiste eingreift, welche auf dem Dorn befestigt ist. Bei gegenseitiger Zug- oder Druckbeaufschlagung von Dorn und Muffe werden die Zahnreihen unter gleichzeitiger relativer Verdrehung von Dorn und Muffe außer Eingriff gedrückt. Da Dorn und Muffe aber an anderer Stelle durch Stifte gegen Verdrehen fixiert sind, baut sich ein Torsionsmoment auf, das dem Auseinanderstreben der Zahnreihen entgegenwirkt. Der Betrag des Torsionsmoments, welches bei vollständigem Auseinanderrücken der Zahnreihen auftritt, und die Neigung der Zahnflanken bestimmen die Auslösekraft. Die Beanspruchung von Dorn und Muffe auf Torsion zur Erzeugung einer zu der im Bohrstrang auftretenden Kraft entgegengerichteten Verriegelungskraft, wie in der US-Patentschrift beschrieben, erlaubt, kritische Zug-,Druck- oder Scherkräfte im Federelement zu vermeiden. Das ist deshalb möglich, weil Wegen der großen räumlichen Ausdehnung des Federelements der spezifische

Verformungsweg gering ist. Nachteilig bei der beschriebenen Konstruktion sind jedoch einige Merkmale, die einer erfolgreichen Anwendung des Prinzips im Wege stehen. So befinden sich Dorn und Muffe nach dem Ausrasten der Rastvorrichtung unter Torsionsspannung, was starke Reibkräfte zwischen den Stirnflächen der Zahnreihen und den Berührungsflächen von Stiften und Längsnuten über den gesamten Verschiebungsweg von Dorn und Muffe zur Folge hat. Außer einem starken Verschleiß der aufeinandergleitenden Teile verzehren die Reibkräfte auch einen Teil der kinetischen Energie des sich entspannenden Bohrstranges, so daß die Intensität des ausgeübten.Schlages bei Aufprall der Anschlagflächen geringer ist. Der Verschleiß an den in Längsnuten geführten Stiften ist wegen der kleinen Berührungsfläche und der daraus resultierenden hohen Flachenpressung besonders ausgeprägt. Die Einstellung der Auslösekraft ist nur in groben Stufungen und nur mit Hilfe eines Spezialwerkzeugs möglich.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, eine mechanische Schlagschere gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so auszubilden, daß die oben erwähnten Nachteile vermieden werden.

Diese Aufgabe wird entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen des ". Anspruchs 1 gelöst.

Das unter Torsionsspannung bringbare Teil₀ vorzugsweise in Form einer Torsionshülse, ist von den zur übertragung des Betriebsdrehmoments längs des Bohrstranges dienenden Teilen entkoppelt, damit einerseits keine Beeinflussung der Torsionsspannung und damit der Auslösekraft durch das Betriebsdrehmoment erfolgtund andererseits: eine Entspannung der Rastvorrichtung im entriegelten Zustand möglich ist.

Zusätzlich zu der bei teleskopartig aufgebauten Bohrwerkzeugen üblichen Nut-Keil-Verzahnung, die zur Drehmomentübertragung verschieb!iche Teile längs des Bohrstranges dient, ist der Rastvorrichtung eine gesonderte Drehmomentstütze zugeordnet. Diese ist ebenfalls als Nut-Keil-Verzahnung ausgeführt, jedoch hinsichtlich ihrer axialen Länge kürzer als der maximale Verschickeweg von Dorn und Muffe. Die Rastvorrichtung umfaßt ferner Rastelemente in Form trapezartiger Zahnleisten mittels derer Dorn und Muffe in an sich bekannter Weise verriegelt werden. Im Falle der Entriegelung durch axiale Oberlastbeaufschlagung und einem kurzen axialen Verschickeweg verlieren die Berührungsflächen der gesonderten Keil-Nut-Verzahnung den gegenseitigen Kontakt und die Torsionshülse "kann sich entspannen. Auf dem weiteren Verschiebeweg drücken dann weder Stirnflächen von Zähnen noch Flanken von Keil-Nut-Verzahnung aufeinander, so daß die Schlagschere die teleskopartige Verschiebung ungehemmt ausführen kann. Ein Verschleiß an den genannten Flächen tritt während dieser Verschiebephase nicht auf. Ein Einrasten der Rastvorrichtung durch Ineinandergleiten der gesonderten Keil-Nut-Verzahnung wird durch eine Ein!aufschräge an den Zahnflanken erleichtert.

Eine kontinuierliche Einstellung der Auslösekraft ist durch sägeverzahnte Verstell eisten möglich, die bei axialer Verschiebung eine Voreinstellung des Torsionswinkeis der Torsionshülse hervorrufen. Die axiale Verschiebung erfolgt mit Hilfe einer Gewindemutter, die wiederum durch ein Ritzel ohne Spezialwerkzeug von außen betätigbar ist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind zur eindeutigen Zuordnung der gesonderten Keil-Nut-Verzahnung und der Lage der Zahnleisten die Teile ohne Zwischenschaltung einer Gewindeverbindung auf demselben Dornabschnitt bzw. in derselben Muffensektion untergebracht. Weitere vorteilhafte Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der Zeichnung erläutert.

Fig. 1 zeigt eine mechanische Schlagschere mit der erfindungsgemäßen Rastvorrichtung als räumliche Schnittzeichnung.

Fig. 2 zeigt räumlich dargestellt den Bereich der Rastvorrichtung unter Fortlassen der für das Funktionsprinzip nicht relevanten Merkmale.

Die in Fig. 1 dargestellte Schlagschere besteht aus einem Dorn 1 und einer Muffe 2, die teleskopartig verschiebbar sind. Dorn und Muffe tragen jeweils am äußeren Ende Gewindemuffen 3, 4 mittels derer die Schlagschere in einen Bohrstrang eingefügt werden kann. Im Ausgangszustand, d.h. wenn die Schlagschere in Bereitschaftsstellung ist, und im normalen Bohrbetrieb nehmen Dorn 1 und Muffe 2 eine Mittelstellung ein. In dieser Mittelstellung werden sie durch eine Rastvorrichtung 5 fixiert. Bei Auslösen der Rastvorrichtung 5 lassen sich Dorn und Muffe sowohl ineinander als auch auseinanderschieben, und zwar jeweils bis einem Anschlag. Diese Anschläge dienen bei Benutzung der Schlagschere als Schlagschultern. Bei Auseinanderziehen des Werkzeuges prallt eine als Hammer 6 dienende Fläche eines Teils einer Verbindungsmuffe 7 auf eine als Amboß 8 dienende Fläche am unteren Ende einer Nut-Keil-Muffe 9. Beim Zusammensetze-, ben prallt eine andere als Hammer Io dienende Fläche am unteren Ende der Verbindungsmuffe 7 auf eine weitere als Amboß 11 dienende Fläche an einer Engstelle 12 der Muffe 2.

Zur übertragung eines Drehmoments vom Dorn 1 zur Muffe 2 sind beide Teile mit einer axial über einen eingeschränkten Bereich sich erstreckende Nut-Keil-Verzahnung 13 versehen, wobei die Nut-Keil-Muffe 9 einen Nut-Keil-Dorn 14 umschließt.

Der Dorn 2 ist in seinem weiteren Verlauf durch eine doppelte Gewindeverbindung mittels der Verbindungsmuffe 7 von dem den Nut-Keil-Dorn 14 tragenden Teil hinsichtlich Torsion entkoppelt. Zu diesem Zweck ist der eine Teil der doppelten Gewindeverbindung ungekontert und mit einem zylindrischen Trapezgewinde versehen. Unterhalb der Verbindungsmuffe 7 ist in einem Zwischenraum zwischen Dorn 1 und Muffe 2 die Rastvorrichtung 5 angeordnet. In einem bestimmten Abstand dazu befindet sich weiter unten eine gesonderte Nut-Keil-Verzahnung 15.

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- Io -

Der dazwischen liegende Bereich des Dorns 1 dient als Torsionshülse 16. Sowohl die Muffe 2 als auch der Dorn 1 vermeiden Gewindeverbindungen im Bereich "Rastvorrichtung 5 Torsionshülse 16 und gesonderte Nut-Keil-Verzahnung 15", damit bei allen Lastfällen eindeutige Verdrehungswinkel zwischen Rastvorrichtung 5 und Nut-Keil-Verzahnung 15 gewährleistet sind und eine reproduzierbare Beziehung zwischen Auslösekraft und Einstellweg herstellbar ist.

Um den Verschleiß der beweglichen Teile zu verringern, liegen die Nut-Keil-Verzahnungen 13 und 15 sowie die Rastvorrichtung im Ölbad. Der Olraum ist gegen den Spülungsraum mittels einer festen Dichtung 17 und einer axial verschieblichen Dichtung 18 zur Druck- und Volumen-Kompensation abgedichtet.

Zur Verbesserung des öldurchtritts durch die Nut-Keil-Verzahnung bei Verschiebebewegungen zwischen Dorn 1 und Muffe 2 trägt die Verbindungsmuffe 7 eine Außenhülse 19, die als Pumpenkolben dient und den gleichen Außendurchmesser aufweist» wie der Dorn im Bereich der festen Dichtung 17. Beim Auseinanderziehen des Werkzeugs wird mittels der Außenhülse 19 öl durch den engen Nut-Keil-bereich in

den Raum zwischen der Nut-Keil-Verzahnung 13 und der festen Dichtung gedrückt. Eine übermäßige Belastung der festen Dichtung durch eine zeitweilig hohe Druckdifferenz zwischen ölraum und Spülungsraum wird dadurch vermieden. Die Außenhülse 19 muß gerade soviel Leckverluste aufweisen, daß ein stationärer Druckausgleich im gesamten ölraum erfolgen kann.

Anhand der Prinzipzeichnung in Fig. 2 wird nun die Rastvorrichtung erläutert.

Um eine symmetrische Belastung des Dorns 1 zu erhalten, sind die axial ausgerichteten Teil paarweise gegenüberliegend vorhanden; in Fig. 2 ist jedoch nur eine Hälfte der Paare erkennbar.

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Eine dornseitige Rast!eiste 2o liegt in einer Tasche einer mit dem Dorn 1 verbundenen Erhebung 21. Da auf die Rastleiste 2o nur im Rechtsdrehsinn gerichtete Kräfte einwirken können, ist sie durch die Tasche axial und tangential gegen Verschiebung auf dem Dorn 1 gesichert."Sie kann jedoch zur Demontage herausgezogen werden. In Eingriff mit der dornseitigen Rastleiste 2o steht eine muffenseitige Rastleiste 22, die in einer Tasche einer Trägerleiste 23 ruht. Die Trägerleiste ist axial bezüglich der Muffe 2 durch eine obere Stirnfläche 24 und durch eine untere Hülse (nicht in Fig. 2 erkennbar) fixiert aber tangential verschieb! ich angeordnet. Die Trägerleiste 23 ist-auf der der Tasche abgewandten Seite schrägverzahnt und steht mit einer Verstell eiste in Eingriff . Die Verstelleiste 25 ist bezüglich der Muffe Z axial verschiebbar angeordnet aber mittels einer Paßfeder 26 gegen tangentiale Verschiebung gesichert. Am oberen Ende trägt die Verstelleiste 25 einen Gewindeabschnitt 27, der mit einer axial fixierten Einstel!mutter 28 in Eingriff steht. Die Einstellmutter 28 trägt einen Kegel zahnkranz 29, in den ein Kegelritzel 3o eingreift, über einen Innensechskant ist dieses Kegelritzel von außen betätigbar und vermag die Einstellmutter 28 zu verdrehen, über den Gewindegriff wird dabei die Versteüeiste 25 in ihrer axialen Position verschoben. Aufgrund der aufeinandergleitenden schrägverzahnten Flanken von Verstelleiste 25 und Trägerleiste 23, weicht die Trägerleiste 23 bei Anheben der Verstelleiste 25 im Sinne einer Rechtsdrehung von oben betrachtet aus und überträgt die Verdrehbewegung über die Rastleisten 2o_s 22 auf den Dorn 1. Da der Dorn 1 weiter unterhalb durch die gesonderte Nut-Keil-Verzahnung 15 gegen Verdrehen gesichert ist, erzeugt eine Rechtsdrehung im Bereich der Rastleisten ein Torsionsmoment innerhalb des zwischen den Rastleisten 2o,22,und der Nut-Keil -Verzahnung 15 liegenden Dornabschnitts .Um eine relativ

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weiche Federcharakteristik zu erzeugen, ist dieser Bereich als dünnwandige Torsionshülse 16 angeführt.

Die axiale Ausdehnung der gesonderten Nut-Keil-Verzahnung 15 ist auf einen kürzeren Bereich beschränkt als dem maximalen Verschiebeweg von Dorn 1 und Muffe 2 entspricht. Um ein Wiedereinrasten der Nut-Keil-Verzahnung zu ermöglichen, sind die Flankenenden mit einer Ein!aufschräge 31 versehen.

Der Auslösevorgang der Rastvorrichtung wird durch eine Zug-oder Druckbeaufschlagung des Dorns 1 eingeleitet. Während eines geringen Verschiebeweges gleiten die Flanken der trapezförmigen Zähne der Rastleisten 2o, 22 aufeinander, wobei die dornseitige Rastleiste 2o unter Torsion des Dorns 1 im Rechtsdrehsinn ausweicht. Die Axialkraft, die bis zur vollständigen Trennung der Zahnreihen aufgebracht werden muß, richtet sich nach der Flankensteilheit der Zähne, der Tiefe der Verzahnung, der Federkonstanten der Torsionshülse 16 und der durch die Verstelleiste 25 aufgeprägten Vorspannung. Bei vollständiger Trennung der Zähne ist die Blockierung der freien Axialbewegung des Dorns 1 aufgehoben und dieser kann in Richtung der aufgeprägten Kraft bis zum Anschlag der Schlagschultern beschleunigt werden. Während des ersten Teils des Verschiebeweges sind die dorn- und muffenseitigen Teile der gesonderten Nut-Keil-Verzahnung noch in Eingriff. Auf dem weiteren Verschiebeweg geraten sie außer Eingriff, worauf sich die unter Torsion stehende Torsionshülse 16 entspannen kann. Dabei verschwinden auch die Reibkräfte, die durch den Flächendruck auf die Flankender gesonderten Nut-Keil-Verzahnung und auf die Stirnflächen der Zahnleisten hervorgerufen werden. Beim Wiedereinrasten wird das Torsionsmoment dadurch wiederaufgebaut, daß die Flanken der gesonderten Nut-Keil-Verzahnung über die Einlaufschräge 31 allmählich in Eingriff kommen.

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Durch eine sogenannte Schlüssel verzahnung der Rastleisten 2o, 22 wird erreicht, daß diese nur in einer einzigen Stellung zueinander einrasten können.

Claims (15)

Mechanische Schlagschere

1. Mechanische Schlagschere zum Einfügen in einen Bohrstrang für Tiefbohrungen, bestehend aus einer Muffe mit einem darin längsbeweglichen Dorn, gegenseitigen Schlagschultern an Dorn und Muffe, einer ersten Nut-Keil-Verzahnung zur Drehmomentübertragung längs des Bohrstranges vom Dorn zur Muffe und mit einer aufhebbaren Rastvorrichtung zur Blockierung einer relativen Längsbewegung von Dorn und Muffe, wobei die Rastvorrichtung dorn- und muffenseitige Rastelemente mit axial verlaufender Verzahnung umfaßt, die mittels eines gegen eine Drehmomentstütze gelagerten und unter Torsionsspannung bringbaren Teils in Eingriff gehalten sind, dadurch gekennzeichnet, daß das unter Torsionsspannung bringbare Teil (16) von den zur Drehmomentübertragung längs des Bohrstranges dienenden Teilen entkoppelt ist.

2. Schlagschere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das unter Torsionsspannung bringbare Teil (16) mittels einer Drehverbindung (7) von der ersten Nut-Keil-Verzahnung (13) entkoppelt ist und in einer gesonderten Drehmomentstütze (15) gelagert ist.

3. Schlagschere nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehmomentstütze (15) als Nut-Keil-Verzahnung ausgeführt ist.

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4. Schlagschere nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehverbindung (7)eine ungekonterte, zylindrische Trapezgewindeverbindung umfaßt.

5. Schlagschere nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das unter Torsionsspannung bringbare Teil (16) als Torsionshülse ausgebildet ist.

6. Schlagschnere nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Torsionshülse (16) über axial feste, tangential verschieb!iche Leisten (23) verdrehbar ist, die über schräge Flächen mit tangential festen, axial verschieblichen Leisten (25) in Eingriff stehen.

7. Schlagschere nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

daß die axial festen, tangential verschieblichen Leisten (23) auf der den schrägen Flächen gegenüberliegenden Seite die muffenseiti gen Rastelemente (22) tragen, während die dornseitigen Rastelemente (2o) mit der Torsionshülse (16) verbunden sind.

8. Schlagschere nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

daß die Leisten (23, 25) und die Rastelemente (2o, 22) paarweise gegenüberstehend angeordnet sind.

9. Schlagschere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Rastvorrichtung entriegelbare Axial kraft durch den Grad der Verdrehung der Torsionshülse (16) sowie durch die Flankensteilheit der dorn- und muffensei tigen Rastelemente (2o, 22) bestimmt ist.

10. Schlagschere nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein konstantes Verhältnis zwischen einer die Rastvorrichtung entriegelbaren Druckkraft gegenüber einer Zugkraft durch Auslegung der Flankensteilheit der bei Druck- bzw. Zugbeanspruchung berührenden Rastelemente entsprechend diesem Verhältnis ausführbar ist.

11. Schlagschere nach Anspruch lo, dadurch gekennzeichnet, daß die die Rastvorrichtung entriegelbaren Axialkräfte entsprechend ihrem durch die Auslegung der Flankensteilheit gegebenen Verhältnis durch den Grad der Verdrehung der Torsionshülse (16) gemeinsam einstellbar sind.

12. Schlagschere nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die axial verschieblichen Leisten (25) einen Gewindeabschnitt (27) aufweisen, in den eine axial fixierte Einstellmutter (28) eingreift.

13. Schlagschere nach Anspruch 12₉ dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellmutter(28)mit einem Kegelzahnkranz(29) ausgestattet ist, in den ein von außen betätigbares Kegelritzel(3o)eingreift.

14. Schlagschere nach Anspruch 3₉ dadurch gekennzeichnet,

daß die axiale Länge der gesonderten Nut-Keil-Verzahnung (15) kurzer ist als der maximale Verschiebeweg zwischen Dorn(l) und Muffe(2) und daß die Flanken der Verzahnung Einlaufschrägen (31) aufweisen.

15. Schlagschere nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Rastvorrichtung (5) und die

Nut-Keil-Verzahnungen (13, 15) in einem ölgefüllten von einem Spülungsraum durch Dichtungen (17, 18) getrennten Raum befinden und daß auf dem Dorn (1) unterhalb der ersten Nut-Keil-Verzahnung (13) eine Außenhülse (19) mit gleichem Durchmesser wie zwischen der oberen Dichtung(l7)und dem Dorn(l)angeordnet ist zum Hindurchdrucken der öl füllung durch den Nut-Keil-Bereich (13) bei Längsverschiebung von Dorn(l)und Muffe (.2).