DE3152495T1 - Bohrlochruettler - Google Patents

Description

O I Ü L <4 Ό ϋ

GLAWE, DELFS, MOLL & PARTNER Dailey Oil Tools, Inc.

Houston, Texas, Ver.St.ν.Amerika

-SL-

PATENTANWÄLTE

EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

RICHARD GLAWE	KLAUS DELFS
DR-ING	DIPL-ING.
	ULRICH MENGDEHL
WALTER MOLL	DIPL-CHEM. DR. RER. NAT.
DIPL-PHYS DR. RER. NAT.	HEINRICH NIEBUHR
OFF. BEST DOLMETSCHER	DIPL-PHYS. DR. PHIL HABIL
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MÜNCHEN
A 58

Schlageinsatz für Bohrlochgestänge

Be Schreibung

Hintergrund der Erfindung Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft das Bohren von Bohrlöchern in die Erde und insbesondere ein Bohrwerkzeug oder einen Schlageinsatz, der in den Bohrlochstrang geschaltet ist, um auf diesen wahlweise Stöße auszuüben.

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Beschreibung des Standes der Technik

Zur Erzeugung von Bohrlöchern in die Erde bei der Gewinnung von Erdöl und Erdgas wird Drehbohren sei Anfang des Jahrhunderts verwendet und die vielen Vorteile eines derartigen Bohrvorganges werden allgemein geschätzt. Für diesen Zweck wird ein Bohrlochstrang verwendet, der üblicherweise einen Bohreinsatz, Bohrkrägen, Bohrstabilisatoren und zahlreiche Längen von Bohrgestänge aufweist und an einer Mitnehmerstange am Bohrturm, der auf die Erdoberfläche über dem Bohrloch angeordnet ist, befestigt ist. Die Mitnehmerstange ist ein unrundes, langes Teil aus hochfestem Stahl, welches durch einen Antriebstisch an einem Bohrturmboden paßt und an das obere Ende des Bohrstrangs angeschlossen ist. Der Antriebstisch dreht den Bohrstrang über die Mitnehmerstange und durch diese Bauteile wird das Bohren des Bohrlochs bewerkstelligt. Ein Längsdurchgang axial durch den Bohrstrang ermöglicht die Zirkulation der Bohrflüssigkeit, allgemein als "Schlamm" bezeichnet. Der Schlamm läuft im Bohrstrang nach unten durch den Bohreinsatz und dann nach oben in den umgebenden Ringspalt, um den Schneidabfall aus dem Bohrloch zur Erdoberfläche zu transportieren. Beispielsweise erfordert ein Bohrloch von ungefähr 20,3 cm die Verwendung eines Bohreinsatzes von 21,8 cm, mehrerer Schwerstangen und Stabilisatoren mit 20,3 cm Durchmesser, die mit

der Mitnehmerstange über ein geeignetes Bohrgestänge mit beispielsweise 11,43 cm Durchmesser verbunden sind. Bei einer mittleren Bohrtiefe von 5000 m liegt das Gewicht des Bohrstranges, obwohl es teilweise von der Bohrflüssigkeit getragen wird, bei ungefähr 100 t. Die Bohrflüssigkeit läuft durch den Bohrstrang mit Drücken, die 175

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kp/cm erreichen können, aber üblicherweise im Bereich von 85 kp/cm liegen, falls während dem Bohren des Bohrloches keine ernsthaften Probleme beim Eindringen in schwierige Bohrschichten auftreten. Der Antriebstisch muß ein großes Drehmoment ausüben, um den Bohrstrang mit den üblichen Geschwindigkeiten, die zwischen 35 und 60 u/Min. liegen, zu drehen. Obwohl die Bauteile des Bohrstranges an der Erdoberfläche massiv und von großer Festigkeit erscheinen, ist der Bohrstrang in einem derartig tiefen Bohrloch in Wirklichkeit ein sehr flexibles und relativ leicht zu beschädigendes Bohrwerkzeug. Beispielsweise kann der Antriebstisch an eine Leistungsquelle in der Größenordnung von 2000 kW angeschlossen sein. Diese Antriebsmaschine kann auf den Antriebstisch Drehmomente im Bereich über 10 000 mkp ausüben, um den Bohrstrang zu drehen.

Unter diesen Bedingungen wird während dem Bohren des Bohrlochs der Bohrstrang selbst in einem nur leicht gekrümmten Bohrloch bei jeder Umdrehung seitlich stark ver-

bogen. Dieses wiederholte Biegen kann selbst bei einem Bohrgestänge aus Stahl häufig zu Beschädigung führen.

Beispielsweise kann der Bohreinsatz von einer gewünschten Vertikalachse abweichen, und ein "krummes" Loch bohren. In solchen Fällen können sich die Schwerstangen und anderen benachbarten Bohrstrangbauteile in derartigen krummen Bohrlöchern verklemmen. Wenn unter diesen seitlichen Biegezuständen auf den Bohrstrang ein extremes Drehmoment ausgeübt wird, können die Verbindungjen^ aus. Bolzen und Muffe, die die Bohrstrangteile miteinander verbinden, oder sogar das Bohrgestänge selbst in zwei Teile zerrissen werden. Daher ist das Ausüben eines extremen Drehmoments zum Befreien des Seilbohrstrangs, wenn dieser sich in einem Bohrloch festgesetzt hat, zu vermeiden.

Beim Bohren von Bohrlöchern ist es allgemein üblich, am unteren Ende des Bohrstranges, aber oberhalb der Werkzeuge,wie Bohrkrägen, Räumer, Stabilisatoren etc., die einen größeren Durchmesser als den des Bohrgestänges aufweisen, ein Spezialwerkzeug zu verwenden. Dieses Werkzeug ist im Bereich der Ölförderung als Bohrrüttler oder Schlageinsatz bekannt. Der Schlageinsatz ist ein Werkzeug, das in einen verriegelten Zustand gebracht werden kann, und

dann wird das Bohrgestänge entweder mit Zugspannung oder Gewichtslast beaufschlagt. Der Schlageinsatz wird selektiv freigegeben und seine Teile über eine feste Abmessung, die 20 cm betragen kann, teleskopisch ausgezogen, bis Hammer und Amboßteile am Werkzeug miteinander im Eingriff stehen, um dem Bohrstrang einen extrem großen Stoß oder "Rüttler" zu erteilen. Diese Art des Hammervorganges, entweder nach oben oder unten, wird üblicherweise die festgesetzten Teile des Seilbohrstrangs vom Bohrloch lösen.

Ein Schlageinsatz, der weltweit allgemein verwendet wird, wird seit vielen Jahren unter dem Namen "LI-Drehbohr-Rüttler" hergestellt und vertrieben. Aufbau und Funktionsweise dieses Schlageinsatzes sind durch die US-PS 3 208 541 und 3 233 690 bekannt. Dieser mechanische Bohr-Schlägeinsatz kann entweder nach oben oder unten justierbare Schläge auf den Bohrstrang ausüben. Diese Schläge können bei einem Bohrstrang von 10,5 cm Durchmesser ungefähr J>k 550 mkp und bei einem Bohrstrang von 19,6 cm Durchmesser ungefähr 108 000 mkp betragen. Dieser Drehbohr-Schlageinsatz kann für eine lange Zeitdauer, beispielsweise für mehrere Tage, auf den Seilbohrstrang wiederholt Schläge ausüben. Der Bohrschlageinsatz wird üblicherweise bei jedem Bohrstrang als ein Sicherheitselement eingebaut, um teuere, zeitaufwendige und schwierige Fangvorgänge zum

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Entfernen von festgesetzten Teilen eines Bohrstranges im Bohrloch zu vermeiden..

Der vorstehend beschriebene Drehbohr-Schlageinsatz muß in einer Bohrflüssigkeit funktionieren, die Sand, kleine Gesteinstückchen und manchmal auch Metallstücke, die während dem Herstellen des Bohrloches vom Bohrstrang abgebrochen sind, enthält. Alle herkömmlichen Drehbohr-Schlageinsätze verwenden zwei bewegliche Teleskopteile, die aufeinander zu oder voneinander weg laufen, um dabei Jeweils Stöße nach oben oder unten zu erteilen. Der Sperrmechanismus im Schlageinsatz ist üblicherweise in einer abgedichteten und ölgefüllten Kammer aufgenommen. Hieraus folgt, daß die Flüssigkeitsdichtungen ein flüssigkeitsdichtes Gleiten zwischen den beiden Teleskopteilen sicherstellen. Zweckmäßigerweise ist ein Ende des Ringspalts zwischen den Teleskopteilen der den Bohreinsatz im Bohrloch umgebenden Bohrflüssigkeit ausgesetzt. Der Bohrstrang mit dem Schlageinsatz erleidet während dem Bohren des Bohrlochs eine starke seitliche Verbiegung. Die Verbiegung des Schlageinsatzes erzeugt longitudinale und axiale Kraftkomponenten auf die FlUssigkeitsdichtungen, wodurch ein Eindringen von Bohrflüssigkeit in die ölgefüllte Sperrkammer verursacht werden kann.

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Weiterhin erzeugt der von den Hammer- und Amboßflächen des Schlageinsatzes abgegebene Stoß eine sehr wesentliche Schwingung. Diese Schwingung kann eine Zerstörung der Flüssigkeitsdichtungen verursachen und ein unerwünschtes Eindringen der Bohrflüssigkeit in die ölgefüllte Kammer ermöglichen, wobei der Spann- und Freigabemechanismus des Drehbohreinsatzes erschüttert wird. In dem LI-Drehbohr-Rüttler gemäß der US-PS 3 233 690 trägt der äußere Teleskopteil des Laufs einen oder mehrere elastische Ringe. Diese Ringe liegen in der Nähe des offenen Ringspaltendes und wirken als ein Dämpfmechanismus zur Verringerung der seitlichen Verbiegung und Schwingung zwischen den Teleskopteilen des Einsatzes und hieraus folgt, daß diese Ringe, die den Sperrmechanismus enthaltende Kammer abdichtenden Flüssigkeitsdichtungen schützen. Beispielsweise weist in dem oben genannten Patent der Lauf 14 des Schlageinsatzes innen vergrößerte Nuten 52 auf, in denen ringförmige elastische Elemente 54 aus Gummi, Neopren od. dgl. angeordnet sind. Der Innenumfang dieser Ringe liegt an der Spindel 22 des Schlageinsatzes an, um seitlicher Bewegung der Spindel oder des Laufes zu widerstehen, um die diesen Ringen benachbarten Flüssigkeitsdichtungen zu schützen. Zusätzlich ist festzustellen, daß der Ringspalt zwischen den Flüssigkeitsdichtungen oder dem Futterstück 34 und den Ringen 52 vom Bohrloch abgeschieden ist. Hieraus folgt, daß eine Teleskopbewegung

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zwischen Lauf und Spindel des Bohrschlageinsatzes das Flüssigkeitsvoluraen im Ringspalt stark verändert, was die Dichtungen oder Ringe zerstören würde, so daß Öffnungen 58 vorgesehen sind, um eine Flüssigkeitsverbindung zwischen dem Ringspalt und dem umgebenden Bohrloch zu schaffen.

Bei den meisten Drehbohrvorgängen ist die Bohrflüssigkeit ein Bohrschlamm mit thixotropisehen Eigenschaften. Diese Eigenschaften ermöglichen, daß der Bohrschlamm mittel§ ein^fr Pumpe frei durch das Bohrloch bewegt wird. Das Wegnehmen der Pumpkraft erlaubt jedoch, daß der Schlamm einen Ruhezustand erreicht, in dem seine Eigenschaften einen gelartigen, nichtnewtonschen Fluidzustand erzeugen. Somit ist zu ersehen, daß der Ringspalt zwischen den Dichtungen und Ringen im genannten Bohr-Schlageinsatz mit einer Bohrflüssigkeit gefüllt ist, die keiner Zirkulationsströmung ausgesetzt ist. Somit befindet sich der Bohrschlamm im Ring-

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spalt des Bohrschlageinsatzes im einem Gelzustand. Das Auseinanderziehen von Spindel und Lauf des Schlageinsatzes während der Stoßabgabe erfolgt relativ plötzlich. Für den Übergang des Bohrschlammes vom Gelzustand in seinen

das

newtonschen Fluidzustand und I Strömen zwischen dem Ringspalt und dem Bohrloch ist jedoch eine begrenzte Zeit erforderlich. Daher kann unter gewissen Schlagbedingungen ein starker Kolbeneffekt auftreten, wenn der Bohrschlamm nicht durch die vorstehend erwähnten öffnungen 58 mit ausreichender Geschwindigkeit fließen kann, um das schnell wechselnde Volumen des Ringspaltes zwischen den Dichtungen und dem Ring zu kompensieren. Daher kann der Bohrschlamm infolge seines nicht zusammendrückbaren Volumens entweder die Flüssigkeitsdichtungen oder den Ring beschädigen, um die seitliche Bewegung oder Vibration zwischen der Spindel und dem Lauf des Bohr-Schlageinsatzes zu dämpfen. Dieses Problem des schnell veränderlichen Ringspaltvolumens tritt sowohl bei mechanischen Schlageinsätzen als auch bei anderen Schlageinsätzen auf, beispielsweise bei solchen die einen hydraulischen Mechanismus für die Kipp- und Freigabefunktionen verwenden.

; Ein anderes Problem besteht bezüglich den Ringen, wie beispielsweise den Ringen 52 gemäß der US-PS 3 233 690, die zum Dämpfen von seitlichen Bewegungen oder Schwingungen

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vorgesehen sind, welche zwischen den inneren und äußeren Elementen auftreten, wenn der Schlageinsatz seine Schlagfunktion ausübt. Beim Schlag werden große Energiemengen auf diese Elemente ausgeübt, die die seitlichen und längsgerichteten Bewegungen oder Schwingungen, beide mit harmonischen und nicht harmonischen Veränderungen, erzeugen. Die Dämpfungsringe 52 des in der erwähnten Patentschrift gezeigten Schlageinsatzes haben bezüglich des Schutzes der Flüssigkeitsdichtungen im Schlageinsatz eine bemerkenswerte Lebensdauer ergeben. Unglücklicherweise konnten auch dies© Dämpfungsringe nicht verhindern, daß in ungleichmäßigen Zeitabständen zerstörerische Wirkungen von diesen induzierten Schwingungen auf die Flüssigkeitsdichtungen ausgeübt wurden. Eine Erklärung für diesen bedenklichen Effekt ist, daß die in den äußeren und inneren Teleskopgliedern des Schlageinsatzes induzierten Schwingungen nicht auf Querverschiebung begrenzt sind, sondern sowohl Längs- als auch Kreisverschiebungen und alle aus ihrer Kombination sich ergebenden Variationen enthalten. Die Schwingungen sind insbesondere dann stark, wenn berücksichtigt wird, daß das innere und äußere Glied des Schlageinsatzes sich in vielen Fällen während der Ausübung der gewünschten Schlagkräfte auf den Seilbohrstrang auch relativ zueinander drehen. Daher können Dämpfungsringe, wie in der Vergangenheit verwendet, immer dann zum Versagen kommen, wenn auf die inneren und äußeren Glieder des Schlageinsatzes eine Kombina-

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tion aus axialen und kreisförmig wirkenden Schwingungen mit großer Amplitude wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Bohrwerkzeug in Form eines Schlageinsatzes für ein Bohrlochgestänge mit neuartig federnden Dämpfern zwischen den Teleskopgliedern des Schlageinsatzes zu schaffen, wobei die Dämpfer so angeordnet sind, daß sie das Problem der durch Längsausbiegung und Schwingung verursachten Beschädigung in den Dämpfern oder in den zugehörigen Flüssigkeitsdichtungen verringern und zusätzlich Flüssigkeitsdurchgänge schaffen, die das leichte Fließen der Bohrflüssigkeit zwischen dem Bohrloch und dem Ringspalt zwischen den Dämpfern und Flüssigkeitsdichtungen erlauben, und auch bei anderen Bohrwerkzeugen mit Teleskopgliedern verwendet werden können.

inhalt der Erfindung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Schlageinsatz für Bohrlochgestänge in Form eines langgestreckten Körpers mit einem axialen Durchlaßkanal für das Strömen der Flüssigkeit. Der Körper hat Gewindeanschlüsse für die einfache Montage in einen Strang eines Bohrgestänges. Der Körper hat eine rohrförmige Spindel, die verschiebbar in einem rohrförmigen Lauf angeordnet ist, wobei ein Ringspalt zwischen Spindel und Lauf für die Bohrflüssigkeit vorgesehen ist. Flüssigkeitsdichtungen sind am einen Ende

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des Ringspaltes vorgesehen und schaffen eine von der Flüssigkeit im Bohrloch isolierte Kammer. Der Mechanismus zum Arretieren und Freigeben der Spindel und des Laufes ist in der Kammer enthalten. Der Arretiermechanismus wird wahlweise freigegeben, um zwischen Hammer- und Amboßflächen auf der Spindel und dem Lauf einen Schlag zu erzeugen. Erfindungsgemäß umfaßt der Schlageinsatz eine Anzahl von langgestreckten, elastischen Vibrationsdämpfern, die von der Spindel getragen werden und in Längsrichtung im Ringspalt zwischen Spindel und Lauf ausgerichtet sind. Diese Dämpfer liegen in Längsrichtung im Abstand zu den Flüssigkeitsdichtungen an ein§r Stelle, an der sie während der teleskopischen Bewegung des Laufes längs der Spindel am Lauf anliegen. Die Dämpfer sind in Winkelabständen um die Spindel herum angeordnet, wobei die Zwischenräume Flüssigkeitskanäle im Ringspalt bilden, um die Bohrflüssigkeit aufzunehmen, die dann fließt, wenn Spindel und Lauf mit dem Strang des Bohrgestänges im Bohrloch gedreht werden.

Beschreibung der Figuren

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Figuren im einzelnen beschrieben. Es zeigt:

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Fig. 1A und 1B eine Seitenansicht eines Drehbohr-Schlageinsatzes gemäß der vorliegenden Erfindung, bei dem zur Erläuterung der inneren Funktionsteile Teile im Schnitt dargestellt sind;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch den oberen Teil des Schlageinsatzes gemäß Fig. 1A mit der Spindel und dem Lauf in der gespannten Position, so daß der Schlageinsatz einen Schlag nach oben oder unten erzeugen kann;

Fig. 3 einen Schnitt gemäß Fig. 2 zur Darstellung des Schlageinsatzes nach der Erteilung eines Stoßes nach unten;

Fig. 4 einen Schnitt gemäß Fig. 2 zur Darstellung des Schlageinsatzes nach der Erteilung eines Stoßes nach oben;

Fig. 5 einen Schnitt entlang der Schnittlinie 5-5 gemäß Fig. 2; und

Fig. 6 eine aussichtsreiche Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des Dämpfers, der in dem Schlageinsatz gemäß der vorstehenden Figuren verwendet wird.

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In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

Beschreibung von Ausführungsformen

In den Figuren ist ein Drehbohr-Schlageinsatz gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt, und dieser Schlageinsatz ist allgemein als mechanischer Rüttler bekannt. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch bei anderen Schlageinsatz-Typen mit hydraulischen oder anderen Elementen zum Spanien vgid Freigeben des Schlageinsatzes Z/ur Erzeugung des gewünschten Schlages auf den Seilbohrsträng verwendet werden. Genauer gesagt ist der in den Figuren dargestellte Schlageinsatz auf dem Markt als "LI"-Drehbohr-Rüttler erhältlich. Dieser Schlageinsatz ist in den US-PS 3 208 541 und 3 233 690 beschrieben. Zum Zweck der Beschreibung wird auf diese Patente in der folgenden Beschreibung Bezug genommen.

Im einzelnen ist in den Fig. 1 und 2 ein mechanisch drehender Bohr-Schlageinsatz 11 dargestellt, der an seinem unteren Ende einen Bolzen 12 und an seinem oberen Ende eine Gewindemuffe 13 zum Einschrauben in den Strang eines Bohrgestänges aufweist. Der Schlageinsatz 11 besteht aus einem langgestreckten Körper 14, der aus einer rohrförmigen Spin-

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del 16 gebildet ist, die in einem rohrartigen Lauf 17 teleskopartig ausgezogen werden kann. Zwischen der Spindel 16 und dem Lauf 17 ist ein Ringspalt 18 mit offenen Enden ausgebildet. Eine erste Flüssigkeitsdichtung oder Futterstück 19 wirkt mit einer zweiten Flüssigkeitsdichtung oder Futterstück 21 zusammen, um eine Kammer 22 zu bilden, die von der Bohrflüssigkeit isoliert ist. Die Kammer 22 ist üblicherweise mit sauberem Öl gefüllt, um ein genaues Funktionieren des im Schlageinsatz 11 angeordneten Spann- und Freigabemechanismus sicherzustellen.

Das Futterstück 19 kann durch einen Dichtring 23 in einer Absatzaussparung im Lauf 17 ausgebildet sein, um ein federndes Dichtmaterial 24 zu enthalten, welches durch einen Folger 26 in einen flUssigkeitsdichten Zustand gepreßt wird. Der Folger ist durch eine Wendelfeder 27 vorgespannt, die an einöi* Schulter 28 am Lauf 17 anliegt. Die Dichtung 21 besteht ähnlich aus einem Ring 29, der gegen eine Schulter 31 am Lauf 17 gedrückt wird. Ein federndes Dichtmaterial 32 wird durch einen Nachfolger 33 in einen flüssigkeitsdichten Zustand gegen den Ring 29 gepreßt. Eine Feder 34 drückt den Nachfolger gegen das Dichtmaterial. Die Feder 34 wird durch eine Schulter (nicht dargestellt) an der Innenfläche des Laufes 17 zusammengedrückt. Die Dichtung 19 und 21 wirken als Flüssigkeitsdichtungen mit der teleskopartig verschieb-

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den
baren Spindel und LaufI zusammen, um die Kammer 22 von der Bohrflüssigkeit zu isolieren, die den Schlageinsatz 11 umgibt, wenn dieser in einem Bohrloch in der Arbeitsposition ist. Vorzugsweise hat die Spindel innerhalb der Dichtungen 19 und 21 einen gleichen Durchmesser.

Der Schlageinsatz 11 ist mit Spann- und Freigabe-Mechanismen versehen, so daß er, wie von der Bedienungsperson gewünscht, sowohl für einen Schlag nach oben oder unten betätigt werden kann. Zu diesem Zweck trägt die Spinal 1§ einen vergrößerten Teil oder Hammer J5$, der mit einer vorstehenden Fläche oder einem Amboß 37 am Lauf 17 in Schlagkontakt bewegt werden kann. Mit dieser Anordnung kann der Schlageinsatz, wenn er arretiert ist, mit einer nach oben gerichteten Kraft belastet werden, indem der Bohrstrang mit Zugspannung beaufschlagt wird. Dann, wird

sich die Spindel freigegeben und der Hammer 36 bewegt/auf den Amboß 37 zu, um auf den Seilbohrstrang, in dem der Schlageinsatz 11 eingesetzt ist, einen Schlag nach oben auszuüben. Auf ähnliche Art ist der Schlageinsatz 11 für die Erteilung eines Schlages nach unten angeordnet. Zu diesem Zweck trägt die Spindel 16 eine Schulter 38, die einen Hammer 39 bildet, welcher auf eine einen Amboß 42 bildende Schulter 41 am Lauf 11 aufschlagen kann. Zu diesem Zweck wird der Schlageinsatz gespannt und dann wird der Seilbohrstrang abgesenkt, um das gewünschte Gewicht auf den Schlag-

einsatz 11 zu erzeugen. Der Spannmechanismus wird freigegeben und der Hammer 39 bewegt sich gegen den Amboß 42 und erteilt dabei dem zwischengeashalteten Seilbohrstrang einen Schlag nach unten.

Zur Schaffung des Spann- und Freigabe-Mechanismus für den Schlageinsatz 11 kann irgendein Mechanismus verwendet werden. Die bevorzugte Form des Spann- und Freigabemechanismus ist eine Anordnung bestehend aus Antriebsrollen 46, und 48, die in der Seitenwand 49 des Laufes 17 aufgenommen sind. Die Antriebsrollen wirken mit Nuten 51 an der Spindel 16 zusammen, um eine drehende Antriebsbewegung zwischen den Bolzen- und Muffenverbindungen des Schlageinsatzes 11 zu übertragen. Zusätzlich sind in den Nuten 51 Schlagzapfen 52, 53 und 54 eingesetzt, die von der Spindel 16 getragen werden. Die Antriebsrollen wirken immer dann mit den Schlagzapfen zusammen, wenn die Spindel 16 relativ zum Körper gedreht wird, wenn der Schlageinsatz 11 im arretierten oder gespannten Zustand ist. Beim Eingriff d^r Antriebsrollen mit den Schlagzapfen kann zwischen der Spindel 16 und dem Körper 17 eine Längskraft (nach oben oder unten) ausgeübt werden. Bei Anlegen einer ausreichend großen Längskraft an diese Elemente des Schlageinsatzes 17 rollen die Antrie" rollen von den Schlagschlitzen weg und gleiten nach oben oder unten innerhalb der Nuten 51. Wenn der Schlageinsatz

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im freigegebenen Zustand ist, tritt die teleskopartige Bewegung der Spindel 16 zum Körper 17 so lange auf, bis die Hammer- und Amboßflächen einander berühren, um auf den Seilbohrstrang den Schlag auszuüben. Der Schlageinsatz 11 kann durch Aufschlagen des Hammers 36 auf dem Amboß 37 einen Schlag nach oben oder durch Aufschlagen des Hammers 39 auf den Amboß 42 einen Schlag nach unten erzeugen. Es ist offensichtlich, daß die Freigabe der Antriebsrollen aus den Schlagschlitzen eine Drehbewegung

zwischen der teleskopartig sich verschiebenden Spindel dem

und) kauf 17 erzeugt. Somit sind die Schwingung oder seitliche Verschiebung erzeugenden Kräfte durch nahezu gleichzeitig wirkende Längs- und Drehbewegung der Spindel relativ zum Lauf zusammengesetzt.

Durch die Verwendung einer Federanordnung 56 ist die Freigabe des gespannten Schlageinsatzes justierbar. Zu diesem Zweck sind Drehmomentfedern 57 und 58 an einem Ende der Seitenwand 49 des Laufes 17 befestigt. Beispielsweise sind die Federn durch eine Stangenanordnung 58 zusammengefaßt, welche durch einen Gewindeanker 59, der von der Seitenwand 49 aufgenommen ist, befestigt ist. Das andere Ende der Federn ist in einer in einer Nut 51 gleitenden Rolle aufgenommen. Hieraus folgt, daß ein Drehen der Spindel 16 relativ zum Körper 17 die Längskraft justiert, die

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zum Freigeben der Antriebsrollen aus den Schlagzapfen erforderlich ist. Diese Freigabekraft kann innerhalb gewisser vorbestimmter Grenzen, die durch die Stärke der Federn 56 und 57 festgelegt ist, verändert werden. Das Drehen der Spindel 16 in eine Richtung relativ zum Körper bewirkt, daß die Federn mit größerer Feder angeordnet sind, um die Antriebsrollen innerhalb der Schlagzapfen zu halten und daher ein Ansteigen der Längskraft, die zum Trennen dieser beiden Sperrelemente erforderlich ist. Alternativ verringert das Drehen der Spindel 16 in die entgegengesetzte Richtung relativ zum Körper 17 die Längskraft zum Rollen der Antriebsrollen von den Schlagzapfen und Freigeben des Schlageinsatzes zum Erzeugen eines Schlages.

Yl 5 Der Schlageinsatz 11 wird montiert, indem der Körper 14 tilit mehreren zylindrischen und iüiteihärider verschraubten Teilen versehen wird. Beispielsweise besteht der Körper 14 aus dem Lauf 17» der durch einen oberen Teil 63 gebildet ist, welcher mit einer mittleren Hülse 64 durch einen Schraubanschluß 66 verschraubt ist. Die Hülse 64 ist mit einem unteren Teil 67 durch einen Schraubanschluß 68

Die
verschraubt./Schraubanschlüsse 66 und 68 ermöglichen eine einfache Montage und Demontage der zahlreichen Teile des Körpers 14 des Schlageinsatzes 11, wie dies für die Herstellung oder zu Wartungszwecken gewünscht ist.

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Der Lauf 17 wirkt mit der Spindel 16 zusammen, um den Ringspalt 18 zu bilden, der sich von der Schulter 41 bis zur Dichtung 19 erstreckt. In der Seitenwand 49 sind eine oder mehrere Schlamm-Durchgangsöffnungen 69 vorgesehen. Die neuartige Konstruktion der Dämpfer ermöglicht ein freies Zirkulieren des Schlammes durch den Ringspalt 18 und das Bohrloch. Somit verbleibt der Schlamm in dem Ringspalt 18 in seinem newtonschen Zustand anstatt in seinem Gelzustand. Die Außenfläche 71 der Spindel 16 ist an einem Teil der Spindel, der als polierter ßtößel bekannt ist, als eine pQlierte Oberfläche ausgebildet. Die Dichtung 19 gleitet leicht flüssig abdichtend entlang dieser polierten Fläche 71. Der untere Teil der Spindel hat, wie aus der Fig. 1B ersichtlich, ebenfalls eine polierte Fläche 72. Die Dichtung 21 gleitet leicht flüssig dichtend entlang der Fläche 72. Die Fläche 72 befindet sich an einem Teil der Spindel, der als Abflußgestänge bekannt ist. Zusätzlich ist die innere zylindrische Fläche 73 am Lauf 17 ebenfalls eine polierte Fläche. Bezugnehmend auf die Fig. 2, 3 und 4 werden die Dämpfer gemäß der vorliegenden Erfindung in einzelnen beschrieben. Die Dämpfer werden von der Spindel 16 getragen und befinden sich in Gleiteingriff mit der Fläche 73 auf dem Lauf 17, um den seitlichen Bewegungen, die durch das Verbiegen des Schlageinsatzes beim Drehen des Bohrstranges

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im Bohrloch verursacht werden, und auch den starken Vibrationen zu widerstehen, wenn der Schlageinsatz 11 dem Seilbohrstrang Schläge erteilt. Diese Dämpfer ermöglichen auch das leichte Fließen der Bohrflüssigkeit durch den Ringspalt 18.

Wie aus der Fig. 5 ersichtlich, ist die Spindel 16 an ihrer Außenfläche 71 mit mehreren Aussparungen versehen, in denen die Dämpfer gemäß der vorliegenden Erfindung befestigt sind. Beispielsweise ist die Aussparung 76 eine Nut mit flachem Boden, die zur Längsachse des Schlageinsatzes 11 fluchtet. Die Nut hat senkrechte Enden, um die Dämpfer 77 gegen Längsverschiebung zu sichern. Genauer gesagt ist die Nut 76 in der Oberfläche 71 der Spindel 16 mit einer Länge ausgebildet, die zur Aufnahme des Dämpfers 7? ziir bündigen Befestigung der Enden zwischen den Schultern 78 und 79 ausreicht. Der Dämpfer hat eine gekrümmte Fläche 81, die mit Übermaß mit der Fläche 73 des Laufes 17 im Eingriff steht, um die Bewegungen oder Schwingungen zwischen dem Lauf und der Spindel zu dämpfen. Die Dämpfwirkung der Dämpfer 77 ist ausreichend groß, um zu verhindern, daß die Spindel 16 insbesondere während einer Teleskopbewegung zwischen Spindel 16 und Lauf 17 seitlich verschoben wird oder so stark schwingt, daß die Dichtung 19 in ihrer Dichtfunktion beeinträchtigt ist.

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Der Dämpfer 77 ist vorzugsweise lösbar in der Nut 76 befestigt, so daß er leicht eingebaut oder ausgetauscht werden kann, falls dies während der Betriebsdauer des Schlageinsatzes 11 erforderlich ist. Zu diesem Zweck ist

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der Dämpfer 77 einstück» an einer dünnen Metallmontageplatte 82, beispielsweise durch Kleben befestigt. Beispielsweise können wärmehärtbare Klebstoffe den Dämpfer an der Montageplatte 82 befestigen. Der Dämpfer 77 ist an der Spindel 16 durch irgendeine geeignete Einrichtung lösba:r be festigt. Vorzugsweise ist er an cjer Spindel durch Schrauben befestigt. Zu diesem Zweck sind die Dämpfer 77, wie aus der Fig. 6 ersichtlich, mit mehreren Durchgangsbohrungen 83 versehen, die sich mit verringertem Durchmesser durch die Platte 82 erstrecken. In diesen Bohrungen werden mit Gewinde versehene Befestigungselemente, wie beispielsweise Schrauben 84 aufgenommen, die in Gewindebohrungen in der Spindel 16 aufgenommen werden.

Im einzelnen sind die Dämpfer 77 aus einem federnden Material hergestellt, welches den physikalischen und chemisehen Bedingungen im Schlageinsatz in einem Bohrstrang widerstehen kann und für das Dämpfen der Bewegungen und Schwingungen zwischen der Spindel 16 und dem Lauf 17 ge·' eignet ist. Zu diesem Zweck ist der Dämpfer 77 vorzugsweise mit einem Körper 86 aus einem federnden Material, wie beispielsweise einem synthetischen Polymer oder Gummi-

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material aufgebaut. Beispielsweise wurden gute Ergebnisse bei der Verwendung von Nitrit-Buna-A-Kunstgummi mit einer Härte von ungefähr 80 Shore-A-Härtegrad erzielt* Andere federnde Materialien, die die efforderliehe Dämpffunktion erfüllen können, können, falls gewünscht, als Dämpfer 77 verwendet werden.

Obwohl nur ein Dämpfer 77 beschrieben worden ist, ist ersichtlich, daß mehrere Dämpfer verwendet werden und diese in Winkelabständen um die Spindel 16 angeordnet sind.

Beispielsweise ist, wie aus der Fig. 5 ersichtlich, der Dämpfer 77 mit den Dämpfern 87 bis 93 mit gleichen Winkelabständen um die Spindel 16 herum angeordnet. Vorzugsweise bildet der Abstand zwischen benachbarten Dämpfern einen Strömungskanal dessen Querschnitt im wesentlichen gleich dein Querschnitt des Dämpfers im Ringspalt 18 ist. Mit dieser Anordnung wird zwischen den Dämpfgii-n ein Durchgang in Längsrichtung für unbegrenztes Strömen der Bohrflüssigkeit durch den Ringspalt 18 geschaffen.

Wie am besten aus den Fig. 2 bis 4 ersichtlich, sind die Dämpfer an der Spindel 16 im Abstand zur Dichtung 19 mit solchen Abmessungen angeordnet, daß sie mit dem Lauf 17 über dessen Teleskopbewegung relativ zur Spindel 16 im Eingriff stehen. Beispielsweise ist der Schlageinsatz 11 in der Fig. 2 in einer gespannten Position dargestellt,

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bei der die Antriebsrollen mit den Schlagschlitzen im Eingriff sind. Fig. 3 zeigt die Teleskopbewegung des Laufes relativ zur Spindel, wobei vom Schlageinsatz 11 ein Schlag nach unten auf den Seilbohrstrang ausgeübt worden ist. Bei dem in der Fig. 4 dargestellten Schlageinsatz 11 sind Spindel und Lauf teleskopartig verschoben, um auf den Seilbohrstrang einen Schlag nach oben auszuüben. Durch die in den Fig. 2 bis 4 gezeigten Funktionen des Schlageinsatzes 11 stehen die Dämpfer 77 gleitend mit der Oberfläche 73 des Laufes 17 im Eingriff, wenri die,gier sich axial zur Spindel 16 relativ bewegt. Wegen der Längs- und Drehkräfte, die zwischen der Spindel und dem Lauf des Schlageinsatzes 11 während der Drehbewegung des Seilbohrstranges dem Ausüben des Schlages bestehen, ist die Verschiebung dieser Elemente relativ zueinander eine zusammengesetzte Bewegung, die sowohl Längs- als auch Winkelbewegungen umfaßt. Da die Dämpfer langgestreckt und relativ im gleichen Winkelabstand um die Spindel angeordnet sind, können sie sowohl Bewegungen in Längsrichtung als auch in Umfangsrichtung zwischen der Spindel und dem Lauf dämpfen, ohne daß der Schlammstrom durch den Ringspalt 18 behindert wird.

Um eine gute Dämpfung der Bewegungen zwischen dem Lauf und der Spindel des Schlageinsatzes 11 zu erzielen, sollte eine ausreichende Anzahl von Dämpfern verwendet werden.

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Üblicherweise werden vier bis zehn im gleichen Abstand zueinander liegende Dämpfer verwendet, wobei der Querschnitt des Dämpfers im Ringspalt 18 im wesentlichen gleich dem Querschnitt des zwischen\benachbarten Dämpfern liegenden Raumes ist.

Mit der beschriebenen Anordnung der Dämpfer kann der Schlageinsatz 11 für eine lange Zeitdauer funktionieren, ohne daß er eine Zerstörung durch den hydraulischen Kolbeneffekt des Schlammes im Ringspalt 18 oder die Zerstörung der Dichtung 19 insbesondere durch seitliche Bewegungen zwischen der Spindel und dem Lauf erleidet.

Es ist ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung, daß die Dämpfer 77 leicht eingebaut und von der Spindel 16 durch einfaches Lösen der Bauteile des Schlageinsatzes durch die Gewindeanschlüsse 66 und 68 entfernt werden können. Bei Auswechseln der Dämpfer kann der Schlageinsatz leicht für den nachfolgenden Betrieb im Bohrloch wieder zusammengebaut werden.

Aus dem vorstehenden ist zu ersehen, daß ein verbesserter Drehbohr-Schlageinsatz mit verlängerter Lebensdauer für einen Seilbohrstrang geschaffen worden ist, der zur

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Erzeugung eines Bohrloches in der Erde rotiert und während seines Betriebes dem Bohrstrang Stöße erteilt. Dieser Drehbohr-Schlageinsatz ist mit neuen federnden Dämpfern versehen, die lange halten und leicht auszuwechseln sind. f. Die Dämpfer dämpfen wirksam die Bewegungen und Vibrationen, die von den Längs- und Winkelkräften herrühren, die während dem normalen Bohren und während der Betätigung des Schlageinsatzes zur Erteilung von Stößen auf den Bohrstrang er·^ zeugt werden. Anzumerken ist, daß gewisse Veränderungen | der vorliegenden Erfindung innerhalb des Schutzumfanges *· der vorliegenden Erfindung denkbar sind. Die vorstehende Beschreibung zeigt lediglich Ausführungsbeispiele, die keine Beschränkung der vorliegenden Erfindung darstellen.

Claims (17)

GLAWE, DELFS, MOLL & PARTNER -Sit- PATENTANWÄLTE EUROPEAN PATENT ATTORNEYS Dailey Oil Tools, Inc. Houston, Texas, Ver.St.ν.Amerika RICHARD GLAWEKLAUS DELFSOR-ING.DIPL-ING.ULRICHMENGDEHLWALTER MOLLDIPL-CHEM. DR. RER. NAT.DIPL.-PHYS. DR. RER. NAT.HEINRICH NIEBUHROFF. BEST. DOLMETSCHERDIPL.-PHYS. DR. PHIL. HABIL8000 MÜNCHEN 26. 2000 HAMBURG 13POSTFACH 162POSTFACH 25 70LIEBHERRSTR. 20ROTHENBAUM-TEL. (089)22 6548CHAUSSEE 58TELEX 5 22 505 SPEZTEL. (040)410 2008TELECOPIER (O 89) 22 39 38TELEX 212 921 SPEZMÜNCHENA 58 Schlageinsatz für Bohrlochgestänge Patentansprüche

1. Schlageinsatz für Bohrlochgestänge zar Verwendung in einem mit Bohrflüssigkeit gefüllten Bohrloch in Form eines langgestreckten Körpers mit axialem Durchlaßkanal für die Flüssigkeitsströmung, mit Gewindeanschlüssen an beiden Enden des Körpers zum Einbau in einen Strang eines Bohrgestänges, bestehend aus einer rohrförmigen Spindel, die verschiebbar in einem rohrförmigen Lauf angeordnet ist, wobei der Ringspalt zwischen beiden für die Bohrloch-

flüssigkeit zugänglich ist, Flüssigkeitsdiehtungen an einem Ende des Ringspaltes, die eine von der Bohrlochflüssigkeit isolierte Kammer bilden, in der eine Arretierung vorgesehen ist, um die Spindel und den Lauf festzulegen bis eine wahlweise Freigabe zur Ausübung eines Schlages zwischen Hammer- und Amboßflächen an der Spindel und dem Lauf erfolgt, gekennze lehnet durch

a) eine Anzahl langgestreckter, elastischer Vibrationsdämpfer (77)» die von der Spindel (16) getragen werden un4 in, Längsrichtung im Ringspalt (18) zwischen Spindel

(16) und Lauf (17) ausgerichtet·sind;

b) die im Längsabstand zur Flüssigkeitsdichtung (19) an einer Stelle angeordnet sind, um an dem Lauf (17) während dessen teleskopischer Bewegung längs der Spindel (16) anzuliegen; und ^{; ;}

c) die in Winkelabständen um die Spindel (16) herum angeordnet sind, wobei die Zwischenräume zwischen den Dämpfern (77) Strömungskanäle in dem Ringspalt (18) bilden, durch die die Bohrlochflüssigkeit fließen kann, wenn Spindel (16) und Lauf (17) mit dem Strang des Bohrlochgestänges im Bohrloch gedreht werden.

2. Schlageinsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Dämpfer (77) zueinander solche Winkelabstände aufweisen, daß sie wenigstens 50 % des Quer-

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Schnitts im Ringspalt (18) zwischen den Dämpfern (77) als Strömungskanäle belassen.

3. Schlageinsatz nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet, daß die Dämpfer (77) in Längsnuten (76) in der Spindel (16) aufgenommen sind.

4. Schlageinsatz nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Dämpfer (77) lösbar in den Nuten (76) befestigt sind.

5. Schlageinsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Dämpfer (77) aus einem Polymergummi mit einer Härte von ungefähr 80 Shore-A-Härtegrad bestehen.

6. Schlageinsatz nach Anspruch 3* dadurch g e ken η ζ el c h η e t , daß jeder Dämpfer (77) einstückig mit einer dünnen Metallmontageplatte (82) verbunden ist, die mittels lösbarer Befestigungselemente in der Nut (76) gehalten ist.

7. Schlageinsatz für Bohrlochgestänge zur Verwendung in einem mit Bohrlochflüssigkeit gefüllten Bohrloch in Form eines langgestreckten Körpers mit einem axialen Durch-

laßkanal für die Flüssigkeitsströmung, mit Gewindeanschlüssen an beiden Enden des Körpers zum Einbau in einen Strang eines im Bohrloch drehenden Bohrgestänges, bestehend aus einer rohrförmigen Spindel, die verschiebbar in einem rohrförmigen Lauf angeordnet ist, wobei der Ringspalt zwischen beiden für die Bohrlochflüssigkeit zugänglich ist, Flüssigkeitsdichtungen an dem Ende des Ringspalts gegenüber dem Ende des Laufs, die eine von der Bohrflüssigkeit im Bohrloch isolierte Kammer bilden, in der eine Arretierung vorgesehen ist, um die Spindel ZUiJi h$\l$ festzulegen, bis eine wahlweise freigäbe zur Ausübung eines Schlages zwischen den Hammer- und Amboßflächen an Spindel und Lauf erfolgt, und in der eine Einrichtung zum Belasten mit Drehmoment vorgesehen ist, um die Arretierung mit einer vorbestimmten Winkelkraft zur Regelung ihrer Freigabe vorzuspannen, wodurch Spindel und Lauf sowohl axial als auch im Winkel relativ zueinander bewegen, um die Schläge auszuüben und auf die Flüssigkeitsdichtungen schädlich wirkende Längs- und Rotationsvibrationen am Spindelende zu erzeugen, gekennzeichnet durch

a) eine Anzahl langgestreckter elastischer Vibrationsdämpfer (77), die von der Spindel (16) getragen werden und in Längsrichtung im Ringspalt (18) zwischen Spindel (16) und Lauf (17) ausgerichtet sind;

b) die im Abstand zu den FlUssigkeitsdichtungen (19) am Lauf (17) während dessen teleskopischer Bewegung längs der Spindel (16) anliegen; und

c) die in Winkelabständen angeordnet sind, um im Ringspalt (18) Strömungskanäle zu bilden.

8. Schlageinsatz nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfer (77) zueinander solche Winkelabstände aufweisen, daß sie wenigstens 50 % des Querschnitts im Ringspalt (18) zwischen den Dämpfern (77) als Strömungskanäle belassen.

9. Schlageinsatz nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Dämpfer (77) in Längsnuten (76) in der Spindel (16) aufgenommen sind.

10. Schlageinsatz nach Anspruch 9» dadurch g e ken nzeichnet , daß die Dämpfer (77) lösbar in den Nuten (76) befestigt sind.

11. Schlageinsatz nach Anspruch 7, dadurch g e -

k e η η ζ e i chne t, daß die Dämpfer (77) aus einem Polymergummi mit einer Härte von ungefähr 80 Shore-A-Härtegrad bestehen.

12. Schlageinsatz nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Dämpfer (7) einstückig mit einer dünnen Metallmontageplatte (82) verbunden ist, die mittels lösbarer Befestigungselemente in der Nut (76) gehalten ist*

13. Elastischer Vibrationsdämpfer, insbesondere für Schlageinsätze für Bohrlochgestänge zur Verwendung in mit Bohrflüssigkeit gefüllten Bohrlöchern, g e k en η ζ ei c h η e t durch

§) e^ne rechteckige Metallplatte (82)j

b) einen rechteckigen Körper (86) aus elastischem Polymergummi, der einstückig mit der Platte (82) verbunden ist;

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c) Befestigungselemente an der Platte (82) zum lösbaren Befestigen in einer Nut (76) in einem Befestigungs-

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teil des Schlageinsatzes; und ^!

d) eine gekrümmte Fläche des Körpers (86) an der Seite des Körpers gegenüber seiner Befestigung an der Platte (82).

14. Dämpfer nach Anspruch 13, dadurch g e k e η η ζ e ic h η e t , daß die Platte (82) und der Körper (86) mit einer oder mehreren Queröffnungen (83) zur Aufnahme von Schraubelementen, wie Schrauben oder Bolzen, versehen sind.

15. Dämpfer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß der Körper (86) aus einem synthetischen Gummi mit einer Härte von ungefähr 80 Shore-A-Härtegrad besteht.

16. Dämpfer nach Anspruch 13, dadurch g e k e η η ze ic h η e t' , daß der Körper (86) aus Nitrit-Buna-A synthetischem Gummi besteht.

17. Elastischer Vibrationsdämpfer, insbesondere für die Montage in einer flachen Nut in einer zylindrischen Metalloberfläche in einem Schlageinsatz für Bohrgestänge zur Verbendung in mit Bohrflüssigkeit gefüllten Bohrlöchern, gekennzeichnet durch

a) eine rechteckige Metallplatte (82);

b) einen rechteckigen Körper (86) aus elastischem Nitrit-Buna-A synthetischem Gummi mit einer Härte von ungefähr 80 Shore-A-Härtegrad;

c) eine einstückige Verbindung von Körper (86) und Platte (82;

d) eine oder mehrere Öffnungen (83) im Körper (86) und der Platte (82) zur Aufnahme von Schraubelementen; und

e) eine gekrümmte Oberfläche des Körpers (86) an der Seite gegenüber der Befestigung an der Platte (82).