DE3540870C2 - Gewinde- oder Steckverbinder - Google Patents

Description

Der in dem Hauptpatent 34 18 892 beschriebene Gewinde- oder Steckverbinder, der insbesondere in der Tiefbohrtechnik, jedoch auch auf anderen technischen Gebieten mit Vorteil einsetzbar ist, ermöglicht es, unterschiedliche Medien im Verbinder in mindestens drei voneinander getrennten Wegen zu fördern, wobei dieser Verbinder eine besonders einfache und sichere Verbindung ermöglicht und gleich­ zeitig sicherstellt, daß der wirksame Querschnitt der freien Durchgangsbohrung durch die zusätzlichen Wege nicht verringert wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Verbinder gemäß Hauptpatent derart weiterzubil­ den, daß seine Einsatzmöglichkeiten erheblich gesteigert werden. Insbesondere liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, in dem Fall, in dem der Verbin­ der in der Tiefbohrtechnik eingesetzt wird, das Ab­ teufen der Bohrung zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Bypassring zumindest eine Ventileinrichtung vorge­ sehen ist, die die freie Durchgangsbohrung mit einem der Kanäle, vorzugsweise mit einem der ersten Kanäle, ver­ bindet, wobei die Ventileinrichtung in Abwesenheit einer Druckdifferenz vorzugsweise in der geschlossenen Positi­ on ist.

Die erfindungsgemäße Maßnahme ermöglicht es, daß bei be­ stimmten, vorgegebenen Druckdifferenzen die Ventilein­ richtung öffnet oder schließt, so daß verschiedene Medienkanäle unter bestimmten Betriebsbedingungen mit­ einander verbindbar sind.

Weitere Vorteile sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, in der mehrere Aus­ führungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher dargestellt sind. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 einen Querschnitt durch den Verbinder,

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Bypassring des Ver­ binders samt Ventileinrichtung in vergrößerter Darstellung,

Fig. 3 eine Ansicht von unten auf den Bypassring gemäß Fig. 2,

Fig. 4 eine Seitenansicht des Bypassringes gemäß Fig. 2.

Der in Fig. 1 dargestellte Verbinder entspricht im wesentlichen demjenigen gemäß Hauptpatent. Bezüglich der Details wird auf das Hauptpatent verwiesen, auf deren gesamten Offenbarungsinhalt ausdrücklich Bezug genommen wird.

Der in Fig. 1 dargestellte Gewindeverbinder ist ein Luft­ hebegestänge-Verbinder für die Tiefbohrtechnik. Der Ver­ binder umfaßt einen Muffenteil 100, einen Zapfen- bzw. Steckerteil 200, sowie einen zwischen Muffenteil 100 und Steckerteil 200 angeordneten Bypassring 300. Das dem Verbinder abgewandte Ende des Muffenteils 100 wird über Schweißungen mit einem Gestänge 0 verbunden, ebenso wie das dem Verbinder abgewandte Ende des Steckerteils 200.

Sowohl Muffenteil 100 als auch Steckerteil 200 als auch Bypassring 300 sind mit einer zentralen, mit der Ver­ binderachse 30 koaxialen freien Durchgangsbohrung 101, 201, 301 versehen, deren Innendurchmesser dem Innendurchmesser des Bohrgestänges 0 entspricht.

Der Muffenteil 100 weist um die freie Durchgangsöffnung 101 herum angeordnete, parallel zur Achse 30 verlaufen­ de erste Kanäle 13 auf, deren in der Fig. 1 dargestellten unteren Enden in einem konzentrisch zur Achse 30 um die Durchgangsbohrung 101 herum verlaufenden Ringkanal 15 enden und somit untereinander in Verbindung stehen. Der Ringkanal 15 wird in nicht näher dargestellter Weise mit längs der Bohrstangen befestigten U-Profilen verbunden, wie im Hauptpatent beschrieben.

Radial außerhalb der ersten Kanäle 13 sind im Muffenteil 100 zweite Kanäle 12 unter jeweils gleichem Abstand zur Achse 30 und parallel zu dieser verlaufend ausgebildet. Die in der Darstellung gemäß Fig. 1 unten liegenden Enden der zweiten Kanäle 12 münden in einem konzentrisch zur Achse 30 verlaufenden zweiten Ringkanal 14, wodurch die zweiten Kanäle 12 medienmäßig miteinander verbunden sind. Der zweite Ringkanal 14 ist radial außerhalb des Ringkanals 15 angeordnet und wird in nicht näher darge­ stellter Weise mit einem weiteren, längs der Bohrstange an dieser angeschweißten U-Profil verbunden.

Der Muffenteil 100 ist in seinem dem Steckerteil 200 zu­ gewandten Innenbereich derart abgestuft, daß sich an­ schließend an die freie Durchgangsbohrung 101 ein radial erweiterter Ringbereich 102 mit einer axial verlaufenden Dichtfläche 16a, hieran ein gegenüber dem ersten Ring­ bereich 102 radial erweiterter Ringbereich 103 mit einer weiteren, axial verlaufenden Dichtfläche 16b sowie hier­ an anschließend ein gegenüber dem weiteren Ringbereich 103 radial erweiterter Gewindebereich 104 mit einem Innengewinde 11 anschließt. Die ersten Kanäle 13 enden mit ihren in der Darstellung gemäß Fig. 1 oberen Enden in der unteren, horizontalen Ringfläche 31 des Ringbereichs 103, während die oberen Enden der zweiten Kanäle 12 in der unteren horizontalen Ringfläche 32 des Gewindebereiches 104 enden.

Der Steckerteil 200 ist dem Muffenteil 100 entsprechend ausgebildet und weist demnach eine zentrale freie Durch­ gangsbohrung 201, erste Kanäle 4, zweite Kanäle 5, einen ersten Ringkanal 2 sowie einen zweiten Ringkanal 3 auf, sowie einen gegenüber der freien Durchgangs­ bohrung radial erweiterten Ringbereich 202 mit axial verlaufender Dichtfläche 7a und einen weiteren, axial erweiterten Ringbereich 203 mit einer axialen Dicht­ fläche 7b. An der zwischen den Dichtflächen 7a und 7b befindlichen horizontalen Ringfläche 33 münden die unteren Enden der ersten Kanäle 4, während die unteren Enden der zweiten Kanäle 5 in einer unteren, ringförmigen Stirnfläche 34 des Steckerteils 200 enden. Über ein Außengewinde 6 (abge­ flachtes Spitzgewinde) ist der Steckerteil 200 in den Muffenteil 100 einschraubbar.

Der Bypassring 300 weist einen oberen und unteren Außen­ durchmesser auf, der an den Innendurchmesser der Ring­ bereiche 202 und 102 angepaßt ist. Bei zusammengebautem Verbinder liegen der obere und untere Bereich des Bypass­ ringes 300 über nicht dargestellte, in Umfangsnuten 9 angeordnete O-Ringe dichtend an den Dichtflächen 7a und 16a der Ringbereiche 202 bzw. 102 an.

In seinem mittleren Bereich weist der Bypassring 300 einen umlaufenden Kragen 35 auf, dessen Außendurch­ messer dem Innendurchmesser der Ringbereiche 103 und 203 angepaßt ist. Innerhalb des Kragens 35 sind Kanäle 8 parallel zur Achse 30 ausgebildet und enden in den oberen bzw. unteren ringförmigen Stirnflächen 36 bzw. 37 des Kragens 35. An der äußeren Ringfläche 38 des Bypassringes 300 sind zwei Umfangsnuten 39 zur Aufnahme nicht dargestellter O-Ringe ausgebildet. Über diese O- Ringe liegt im zusammengebauten Zustand des Verbinders der Bypassring 300 dichtend an den Dichtflächen 7b, 16b des Steckerteils 200 bzw. Muffenteils 100 an.

Im zusammengebauten Zustand des Verbinders sind somit einerseits die Durchgangsbohrungen 101, 301 und 201, andererseits die ersten Kanäle 13, 8 und 4 und schließ­ lich die zweiten Kanäle 12 und 5 miteinander verbunden, wobei die Durchgangsbohrungen gegenüber den ersten Kanälen und die ersten Kanäle gegenüber den zweiten Kanälen abgedichtet sind. Es ist darauf hinzuweisen, daß zwischen den gegenüberliegenden Enden der ersten Kanäle 4 und der Kanäle 8 einerseits sowie der ersten Kanäle 13 und der Kanäle 8 andererseits sowie auch der zweiten Kanäle 5 und der zweiten Kanäle 12 im zusammen­ gebauten Zustand des Verbinders ein Abstand vorliegt, so daß an den Verbindungsstellen dieser Kanäle konzen­ trisch zur Achse 30 verlaufende Ringräume entstehen, wel­ che die einzelnen Öffnungen miteinander verbinden. Es ist daher im Falle des erfindungsgemäßen Verbinders nicht erforderlich, daß die einzelnen Kanäle gegeneinander fluchten. Die zwischenliegenden Ringräume sorgen in jedem Fall für die erforderliche Verbindung zwischen den einzelnen Kanälen.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist einer der Kanäle 8 des Bypassrings 300 (oder bei Bedarf auch mehrere Kanäle 8) mit einer Ventileinrichtung versehen. Diese Ventilein­ richtung umfaßt eine in Axialrichtung des Bypassringes 300 gesehen etwa mittig angeordnete, bezüglich der Achse 30 radial verlaufende Bohrung 302, die die freie Durchgangsbohrung 301 mit einem Kanal 8′ verbindet. Der Kanal 8′ ist in seinem mittleren und oberen Bereich 303 auf einen etwas größeren Durchmesser aufgebohrt und an seinem oberen Ende über ein Verschlußstück 304 ver­ schlossen. Innerhalb der Bohrung 303 ist eine als Ventil- Schließglied dienende Kugel 305 angeordnet, die entlang der Bohrung 303 bewegbar ist und mittels einer zwischen Verschlußstück 304 und Stahlkugel 305 gespannten Druck­ feder 306 nach unten in ihre Schließposition gegen den Ventilsitz 307 gedrückt wird.

Im folgenden wird die Funktionsweise des erfindungsge­ mäßen Verbinders anhand seines Einsatzes in der Tief­ bohrtechnik näher beschrieben. Hierzu erscheint es zum Zwecke des besseren Verständnisses erforderlich, zu­ nächst auf den bekannten Stand der Technik einzugehen:

Da beim Bohren nach dem Lufthebe-Verfahren die im Bohr­ loch anstehende Wassersäule gegen die Druckleistung des Kompressors wirkt, ist es erforderlich, mittels Düsen­ stücken, welche entsprechend der Kompressorleistung in der erforderlichen Tiefe im Gestängestrang eingebaut werden, über die Düse dem Hauptförderrohr (freie Durch­ gangsbohrung) Luft zuzuführen, um das Luftheben in Be­ trieb zu halten.

Bei den herkömmlichen Systemen handelt es sich um Flanschen-Bohrgestänge, an denen zwei sich gegenüber­ liegende Rohre die Luft dem Düsenstück zuführen. Diese Düsen­ stücke sind Flanschen-Paßstücke, in denen die luftzu­ führenden Rohre enden, wobei die Luft über Schlitze dem Hauptförderweg zugeführt wird, um das Luftheben zu betreiben. Umgebaut wurde diese Luftdüse bisher, nachdem die Bohrung bis ca. 90 m abgeteuft war. Dann kommt die Kompressorleistung (10 bar) nicht mehr gegen die im Bohr­ loch befindliche Wassersäule an, welche aber erforderlich ist, um die Bohrlochwand zu stabilisieren. Jetzt muß der gesamte Bohrstrang (Flansch-Verbindung) ausgebaut werden und die Düse wird bei ca. 40 Meter unter Gelände wieder eingebaut.

Bis die Bohrung beispielsweise bis 200 Meter Tiefe ab­ geteuft ist, wiederholt sich dieser Vorgang dreimal. Nachdem jeweils das gesamte Bohrgestänge ausgebaut wer­ den muß und mit zunehmender Tiefe der Bohrung die Länge des Bohrgestänges zunimmt, werden die hierzu erforder­ lichen Aus- und Einbauzeiten immer länger. Ein Belassen des Düsenstücks im Strang und ein einfaches Nachsetzen weiterer Düsenstücke ist im Falle des bekannten Standes der Technik nicht möglich, da durch den höheren Wasser­ druck zu förderndes Bohrgut durch die Verbindungs­ schlitze vom Hauptförderweg in die Luftführungsrohre gedrückt würde. Ein weiterer Nachteil der bekannten Düsenstücke ist darin zu sehen, daß diese einen festen Bestandteil des Bohrstranges darstellen und somit alle statischen Momente übernehmen müssen, wobei die Luftzu­ führungsschlitze eine deutliche Schwächung des gesamten Bohrstranges darstellen und sich gegebenenfalls wie eine Sollbruchstelle auswirken.

Nachfolgend ist angegeben, wie unter Verwendung der erfindungsgemäßen Verbindung nach dem Lufthebe-Bohrverfahren zu verfahren ist.

Jede Bohrstange des Bohrstranges ist an ihrem Ende mit einem Muffenteil oder einem Steckerteil gemäß Fig. 1 versehen. An der Stelle des Bohrstranges, an der eine Düse benötigt wird, wird als Bypassring ein solcher mit Ventileinrichtung eingesetzt, wie er in Fig. 2 darge­ stellt ist. An den anderen Verbindungsstellen werden By­ passringe ohne Ventileinrichtung eingesetzt.

Beim Beschicken der ersten Kanäle mit Druckluft wird die Kugel 305 angehoben und gibt somit die Bohrung 302 frei, so daß Heberluft in den Hauptförderweg (Durchgangsbohrung 301) einströmen kann und dadurch das Luftheben in Betrieb gesetzt wird. Wird die Druckluftzufuhr über die ersten Kanäle eingestellt, so wird aufgrund des Gegen­ druckes der Feder 306 die Stahlkugel 305 auf den Ventil­ sitz 307 gedrückt, um ein Eindringen von Fremdkörpern bzw. Verunreinigungen in die ersten Kanäle zu verhindern.

In dem durch die jeweiligen Betriebsbedingungen vorge­ gebenen Abstand werden in die Verbinder anstelle der normalen Verbinder solche mit Ventileinrichtung (Luft­ hebe-Ventil) eingebaut, ohne daß die bereits im Bohr­ strang befindlichen Düsenteile aus dem Bohrstrang aus­ gebaut werden müßten.

Wird der Druck der aufliegenden Wassersäule zuzüglich Wichte der Spülflüssigkeit für den Arbeitskompressor unüberwindbar, so schließt aufgrund des erfindungsgemäßen Verbinders der Wasserdruck mittels der Kugel 305 die Düse und der Luftdruck des Kompressors hebt am darüberliegenden zweiten Düsenstück die Kugel an, wodurch wiederum Luft dem Hauptförderkanal zugeführt wird und das Luftheben kontinuierlich fortgesetzt werden kann. Diese Vorgehens­ weise läßt sich weiter fortsetzen, wobei beispielsweise bei 195 Metern und 119 Metern jeweils ein geschlossenes Düsenstück und bei 43 Metern ein offenes Düsenstück liegen kann.

Aufgrund der vorliegenden Erfindung ist es somit nicht mehr erforderlich, bei fortschreitender Bohrtiefe das für das Luftheben erforderliche Düsenstück an immer anderer Stelle am Bohrstrang anzubringen, was in be­ sonders zeit- und arbeitsaufwendiger Weise jedesmal das Ausfahren und Wiedereinbringen des gesamten Bohr­ stranges erforderlich macht.

Der Bohrstrang mit erfindungsgemäßem Verbinder ist be­ sonders vielseitig einsetzbar, wie die nachfolgenden Ausführungsbeispiele zeigen:

Beim Direktspülverfahren (Rechtsspülung) dient die freie Durchgangsbohrung (Hauptförderweg) als Förderrohr für die Spülflüssigkeit, die mittels Spülpumpe von Übertage aus auf die Bohrlochsohle gepumpt wird und von dort im Raum zwischen Gestänge und Bohrlochwand das Bohrgut austrägt. Bei diesem Verfahren werden Bypass­ ringe ohne Ventileinrichtungen verwendet.

Beim Lufthebe-Bohrverfahren (Linksspülung) mit Rollen­ meißel wird durch die inneren, ersten Kanäle dem als Düsenstück wirkenden Bypassring Druckluft zugeführt, wodurch durch Einspeisen von Druckluft in die freie Durchgangsbohrung (Haupt­ förderweg) eine Förderung des Gemisches aus Luft, Wasser und Bohrgut nach Übertage bewirkt wird.

Bei dem Lufthebe-Bohrverfahren mit dem Mission-Im-Loch- Hammer dienen die inneren, ersten Kanäle der Druckluft­ zuführung (Arbeitsluft) zum Bohrhammer. Da der Bohr­ hammer im geschlossenen Luftsystem arbeiten muß, um von der aufliegenden Wassersäule unbeeinflußt arbeiten zu können, wird die Abluft über die äußeren, zweiten Kanäle nach Übertage abgeleitet. Ein Teil der Arbeitsluft wird über einen Bypassring mit Ventileinrichtung als ein­ faches Düsenstück der freien Durchgangsbohrung zugeführt und somit kann das Bohrgut über eine Fangschürze im Lufthebe-Verfahren von der Bohrlochsohle abgesaugt und in der freien Durchgangsbohrung (Hauptförderkanal) nach Übertage gefördert werden. Der Einbau des mit Ventilein­ richtung versehenen Bypasses erfolgt nach dem beschriebenen Prinzip.

Während es bisher erforderlich war, für die einzelnen Bohrverfahren in ihrer Bauart unterschiedliche Bohrge­ stänge zu verwenden, ist man bei Verwendung eines Bohr­ gestänges mit den erfindungsgemäßen Verbindern in der Lage, für die vorgenannten, lediglich beispielsweise aufgezählten Verfahren jeweils das gleiche Bohrgestänge zu verwenden.

Es ist darauf hinzuweisen, daß der erfindungsgemäße Ver­ binder auch auf anderen Gebieten der Technik vorteil­ haft einsetzbar ist, wie beispielsweise bei Hydraulik- und Bremssystemen, in der Klimatechnik, in der Pneumatik und dergleichen.

Je nach Bedarf können selbstverständlich auch mehrere der oben beschriebenen Ventileinrichtungen in einen einzigen Bypassring eingearbeitet werden.

Das vorstehend be­ schriebene Prinzip ist nicht auf ein 3-Wege-System be­ schränkt. Es kann beispielsweise ein 5-Wege-System gebildet werden, welches grundsätzlich entsprechend demjenigen gemäß Fig. 1 aufgebaut ist, so daß sich eine nähere Beschrei­ bung erübrigt. Eine oder mehrere Ventileinrichtungen können beispielsweise zwischen der zentralen Durchgangs­ bohrung und einen bzw. mehreren der hieran anschließen­ den ersten Kanäle vorgesehen sein. In alternativer Wei­ se könnten die Ventileinrichtungen selbstverständlich auch zwischen einem weiter außen gelegenen Kanal und der zentralen Durchgangsbohrung oder zwischen unter­ schiedlichen Kanälen vorgesehen sein. Weiterhin ist die erfindungsgemäße Lehre ohne weiteres auch bei 2-Wege- Anordnungen anwendbar.

Claims (7)

1. Gewinde- oder Steckverbinder zum Kuppeln von Rohrsträngen, mittels derer durch die axialen Durchgangsbohrungen eines zentralen Rohrstranges und an dessen Außenwand befestigter Nebenstränge unterschiedliche Fluide transportierbar sind, wobei der Verbinder ein Muffenteil und ein mit diesem verbindbares Zapfenteil umfaßt, die jeweils gleichfalls eine axiale Durchgangsbohrung und außerhalb dieser Durchgangsbohrung axial verlaufende, an die Nebenstränge angeschlossene Kanäle aufweisen, von denen die Kanäle im Muffenteil mit den Kanälen im Zapfenteil nach Kupplung der beiden Teile in Verbindung stehen, bestehend aus einem zwischen Muffenteil und Zapfenteil einfügbaren Bypass-Ring, der ebenfalls eine axiale Durchgangsbohrung und außerhalb dieser Bohrung axial verlaufende erste Kanäle aufweist, über welchen erste Kanäle des Muffenteils mit ersten Kanälen des Zapfenteils in Verbindung zu setzen sind, aus im Muffen- wie im Zapfenteil jeweils außerhalb der ersten Kanäle axial verlaufenden zweiten Kanälen, von denen die Kanäle der Muffe mit den Kanälen des Zapfens in Verbindung zu setzen sind, aus zwischen dem Muffenteil und dem Bypass-Ring sowie zwischen diesem und dem Zapfenteil ausgebildeten Dichtungen, mittels derer die zweiten Kanäle gegenüber den ersten Kanälen und diese gegenüber der axialen Durchgangsbohrung abdichtbar sind, aus einem sowohl am Zapfenteil als auch am Mufffenteil ausgebildeten, die axiale Durchgangsbohrung umgebenden ersten Ringkanal, der jeweils mit den der Verbindungsstelle abgewandten Öffnungen der ersten Kanäle beider Verbindungsteile und an die axialen Durchgangsbohrungen des ihm zugeordneten Nebenstrangs ober- bzw. unterhalb des Verbinders angeschlossen ist, und einem sowohl am Zapfenteil als auch am Muffenteil ausgebildeten zweiten Ringkanal, der jeweils den ersten Ringkanal umgibt und an die der Verbindungsstelle abgewandten Öffnungen der zweiten Kanäle sowie an die axialen Durchgangsbohrungen des ihm zugeordneten Nebenstrangs ober- bzw. unterhalb des Verbinders angeschlossen ist, nach Patent 34 18 892, dadurch gekennzeichnet, daß im Bypass-Ring (300) zumindest eine Ventileinrichtung vorgesehen ist, die die freie Durchgangsbohrung (301) mit einem Kanal (8′) der Kanäle (8) verbindet.

2. Gewinde- oder Steckverbinder nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ventileinrichtung die freie Durchgangsbohrung mit einem der ersten Kanäle (8) verbindet.

3. Gewinde- oder Steckverbinder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinrichtung in Abwesenheit einer Druckdifferenz in der geschlossenen Stellung ist.

4. Gewinde- oder Steckverbinder nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinrichtung eine den Kanal (8′) und die freie Durchgangsbohrung (301) verbindende Bohrung (302) sowie ein in Längsrichtung des Kanals (8′) bewegliches Ventilglied umfaßt, wobei der Kanal (8′) einseitig geschlossen ist.

5. Gewinde- oder Steckverbinder nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß das Ventilglied gegen Federkraft und/oder Schwerkraft aus seiner Schließstellung bewegbar ist.

6. Gewinde- oder Steckverbinder nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied als Kugel (305) ausgebildet ist.

7. Gewinde- oder Steckverbinder nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventileinrichtung als unterhalb einer bestimmten Druckdifferenz selbständig schließende Düse ausgebildet ist.