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Diese Erfindung befaßt sich grundsätzlich mit einem
Tieflochumlaufventil.
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Eine Anzahl von Tieflochwerkzeugen ist bekannt, bei denen eine
Spindel zur axialen Verschiebung in ein zylindrisches Gehäuse
aufgenommen wird. Einige dieser Werkzeuge werden durch
Unterdrucksetzen des Bohrgestänges, von dem das Werkzeug hängt
und/oder durch Unterdrucksetzen des ringförmiges Raumes zwischen
Werkzeug und Bohrloch aktiviert. Dieses Unterdrucksetzen führt zur axialen
Verschiebung der Spindel, wodurch das Werkzeug aktiviert wird. Ein solches
Umlaufventil wird in unserer Patentschrift US. 4.657.082 eröffnet, in der die
im Vorlauf von Patentanspruch 1 erwähnten Eigenschaften eröffnet werden.
Wie dort beschrieben, umfaßt das Umlaufventil eine Spindel, die in einem
zylindrischen Gehäuse axial verläuft, nämlich in eine Richtung durch
Unterdrucksetzen des Bohrgestänges auf einen Druck höher als den im
Ringraum herrschende und in die entgegengesetzte Richtung durch
Unterdrucksetzen des Ringraumes auf einen Druck höher als den im
Bohrgestänge herrschenden. Dieses Umlaufventil bekannten Stands der
Technik beinhaltet eine Reihe von J-Schlitzen, durch die die Spindel während
des axialen Verlaufs geführt wird, um ein Umlaufventil nur nach festgelegter
Anzahl von Druckwechseln im Bohrgestänge und im Ringraum zu öffnen oder
zu schließen.
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Solche druckaktivierten Werkzeuge des bekannten Stands der Technik
werden u. U. versehentlich aktiviert. So wird z. B. ein Umlaufventil des
bekannten Stands der Technik laut der o.g. Beschreibung normalerweise in
ein Prüfbohrgestänge aufgenommen, in dem sich gleichzeitig unter dem
Umlaufventil ein Packer befindet. Nach Abschluß der Schwerstangenprüfung
ist es normalerweise wünschenswert, das Umlaufventil vor Abzug des
Bohrgestänges zu öffnen, so daß im Bohrgestänge befindliche Flüssigkeit
durch das Umlaufventil in das Bohrloch abläuft, anstelle beim Entfernen der
Rohrteile auf die Bohrturmplattform auszuströmen. Durch Herausziehen des
Bohrgestänges steigt der Druck im Ringraum infolge des Schrubbereffekts
des Packers, der eng im Bohrloch sitzt, obwohl er nicht damit in Berührung
ist, kurzfristig an. Diese Drucksteigerung kann bis zu 345 kPa ausmachen,
was eine axiale Spindelverlagerung bewirken kann. Somit kann es beim
Abziehen eines Bohrgestänges aus einem Bohrloch, einschließlich dem oben
genannten Umlaufventil bekannten Stands der Technik und einem
darunterliegenden Packer, zum Schließen des Umlaufventils kommen. In
solchem Fall ist das nächste Rohrteil, das auf der Bohrturmplattform
abgetrennt wird, mit Flüssigkeit gefüllt.
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Ein weiteres Problem, das bei Verwendung druckaktivierter Werkzeuge
in einem Bohrgestänge auftreten kann, betrifft Druckstöße in der Pumpe, mit
der die Flüssigkeit im Bohrgestänge oder im Ringraum unter Druck gestellt
wird. So ist z. B. die Flüssigkeit im Bohrgestänge bei
Schwerstangenprüfungen typischerweise weitaus leichter als die schweren Flüssigkeiten im
Ringraum. Wenn das Bohrgestänge zum Betätigen des druckaktivierten
Umlaufventils oder zum Betätigen eines druckaktivierten Werkzeuges, das
sich u. U. im Bohrgestänge befindet, unter Druck gesetzt werden muß ist es
u. U. erforderlich, an der Oberfläche einen Druck von 13,8 MPa oder höher
anzusetzen, um den Druck im Bohrgestänge und im Ringraum auf der
Werkzeugebene auszugleichen. Pumpen, die für diesen Zweck Verwendung
finden, leiden häufig unter Stößen, die ausreichen, um ein Werkzeug zu
aktivieren, das bei solchen Drücken funktioniert. So kann das druckaktivierte
Werkzeug durch diese Druckstöße ungewollt betätigt werden, wenn entweder
versucht wird, das Werkzeug zu aktivieren oder ein anderes druckaktiviertes
Werkzeug im Bohrgestänge zu betätigen. Es gibt Geräte von bekanntem
Stand der Technik, wie z. B. Scherstifte und Daueraufnehmer-Mechanismen
zum Halten von Spindeln in zylindrischen Gehäusen. Natürlich kann die
Spindel im Fall von Scherstiften nach Abscheren infolge eines Ansprechens
auf Druckanstieg oder Ansatz einer mechanischen Kraft nicht mehr gehalten
werden, bis das Werkzeug wieder an die Oberfläche gebracht und der
Scherstift ersetzt wird.
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Ein Daueraufnehmer-Mechanismus, wie z. B. Aufnehmerblöcke,
verhindern die Spindelbewegung, bis der Druck über einen festgesetzten
Wert ansteigt; um die fortgesetzte Spindelbewegung zu gewährleisten, muß
der Druck jedoch über diesem Wert beibehalten werden. Im Fall des oben
beschriebenen Umlaufventils des bekannten Stands der Technik würde ein
Mechanismus dieser Art das komplette Öffnen des Umlaufventils verhindern,
da, sobald sich die Umlauföffnung teilweise öffnet, der Differentialdruck einen
Durchfluß durch die Öffnung bewirkt anstelle eine Spindelbewegung
herbeizuführen. Deshalb ist das Moment der sich bewegenden Spindel zum
vollständigen Öffnen des Ventil erforderlich. Ein Daueraufnehmer-
Mechanismus, wie z. B. Aufnehmerblöcke, würde es der Spindel nicht
ermöglichen, sich komplett zu öffnen.
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US-A-4646838 beschreibt ein Prüfventil mit Niederdruckreaktion,
ausgerüstet mit einem Triebkolben, der auf Differentialdruck anspricht und
zum Ventil gehört und der sich zwischen den ersten und zweiten Positionen
zum Öffnen und Schließen des Ventils verschieben läßt. Vorgesehen ist eine
widerstandsfähige Federhalterung zum auslösbaren Arretieren des
Triebkolbens in einer zweiten Position, bis die Kraft, die den Kolben in
Richtung der ersten Position treibt, die Haltekraft überwindet. Diese
Federhalterung ist nur in einer axialen Richtung wirksam und nur dann
effektiv, wenn sich der Triebkolben in seiner zweiten Position befindet.
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Jetzt haben wir eine verbesserte Anordnung in einer Form eines
Umlaufventils entwickelt, bei der eine widerstandsfähige Halteeinrichtung
vorgesehen ist, die eine Haltekraft zum Arretieren der Axialbewegung eines
verschiebbaren Teils aus seiner ersten und zweiten Position vermittelt.
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Laut dieser Erfindung ist ein Umlaufventil vorgesehen, das zum
Anhängen an ein Bohrgestänge in einem Bohrloch gedacht ist. Dieses Ventil
ist setzt sich aus einem zylindrischen Gehäuse zusammen, durch das ein
längsläufiger Laufweg führt; dessen Wand ist mit einer Umlauföffnung
versehen; eine Spindel wird in das besagte Gehäuse eingeschoben und kann
sich zwischen der ersten Position, d. h. Schließen der besagten Öffnung und
der zweiten Position, in der Flüssigkeit durch die besagte Öffnung umlaufen
kann, axial bewegen; eine ringförmige Kolbeneinrichtung wird im besagten
Gehäuse aufgenommen, die funktionsmäßig mit der besagten Ventilspindel
im Verbund steht. Die erste Seite der besagten Kolbeneinrichtung wird dem
Druck im Ringraum des besagten Bohrlochs ausgesetzt, während ihre zweite
Seite dem Druck im besagten Bohrgestänge ausgesetzt wird. Die besagte
Kolbeneinrichtung bewegt die besagte Spindel in eine der besagten
Positionen, wenn der Druck an der besagten ersten Seite höher geht als der
Druck auf der besagten zweiten Seite und bewegt die besagte Spindel in
Richtung der anderen besagten Position, wenn der Druck auf der besagten
zweiten Seite höher geht als der Druck an der besagten ersten Seite;
ausgezeichnet dadurch, daß zwischen Gehäuse und Spindel ein
widerstandsfähiges Haltegerät einen Haltedruck ausübt, durch den die axiale
Verdrängung der Spindel aus einer der besagten Positionen verhindert wird;
dieses besagte Haltegerät setzt sich aus einem ringförmigen Federteil
zusammen, das auf der radialen Innenfläche des besagten Gehäuses
montiert ist; dieses besagte Federteil wird an seinen oberen und unteren
Rändern gegen radiale innere und äußere Verformungen gehalten,
dazwischen bildet sich jedoch ein ringförmiger, radialer Verformungsbereich;
auf seiner radialen Innenfläche hat der besagte Verformungsbereich eine
Eingriffseinrichtung; der besagte Verformungsbereich ist zum Eingriff der
besagten Eingriffseinrichtung in die besagte Spindel in zwei axial im Abstand
befindlichen Positionen gegen die besagte Spindel vorgespannt.
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Um ein besseres Verständnis der Erfindung zu vermitteln, wird im
folgenden nur als Beispiel eine Form der Erfindung näher beschrieben, wobei
auf die beiliegenden Zeichnungen bezug genommen wird. In diesen
Zeichnungen ist/sind:
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Bild 1 eine Darstellung des schematischen Aufrisses eines typischen
Bohrlochprüfgeräts unter Verwendung eines Ventils laut dieser Erfindung.
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Bilder 2A-2F viertel Querschnitte des Aufrisses einer Form des
Umlaufventilwerkzeugs dieser Erfindung.
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Bild 3 eine Sicht entlang Linie 3-3, Bild 2E.
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Bild 4 eine Sicht entlang Linie 4-4, Bild 2E.
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Bild 5 eine aufgelöste Sicht eines Teils der Rasthülse, Bild 2E, in der
die Erscheinung der Hülse so gezeigt wird, als ob sie längsweise an einer
Seite aufgeschnitten und flach in Form eines Rechtecks aufgerollt worden
wäre. Die Linie 2E-2E zeigt die Lage des Schnitts durch die Hülse, siehe Bild
2E.
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Bild 6 ein viertel Querschnitt des Aufrisses des Werkzeugteils, siehe
Bild 2D, wobei der Abschnitt auf Bild 6 um 26º im Uhrzeigersinn aus dem
Abschnitt, Bild 2D, verlegt wurde (Draufsicht auf das Werkzeug).
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Bild 7 eine Sicht entlang Linie 7-7, Bild 6, womit die relativen Positionen
der Abschnitte auf Bildern 2D und 6 dargestellt sind.
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Bild 8 eine Sicht entlang Linie 8-8, Bild 6.
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Bild 9 eine Sicht entlang Linie 9-9, Bild 6.
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Bild 10 ein Querschnitt des Federteils, Bilder 2D und 6.
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Bild 11 eine Sicht entlang Linie 11-11, Bild 10.
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Bild 12 eine Sicht entlang Linie 12-12, Bild 10.
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Im Verlauf der Bohrung eines Ölbohrlochs wird das Bohrloch mit
Dickspülung oder Spülschlamm gefüllt. Ein Zweck dieses Spülschlamms ist
das Arretieren möglicher Flüssigkeiten in durchschnittenen Formationen, die
sich dort vorfinden können. Zum Arretieren dieser Flüssigkeiten wird der
Spülschlamm mit verschiedenen Zusatzmitteln beschwert, so daß der
hydrostatische Druck des Schlamms auf dieser Formationstiefe ausreicht, um
die Formationsflüssigkeit in der Formation zu halten, um ein Auslaufen in das
Bohrloch zu verhindern. Wenn Prüfung der Förderkapazität der Formation
wünschenswert ist, wird ein Prüfbohrgestänge in das Bohrloch auf
Formationstiefe abgelassen, wo die Formationsflüssigkeit im laufe des
kontrollierten Prüfvorgangs in das Bohrgestänge eindringen kann. Beim
Absenken des Prüfbohrgestänges wird darin ein niedrigerer Druck
beibehalten. Dies wird normalerweise durch Geschlossenhalten eines Ventils
in der Nähe des unteren Endes des Prüfbohrgestänges realisiert. Bei
Erreichen der Prüftiefe wird ein Packer zum Abdichten des Bohrloches
gesetzt, wodurch die Formation vom hydrostatischen Druck des
Spülschlammes im Bohrlochringraum abgetrennt wird. Als Alternative läßt
sich das Bohrgestänge gleichfalls in vorher gesetzte Förderpacker
einstechen.
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Das Ventil am unteren Ende des Prüfbohrgestänges wird dann geöffnet
und die Formationsflüssigkeit kann, befreit vom Haltedruck des
Spülschlamms, in das Innere des Prüfbohrgestänges einströmen.
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Der Prüfablauf beinhaltet Zeiträume der Formationsflutung und
Zeiträume, in denen die Formation geschlossen bleibt. Während des
gesamten Prüfablaufs werden Druckmessungen genommen, die in späterer
Auswertung die Förderfähigkeit der Formation bestimmen. Bei Bedarf kann
eine Probe der Formationsflüssigkeit in geeigneter Probenkammer
genommen werden. Zum Abschluß des Prüfablaufs wird ein Umlaufventil im
Prüfbohrgestänge geöffnet, die Formationsflüssigkeit im Prüfbohrgestänge
wird abgelassen, der Packer gelöst und das Prüfbohrgestänge abgezogen.
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Im laufe der Jahre wurden verschiedene Methoden zum Öffnen der
Prüfventile auf Formationstiefe, wie beschrieben, entwickelt. Dazu zählen
Bohrgestängedrehung, Hin- und Herbewegen des Bohrgestänges sowie
Druckveränderungen im Ringraum. Besonders vorteilhafte Prüfventile sind
die in US. Patenten Nr. 3.856.085 nach Holden und anderen, 4.422.506 und
4.429.748 nach Beck und 4.444.268 und 4.448.254 nach Barrington
eröffneten. Diese Ventile öffnen sich durch Ansprechen auf
Druckveränderungen im Ringraum und vermitteln eine komplett öffnende
Durchlauföffnung durch das Prüfventilgerät.
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Die auf Ringraumdruck basierende Funktionsweise zum Öffnen und
Schließen des Prüfventils ist besonders für Offshore-Bohreinsätze geeignet,
wo es aus Gründen der Betriebssicherheit und des Umweltschutzes höchst
wünschenswert ist, Ausbruchschütze während des größten Teils des
Prüfablaufs geschlossen zu halten.
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Eine typische Anordnung zur Durchführung einer Offshore-
Schwerstangenprüfung wird auf Bild 1 dargestellt. Eine solche Anordnung
würde eine schwimmende Arbeitsstation 1 beinhalten, die über einer
Arbeitsstation 2, die unter Wasser angeordnet ist, positioniert ist. Die
Bohrstelle setzt sich typischerweise aus einem mit Gehäusebohrgestänge 4
ausgeschalten Bohrloch 3 zusammen, das sich von Arbeitsstation 2 zu einer
Formation unter Wasser 5 erstreckt. Das Ausschalungsgestänge 4 umfaßt
am unteren Ende eine Mehrzahl von Perforationen, die eine Verbindung
zwischen Formation 5 und dem Bohrlochinnenraum 6 vermitteln.
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An der Bohrstelle unter dem Wasserspiegel befindet sich eine
Bohrlochkammereinrichtung 7, einschließlich Ausbruchschutzmechanismen.
Ein Führungsrohr 8 erstreckt sich von der Bohrlochkammereinrichtung zur
schwimmenden Arbeitsstation 1. Die schwimmende Arbeitsstation umfaßt
eine Arbeitsbühne 9, die einen Bohrturm 12 trägt. Der Bohrturm 12 umfaßt
eine Hubeinrichtung 11. Am oberen Ende des Führungsrohrs 8 ist eine
Bohrlochverschlußeinrichtung 13 vorgesehen. Die Bohrlochverschlußeinrichtung
13 ermöglicht das Absenken eines Formations-Prüfbohrgestänges 10 in das
Führungsrohr und so in das Bohrloch 3; das Gestänge wird mit Hilfe der
Hubeinrichtung 11 in das und aus dem Bohrloch gehoben.
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Von einer Hydraulikpumpe 15 auf Arbeitsbühne 9 der schwimmenden
Station 1 läuft ein Versorgungsrohr 14 zur Bohrlochkammereinrichtung 7 an
eine Stelle unterhalb des Ausbruchschutzes, um das Unterdrucksetzen des
Bohrlochringraumes 16 um das Prüfbohrgestänge 10 zu ermöglichen.
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Das Prüfbohrgestänge beinhaltet ein oberes
Strömungskreisgestängeteil 17, das sich von Arbeitsstation 1 zur
Bohrlochkammereinrichtung 7 erstreckt. Ein hydraulisch aktivierter Rohrgestänge-Prüfbaum
18 befindet sich am Ende des oberen Rohrgestänges 17 und ist in der
Bohrlochkammereinrichtung 7 abgeschlossen, wodurch das Unterteil des
Formationsprüfbohrgestänges abgestützt wird. Das untere Teil des
Formationsprüfbohrgestänges erstreckt sich vom Testbaum 18 bis zur
Formation 5. Ein Packermechanismus 27 trennt die Formation 5 von
Flüssigkeiten im Bohrlochringraum 16 ab. Am unteren Ende des
Prüfbohrgestänges 10 ist ein perforiertes Endstück 28 vorgesehen, das
Flüssigkeiten zwischen Formation 5 und dem Innenraum des rohrförmigen
Formationsprüfbohrgestänges 10 durchströmen läßt.
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Das untere Ende des Formationsprüfbohrgestänges 10 umfaßt weiterhin
ein Zwischenrohrteil 19 sowie eine druckübertragende und
mengenausgleichende Falzrohreinrichtung 20. Am unteren Ende des ist gleichfalls ein
Zwischenrohrteil 21 zum Ansatz von Packersetzgewicht auf den
Packermechanismus 27 vorgesehen.
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Häufig ist wünschenswert, ein herkömmliches Umlaufventil 22 am
unteren Ende des Prüfbohrgestänges anzuordnen; dieses Ventil kann durch
Drehen oder Hin- und Herbewegen des Prüfbohrgestänges oder eine
Kombination beider Aktionen oder durch Fallenlassen einer beschwerten
Stange im Inneren des Prüfbohrgestänges 10 geöffnet werden. Dieses
Umlaufventil ist als Sicherheitseinrichtung vorgesehen, um eine
Flüssigkeitsströmung zu ermöglichen, sollte sich das Umlaufventil dieses
Geräts nicht vollständig öffnen. Ebenfalls in Nähe des unteren Endes des
Formationsprüfbohrgestänges 10 befindet sich ein Prüfventil 25, wobei es
sich vorzugsweise um ein Prüfventil vom Typ handelt, der durch
Ringraumdruck aktiviert wird, wie z. B. solche, wie sie in US. Patenten Nr.
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3.856.085, 4.422.506, 4.429.748, 4.444.268 und 4.448.254 eröffnet werden.
Direkt über dem Prüfventil befindet sich ein Werkzeug 30, einschließlich des
Gerätes dieser Erfindung.
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Unter dem Prüfventil 26 befindet sich ein Druckmeßgerät 26. Bei diesem
Druckmeßgerät 26 handelt es sich vorzugsweise um ein Gerät mit vollem
Durchsatzvermögen durch die Mitte des Druckmessers, um eine
durchgehende, komplette Öffnung durch die gesamte Länge des
Formationsprüfbohrgestänges zu vermitteln.
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Unter Umständen ist es wünschenswert, weitere Formationsprüfgeräte
in das Prüfbohrgestänge 10 aufzunehmen. Wo z. B. zu befürchten ist, daß
sich das Prüfbohrgestänge im Bohrloch 3 festfahren könnte, ist das Einfügen
eines Rüttelmechanismus zwischen Druckmeßgerät 26 und
Packerbaugruppe 27 wünschenswert. Mit Hilfe des Rüttelmechanismus
werden Stöße auf das Prüfbohrgestänge ausgeübt, um das Losrütteln eines
Prüfbohrgestänges aus dem Bohrloch zu unterstützen, sollte sich das
Prüfbohrgestänge festsetzen. Zusätzlich ist es u. U. wünschenswert, eine
Sicherheitskopplung zwischen Rüttel- und Packermechanismus 27
einzusetzen. Eine solche Sicherheitskopplung ermöglicht das Abtrennen des
Prüfbohrgestänges 10 von der Packerbaugruppe 27, sollte es mit Hilfe des
Rüttelmechanismus nicht gelingen, ein festsitzendes Prüfbohrgestänge
freizumachen.
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Die Einbaulage des Druckmeßgeräts ist nach Wahl zu bestimmen. So
läßt sich das Druckmeßgerät z. B. in einem geeigneten Druckmesser-
Ankerschuhlaufgehäuse unter dem perforierten Endstück 28 anbringen.
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Zusätzlich kann ein zweites Druckmeßgerät über dem Prüfventil 25
eingesetzt werden, um weitere Daten zur Einschätzung des Bohrlochs zu
vermitteln.
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Bilder 2A-2F zeigen einen vergrößerten Aufriß von Werkzeug 30.
Dieses umfaßt ein zylindrisches Außengehäuse, generell als Nummer 32
bezeichnet, versehen mit einem oberen Gehäuseadapter 34, einschließlich
Gewinde 36 zum Anbringen von Werkzeug 30 an das über dem Werkzeug
liegende Teil des Prüfbohrgestänges 10.
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Am unteren Ende des Gehäuses 32 befindet sich ein unterer
Gehäuseadapter 38 (auf Bild 2F), der ein externes Gewindeteil 40 zur Verbindung des
Werkzeuges 30 mit dem unter dem Werkzeug befindlichen Teil des
Prüfbohrgestänges 10 aufweist.
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Das Gehäuse umfaßt ebenfalls einen oberen Gehäuseabschnitt 42,
einen Haltemechanismus-Gehäuseabschnitt 44, Zwischengehäuseabschnitt
46 und einen unteren Gehäuseabschnitt 48. Der Innenraum der Bauteile, aus
denen sich Gehäuse 32 zusammensetzt, bildet einen axialen
Flüssigkeitslaufweg 50 durch Werkzeug 30. Die verschiedenen Gehäuseabschnitte
sowie oberen und unteren Adapter sind über Gewinde miteinander
verschraubt, siehe Zeichnung, wobei jede Gewindeverbindung mit O-Ringen
abgedichtet ist, siehe Darstellungen.
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Generell als 52 angegeben zeigen Bilder 2B und C ein Umlaufventil.
Eine generell rohrförmige Ventilspindel 54 ist im engen Verbund mit dem
Inneren des oberen Gehäuseabschnitts 42 und über O-Ringe 56, 58, 60 und
62 im abdichtenden Verbund damit. Eine obere Ventilhülse 64 ist im engen
Verbund mit dem oberen Gehäuseabschnitt 42 und über Gewinde 66
mit dem oberen Ende der Ventilspindel 54 verschraubt. Ein O-Ring 68 leistet
den abdichtenden Verbund zwischen der radialen Außenfläche der oberen
Ventilhülse 64 und der radialen Innenfläche des oberen Gehäuseabschnitts
42. Über Gewinde 72 wird eine untere Ventilhülse 70, siehe Bild 2C, mit dem
unteren Ende der Ventilspindel 54 verschraubt. Zwei O-Ringe 76 realisieren
den abdichtenden Verbund zwischen der radialen Außenfläche der unteren
Ventilhülse 70 und der radialen Innenfläche des oberen Gehäuseabschnitts
42. Die Ventilspindel 54 beinhaltet ein unteres Prüfventil, generell als 78
bezeichnet. Darin enthalten ist ein widerstandsfähiges Ventilteil 80, das mit
einer ringförmigen Lippe mit radialer Außenfläche 82 versehen ist, die gegen
die radiale Innenfläche der Ventilspindel 54 drückt. Ventilteil 80 wird über ein
Ventilträgerteil 84 gezogen und von diesem getragen. Eine Dichtung 85
erbringt die Abdichtung zwischen der radialen Außenfläche des
Ventilteilträgers und der radialen Innenfläche der Ventilspindel 54. Träger 84
stützt das Ventilteil 80 zur Bildung eines ringförmigen Raumes 86 zwischen
der radialen Außenfläche des Ventilteils und der radialen Innenfläche der
Ventilspindel 54. Durch die Ventilspindel 54 läuft um ihren Umfang eine
Mehrzahl von Bohrlöchern, drunter z. B. Bohrloch 88. Der obere
Gehäuseabschnitt 42 hat mehrere Umlauföffnungen um seinen Umfang, darunter z. B.
Umlauföffnung 90, die eine Flüssigkeitsströmung zwischen der Innen- und
der Außenseite des oberen Gehäuseabschnitts 42 ermöglicht.
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Der Ventilteilträger 84 wird zwischen dem oberen Ende der unteren
Ventilhülse 70 und einem abgeschrägten Ansatz 92 aufgenommen und so an
einer axialen Bewegung im Verhältnis zur Ventilspindel 54 gehindert.
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Auf Bild 2B wird ein oberes Prüfventil generell als 94 angezeigt. Darin
enthalten ist ein widerstandsfähiges Ventilteil 96, das mit einer ringförmigen
Lippe mit radialer Innenfläche 98 versehen ist, die um seinen Umfang
abdichtend gegen die radiale Außenfläche der Ventilspindel 54 drückt. Das
widerstandsfähige Ventilteil 96 wird von einem Ventilpositionsträger 100
abgestützt. Zwischen der radialen Innenfläche des widerstandsfähigen
Ventilteils 96 und der radialen Außenfläche der Ventilspindel bildet sich ein
Raum 102.
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Eine Mehrzahl von Bohrlöchern, generell als 104 bezeichnet, vermitteln
die Flüssigkeitsströmung zwischen dem Innenraum der Ventilspindel 54 und
dem Zwischenraum 102 um den Umfang der Ventilspindel. Der
Ventilteilträger 100 wird zwischen der unteren und oberen Ventilhülse 64 und
einem abgeschrägten Ansatz 106, der an der radialen Außenfläche der
Ventilspindel 54 um ihren Umfang gebildet ist, aufgenommen, wodurch seine
axiale Bewegung im Verhältnis zur Ventilspindel verhindert wird.
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Eine Keilnutspindel 108, Bilder 2C, 2D, 2E und 2F, ist am oberen Ende
über Gewinde 110 mit dem unteren Ende der unteren Spindelhülse 70
verschraubt. Zwischen der radialen Außenfläche der Keilnutspindel 108 und
der radialen Innenfläche des oberen Gehäuseabschnitts 42 bildet sich ein
oberer, ringförmiger Raum 112, der über eine Leistungsöffnung 114 mit der
Außenseite des Werkzeuges verbunden ist.
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Bild 2D zeigt, generell als 115 bezeichnet, eine Spindelhalteeinrichtung.
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Die radiale Außenfläche der Spindel 108 ist um ihren Umfang mit Rillen
116, 118, 120 versehen. Jede der Rillen 116, 118, 120 beinhaltet einen um
ihren Umfang laufenden oberen Ansatz 122, 124, 126, sowie einen um ihren
Umfang laufenden unteren Ansatz 128, 130, 132.
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Um den Umfang der Spindel 108, neben einem ausgesparten Teil 136,
ist ein Ansatz 134 gebildet. In das obere Teil des Haltemechanismus-
Gehäuseabschnitts 44 wird, an dessen radialer Innenfläche, eine O-Ring-
Dichtung 137 zum Abdichten gegen Spindel 108 aufgenommen.
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Zwischen Spindel 108 und Haltemechanismus-Gehäuseabschnitt 44
wird eine Federhalterung 138 oder ein Ring aufgenommen. Die
Federhalterung umfaßt ein oberes abgeschrägtes Teil 140, das größtenteils bündig
auf das auf der radialen Innenfläche des Gehäuseabschnitts 44 gebildete
abgeschrägte Teil paßt. Ein aufwärts abgeschrägter, ringförmiger Ansatz 142
stößt gegen einen entsprechend abwärts gerichteten, ringförmigen Ansatz,
der auf der radialen Innenfläche des Gehäuseabschnitts 44 gebildet ist, der
die Aufwärtsbewegung der Federhalterung 138 im Verhältnis zum
Gehäuseabschnitt 44 verhindert. Auf der radialen Innenfläche der
Federhalterung 138 ist ein abwärts gerichteter Ansatz 144 gebildet. In der auf
Bild 2D dargestellten Form des Werkzeuges bildet die Federhalterung 138,
zwischen der radialen Innenfläche der Federhalterung und Spindel 108, einen
oberen ringförmigen Raum 146. Für alle Werkzeugpositionen ist zwischen
der radialen Innenfläche der Federhalterung 138 und der radialen
Außenfläche einer Feder 150 ein unterer, ringförmiger Raum 148 gebildet;
die Feder wird gleichfalls als ringförmiges Federteil bezeichnet.
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Teile von Feder 150 erscheinen ebenfalls auf Bildern 6-8; die gesamte
Feder erscheint auch alleinständig auf Bildern 10-12. Feder 150 umfaßt eine
Mehrzahl von verlängerten Fingern, wie z. B. Finger 152, 154, 156, etc., die
um ihren Umfang angeordnet sind. Jeder dieser Finger umfaßt, jeweils auf
Fingern 152, 154, 156, ein gekrümmtes Segment oder einen Buckel, wie z. B.
Segmente 158, 160, 162. Zusammen gesehen bilden alle Segmente im
Großen und Ganzen eine Form, die im folgenden als ringförmiger Kranz
bezeichnet wird. Jedes Segment umfaßt einen oberen Ansatz, ähnlich wie
der obere Ansatz 164 auf Segment 158 sowie einen unteren Ansatz, wie der
untere Ansatz 166 auf Segment 158. Jeder der verlängerten Finger, wie
Finger 152, 154, 155 wird durch Ausschneiden von Schlitzen, wie Schlitze
168, 170 aus einem Stück Stahlrohr 172 gebildet. So lassen sich die Finger
im Verhältnis zur längsläufigen Achse des Rohrs 172 nach innen oder außen
vorspannen. Wenn keine Spannkräfte auf die Finger ausgeübt werden, nimmt
die Feder die in den Zeichnungen dargestellte Stellung ein. Am unteren Ende
der Feder sind zwei gegenüberliegende Nasen 174, 176 gebildet. Nase 176
ist gleichfalls auf Bild 6 zu sehen, beide Nasen sind auf Bildern 7 und 8 zu
erkennen.
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Wie oben beschrieben beinhaltet Spindel 108 ein oberes, ausgespartes
Teil 136 mit einem kleineren Außendurchmesser als das Teil der Spindel,
das direkt darunter erscheint. Das Teil, das direkt unter dem ausgesparten
Teil 136 erscheint, beinhaltet zwei gegenüberliegende, längsläufige Schlitze
176, 180 (Bilder 8 und 9), die die Umfangrillen 116, 118, 120 kreuzen. Die
sich gegenüberliegenden Nasen 174, 176 von Feder 150 werden jeweils in
Schlitzen 178, 180 aufgenommen. Schlitz 180 hat ein unteres Ende 182
sowie ein oberes Ende an Ansatz 134. Schlitz 180 umfaßt weiter zwischen
dem unteren Ende 182 des Schlitzes und Rille 120 zwei gegenüberliegende
Seiten 184, 186. Seite 184 erscheint auf Bild 67 mit den ähnlich
angeordneten Seiten 187, 189, 191 von Schlitz 180, jeweils zwischen Rille
120 und Rille 118, zwischen Rille 118 und Rille 116 sowie zwischen Rille 116
und Ansatz 134, was ebenfalls aus Bild 6 erkenntlich ist.
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Nasen 174, 176 auf Feder 150 werden jeweils in Schlitzen 178, 180
aufgenommen. Ebenfalls werden in Schlitzen 178, 180 zwei
gegenüberliegende, axiale Nasen 193, 195 aufgenommen, die auf einer radialen
Innenfläche des Zwischengehäuseabschnitts 46 gebildet sind.
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Zwischen der radialen Außenfläche von Feder 150 und der radialen
Innenfläche des Haltemechanismus-Gehäuseabschnitts 44 ist ein
ringförmiger Raum 188 gebildet.
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Das untere Ende der Feder 150 stößt auf einen aufwärts gerichteten
Ansatz 190 (Bild 2D), der auf der radialen Innenfläche des
Zwischengehäuseabschnitts 46 gebildet ist. Feder 150 wird somit an längsläufigen
Bewegungen im Verhältnis zum zylindrischen Außengehäuse 32 gehindert,
das durch die Gehäuseabschnitte 42, 44, 46 gebildet ist, siehe Bilder 2D und
6.
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Auf Bild 2E ist zu erkennen, daß ein O-Ring 192 das obere Ende eines
unteren, ringförmigen Raumes 194 bildet, dessen äußere Grenze die radiale
Innenfläche des unteren Gehäuseabschnitts 48 darstellt. Die radiale innere
Grenze des Raumes 194 wird durch die Außenfläche der Spindel 108 sowie
durch die Außenfläche einer unteren Spindel 196 gebildet, die durch
Verschraubung mit dem unteren Ende der Keilnutspindel 108 über Gewinde
1098 abgesichert ist.
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Am unteren Ende des ringförmigen Raumes 194 befindet sich ein
ringförmiger, schwimmender Kolben 200. Kolben 200 steht abdichtend und
schiebfähig im Verbund mit der radialen Außenfläche der unteren Spindel
196 und der radialen Innenfläche des unteren Gehäuseabschnitts 48. Der
untere ringförmige Raum 194 ist mit Öl gefüllt, das die Schmierung der
beweglichen Teile bewirkt, die im folgenden näher erläutert werden und die
sich im Raum 194 befinden. Die Unterseite des schwimmenden Kolbens 200
steht über Öffnung 202, die durch die Wand des unteren Gehäuseabschnitts
48 gebildet ist, im Flüssigkeitsverbund mit der Außenseite von Werkzeug 30.
Der schwimmende Kolben verhindert ein Vermischen von Spülschlamm und
anderen Kontaminanten im Bohrloch mit dem Öl im ringförmigen Raum 194
über dem schwimmenden Kolben. Bild 2E zeigt eine Rasthülse 204, die eng
über eine Keilnutspindel 108 paßt, deren axiale Bewegung entlang der
Spindel durch einen abwärts gerichteten Ansatz 206, der auf der Spindel 108
gebildet ist sowie Oberfläche der unteren Spindel 196, verhindert wird. Für
eine bessere Ansicht des mit der Rasthülse 204 zusammenhängenden
Aufbaus. Siehe Bild 5.
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Eine äußere, zylindrische Fläche 208 auf der Rasthülse 204 umfaßt
einen durchgehenden Schlitz, der generell als 210 bezeichnet wird. Schlitz
210 beinhaltet ein sich wiederholendes Zick-Zack-Teil 212, das die Hülse
204 im Gegenuhrzeigersinn dreht (Draufsicht), wenn die Spindel 108 im
Verhältnis zum zylindrischen Außengehäuse 32 hin- und herbewegt wird.
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Schlitz 210 umfaßt weitere erste und zweite senkrechte Schlitzteile 214,
216. Jedes dieser Schlitzteile 214, 216 umfaßt einen oberen und unteren
Ausleger, z. B. den oberen Ausleger 218 und unterer Ausleger 220 in Schlitz
214. Die Verbindungsschlitzteile 222, 224 verbinden das sich wiederholende
Zick-Zack-Teil 212 mit den senkrechten Schlitzteilen 214, 216. Das Zick-
Zack-Teil 212 beinhaltet einen ersten Ausleger 226 mit einer oberen Fläche
228 und einer unteren Fläche 230. Alle weiteren Ausleger im Zick-Zack-Teil
212 umfassen ähnliche obere und untere Flächen. Gleichweise umfassen
alle senkrechten Teile 214, 216 obere und untere Flächen, wie die obere
Fläche 232 und untere Fläche 234 im Schlitzteil 214. In das Schlitzteil 214
und spezifisch in das untere Teil des Schlitzes, siehe Bilder 5 und 2E, wird
eine Kugel vorgespannt.
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Auf Bild 2E ist die Kugel 236 auf einer radialen Innenfläche eines
ringförmigen Ansatzes 238 montiert, der auf der radialen Innenfläche des
unteren Gehäuseabschnitts 48 gebildet ist. Für eine nähere Erläuterung der
Kugel 236, ihren zugehörigen Aufbau und die Art und Weise, in der die Kugel
236 mit der Rasthülse 204 zusammenwirkt, siehe US Patent Nr. 4.355.685
laut Beck und dessen Beschreibung hier bezug genommen wird.
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Auf der radialen Innenfläche des unteren Gehäuseabschnitts 48 ist um
seinen Umfang ein ringförmiger Ansatz 240 gebildet. Der ringförmige Ansatz
240 beinhaltet zwei gegenüberliegende Schlitze 242, 244, siehe Bild 4.
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Der ringförmige Ansatz 238 beinhaltet zwei gegenüberliegende Schlitze
246, 248, wobei Schlitz 246 axial mit Schlitz 242 und Schlitz 248 axial mit
Schlitz 244 abgestimmt ist.
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Die Rasthülse 204 umfaßt zwei gegenüberliegende Lastnasen 250, 252,
siehe Bild 4. In der Ansicht auf Bild 4 werden die gegenüberliegenden Nasen
250, 252 jeweils in Schlitzen 244, 242 aufgenommen. Die Lastnase 252 ist
aus Bild 5 zu erkennen und wird als gestrichelte Linie auf Bild 2E dargestellt,
womit angegeben wird, wo sich die Lastnase 252 an der Rückseite der
Rasthülse 204 befindet, wobei Nase 250 in der Viertelsicht halb
weggeschnitten und halb vom unteren Gehäuseabschnitt 48 abgedeckt ist.
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Die Lastnase 252 umfaßt eine obere Anstoßfläche 254 sowie eine
untere Anstoßfläche 256. Die Anstoßflächen 254, 256 setzen sich jeweils aus
den oberen und unteren Flächen der Lastnase zusammen, die aus Fläche
208 der Rasthülse 204 vorsteht.
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Auf Bild 2E umfaßt der ringförmige Ansatz 240 jeweils die oberen und
unteren Anstoßflächen 258, 260.
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Auf Bild 2E beinhaltet Ansatz 238 zusätzlich jeweils die oberen und
unteren Anstoßflächen 262, 264. Die obere Fläche der unteren Spindel 196
umfaßt eine Anstoßfläche 266, wobei Fläche 264, in der Sicht auf Bild 2E, auf
Fläche 266 trifft.
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Zusätzliche Anstoßflächen sind aus Bildern 2C und 2D zu erkennen
darunter Fläche 268 am unteren Ende der unteren Ventilhülse 70 und Fläche
270 am oberen Ende des Haltemechanismus-Gehäuseabschnitts 44. Wie im
folgenden erläutert, wirken die verschiedenen Anstoßflächen zusammen, um
die axiale Bewegung der Ventilspindel 54 einzuschränken und versetzen das
Ventil somit entweder in einen geschlossenen Zustand, in einen Zustand zum
Umwälzen von Flüssigkeiten oder in einen Zustand zum Umkehren der
Flüssigkeitsumwälzung.
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Bei der Montage von Werkzeug 30 wird der untere Gehäuseadapter 38
über die auf Bild 2F dargestellten Gewinde mit dem unteren
Gehäuseabschnitt 48 verschraubt. Danach wird die Spindel 108, zusammen mit der dort
aufgenommenen Rasthülse 204, in den unteren Gehäuseabschnitt 48
abgesenkt. Danach wird der Zwischengehäuseabschnitt 46 mit
gegenüberliegenden Nasen 193, 195, die jeweils mit den
gegenüberliegenden Schlitzen 178, 180 in Spindel 108 abgestimmt und darin
aufgenommen sind, über Spindel 108 gezogen. Abschnitt 46 wird soweit
abgesenkt, bis die unteren Gewinde in die oberen Gewinde des
Gehäuseabschnitts 48 eingreifen. Dann wird Abschnitt 46 gedreht, wodurch
gleichfalls Spindel 108 mitgedreht wird, da die Nasen 193, 195 in die Schlitze
178, 180 eingreifen. Wenn Abschnitte 46, 48 fest miteinander verschraubt
sind, wird das untere Ende der Feder 150 über dem oberen Ende der Spindel
108 montiert und in Richtung ihrer Installationsposition geschoben, siehe
Bilder 2D und 6. Die Nasen 174, 176 werden jeweils in den Schlitzen 178,
180 aufgenommen. Zu erkennen ist, daß, wenn die Segmente der Feder,
wie z. B. Segment 158, an den Ansatz 134 auf Spindel 108 anstoßen, eine
weitere Abwärtsbewegung der Feder verhindert wird.
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Die Federhalterung 138 wird als Werkzeug zum Spreizen der
Federfinger radial nach außen benutzt, um jedes der Federsegmente in einer
radialen, äußeren Position zu halten, um den Einschub der Feder in ihre
Installationslage zu ermöglichen. Die Federhalterung 138 wird in
umgekehrter Lage zu der auf Bildern 6 und 2D dargestellten über Spindel
108 installiert. Das heißt, Abschrägung 140 auf Federhalterung 138 wird
direkt nach unten in Richtung der oberen Spitzen der Federfinger gelenkt.
Die Federhalterung 138 wird gegen das obere Teil der Feder gedrückt,
wodurch alle Federfinger, wie z. B. Finger 152, 154, 156, nach außen
gespannt werden, wenn die radialen Innenflächen des oberen Teils aller
Federfinger auf das abgeschrägte Teil 140 der Federhalterung 138 treffen.
Die Federhalterung 138 wird soweit in das obere Teil der Feder
aufgenommen, daß die Finger nach außen gespreizt werden, um es allen
Federsegmenten, wie z. B. Segmenten 158, 160, 162, zu ermöglichen, sich
von Ansatz 134 und allen Ansätzen in den Rillen 116, 118, 120 abzuheben.
So kann sich das untere Ende der Feder Ansatz 190 auf Bild 2D nähern.
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Zu erkennen ist, daß Nasen 174, 176 der Feder in die Schlitze 178, 180
aufgenommen werden, während sich die Feder auf ihre Installationsposition
absetzt. Wenn die Feder auf die Position auf Bild 2D abgesenkt wird, zieht
sich die Federhalterung 138 aus der Feder zurück, was es den Fingern
ermöglicht, in den spannungslosen Zustand zurückzugehen,
wodurch die Segmente, wie z. B. Segmente 158, 160, 162, der Feder in Rille
120 aufgenommen werden, siehe Bild 2D.
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Danach wird die Federhalterung 138 aus Spindel 108 zurückgezogen,
umgedreht und über die Spindel abgesenkt, bis sie die Position auf Bild 2D
einnimmt. Dann wird der Haltemechanismus-Gehäuseabschnitt 44 über die
Spindel abgesenkt und mit den Gewinden an seinem unteren Ende mit
Abschnitt 46 verschraubt, siehe Bild 2D.
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Die Federhalterung 138 läßt sich beim Verschrauben des
Gehäuseabschnitts 44 mit Gehäuseabschnitt 46 im Verhältnis zu Gehäuseabschnitt 44
und zu den Federfingern von Feder 150 drehen. Die Nasen 193, 195 am
Zwischengehäuseabschnitt 46 werden in Spindel 108 aufgenommen und
verhindern so eine Spindeldrehung, während der Haltemechanismus-
Gehäuseabschnitt 44 mit Abschnitt 46 verschraubt wird. Gleichweise werden
die Nasen 174, 176 auf Feder 150 jeweils in Schlitze 178, 180 der Spindel
180 aufgenommen, wodurch ein Drehen der Feder 150 verhindert wird,
während Abschnitt 44 mit Abschnitt 46 verschraubt wird. Drehen der
Federhalterung 138 beim Verschrauben von Abschnitt 44 mit Abschnitt 46
verhindert ein Festfahren der Finger an Gehäuseabschnitt 44, welcher Fall
eintreten würde, wenn ein abwärts gerichteter Ansatz auf Abschnitt 44 zur
Verhinderung einer Aufwärtsbewegung von Feder 150 gebildet würde. Das
heißt, sollte sich die Federhalterung 138 an Gehäuseabschnitt 44 festsetzen,
kann sich die Federhalterung im Verhältnis zu den Federfingern weiter frei
drehen. Sollte sich dagegen die Halterung an den Fingern festfahren, läßt
sich der Gehäuseabschnitt 44 im Verhältnis zur Federhalterung frei drehen.
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So dient die Federhalterung als Werkzeug zur Unterstützung der
Montage des Haltemechanismus und verhindert danach, bei
abgeschlossener Installation, eine Beschädigung der Federfinger, wenn
Gehäuseabschnitt 44 hinzugefügt wird.
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Eine fachkundige Person wird zweifellos erkennen, wie die restlichen
Komponenten des Werkzeuges zusammenzubauen sind, um das Werkzeug
in den auf Bildern 2A-2F gezeigten Zustand zu versetzen.
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Im Betriebseinsatz wird Spindel 108, vor Anhängen von Werkzeug 30
an ein Bohrgestänge in einem Bohrloch, im Verhältnis zu Gehäuse 32 axial
hin- und herbewegt, um die Kugel 236 in das untere Ende des Auslegers 226
zu bringen, siehe gestrichelte Linie, Bild 5. In dieser Position befindet sich die
Kugel 236 neben der unteren Fläche 230. Wenn sich die Kugel 236 im
unteren Teil von Ausleger 226 neben Fläche 230 befindet, treffen die
Stoßfläche 254 von Nase 252 und die obere Fläche der gegenüberliegenden
Lastnase auf Stoßfläche 260 an der Unterseite des ringförmigen Ansatzes
240. Bei solchem Anstoßen der Flächen 254, 260 trifft Kugel 236 nicht auf
Fläche 230 im unteren Teil des Auslegers 226, sondern liegt gerade
daneben.
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Wenn die Keilnutspindel 108, wie oben beschrieben, mit Kugel 236 im
Ausleger 226 positioniert ist, wird die Ventilspindel 54 über die
Umlauföffnung 90 auf Bild 2C, zwischen den O-Ringen 58, 60, positioniert. So wird
Flüssigkeitsströmung zwischen Laufweg 50 und der Außenseite des
Werkzeuges 30 verhindert. Auch der größtenteils ringförmige Kranz, der
durch die Segmente, wie Segmente 158, 160, 162, auf der radialen
Innenseite der Feder gebildet ist, wird in Rille 118 aufgenommen, wenn die
Keilnutspindel 108 so positioniert ist. Wie im weiteren erläutert, können
die Federsegmente ähnlicherweise in alle auf Spindel 108 gebildeten Rillen
und gegen Ansatz 134 auf Spindel 108 aufgenommen werden, während sich
Spindel 108 im zylindrischen Gehäuse 32 axial verschiebt.
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Das wie oben erläutert konfigurierte Werkzeug wird in das
Bohrgestänge aufgenommen und, wie auf Bild 1 dargestellt, in das Bohrloch
abgelassen. Bei dieser Anordnung können Flüssigkeiten in das
Bohrgestänge, an dem Werkzeug 30 aufgehangen ist, zur Spaltenbildung
oder zum Einspritzen von Säure in Formationen, gepumpt werden. Der
Ringraum zwischen Werkzeug 30 und dem Bohrloch kann gleichfalls unter
Druck gesetzt werden, um verschiedene Werkzeuge in der
Schwerstangenprüfanordnung zu aktivieren.
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Wenn Flüssigkeiten in das Bohrgestänge eingepumpt werden, an dem
das Werkzeug hängt und die Kugel 236 sich im unteren Teil des Auslegers
226 befindet, wird Laufweg 50 unter Druck gestellt, was die Keilnutspindel
108 nach unten gedrückt. Spindel 108 wird infolge der Funktion eines
ringförmigen Kolbens, der effektiv durch Spindel 108 und Hülse 70 gebildet
wird, unter Druck nach unten gezwungen. Die effektiven Durchmesser
werden durch die zwei O-Ringe 76 auf Bild 2C sowie einen O-Ring 137, der
auf Bild 2D erkenntlich ist, bestimmt. Flüssigkeitsdruck in Laufweg 50 wirkt im
Bereich des Flächenunterschieds zwischen den zwei O-Ringen 76 und O-
Ring 137, um die Keilnutspindel 108 nach unten zu zwingen.
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Aus Bild 2D läßt sich erkennen, daß ein solcher, abwärts wirkender
Druck auf Spindel 108 das Anstoßen von Ansatz 124 auf Ansatz 164 bewirkt,
der dann in Rille 118 auf Segment 158 von
Feder 150 in gleicher Weise aufgenommen wird, wie Segment 158 in Rille
120, siehe Darstellung. Auf ähnliche Weise stößt Ansatz 124 gegen die
oberen Ansätze aller Federsegmente. Wenn der auf die obere Seite des
ringförmigen Kolbens angesetzte Druck in Laufweg 50 um einen
vorbestimmten Wert höher geht als der Druck im Ringraum, der über Öffnung
114 an der Unterseite des ringförmigen Kolbens angesetzt wird, biegen sich
alle Federfinger, wie z. B. Finger 152, 154, 156 in Feder 150 infolge der
Spreizwirkung von Ansatz 124 auf Spindel 108 nach außen gegen die oberen
Ansätze der Segmente, ähnlich wie Ansatz 164. In dieser Form der Erfindung
liegt der erforderliche Druckunterschied bei ca. 2,1 MPa. Wenn Ansatz 124
abwärts gegen Ansatz 164 läuft, läßt sich feststellen, daß sich die Feder
nach außen verbiegt (Raum 188) und die radiale Innenfläche aller Segmente,
wie Segmente 158, 160, 162, generell bündig über Rille 118 an der radialen
Außenfläche der Spindel 108 anliegt.
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Wenn die Segmente so an Spindel 108 anliegen, läßt sich die Spindel
frei zu den Segmenten verschieben und läuft weiter abwärts, bis Kugel 236
im oberen Teil von Ausleger 226 steht, d. h. neben Fläche 228, siehe
gestrichelte Linie, Bild 5. Wenn die Kugel so positioniert ist, werden Segment
158 sowie alle weiteren Segmente in Rille 116 aufgenommen; die Finger von
Feder 150 sind dann nicht mehr länger nach außen gespreizt.
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Zu beachten ist, daß die Abwärtsbewegung der Spindel 108 zum
Abschluß kommt, wenn die untere Fläche 256 der Lastnase 252 und die
untere Anstoßfläche der gegenüberliegenden Lastnase auf die obere
Anstoßfläche 262 von Ansatz 238 trifft. Dies tritt ein, wenn sich Kugel 236 in
der durch gestrichelte Linie dargestellten Position neben der oberen Fläche
228 befindet. Dieser Anstoß verhindert das Aufprallen mit nennenswerter
Kraft von Kugel 236 auf Fläche 228.
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Sobald die Abwärtsbewegung von Spindel 108 durch Aufprallen auf die
Anstoßflächen wie oben beschrieben zum Abschluß kommt, werden Segment
158 sowie alle anderen Segmente in Rille 116 aufgenommen. Wenn bei
dieser Anordnung des Werkzeuges der Druck im Ringraum ansteigen oder
der Druck in Laufweg abfallen sollte, so daß der Druck an der Unterseite des
ringförmigen Kolbens höher steht, als der an der Oberseite, wird der untere
Ansatz 128 in Rille 116 gegen den unteren Ansatz 166 von Segment 158
sowie alle unteren Ansätze der anderen Segmente gedrückt. So wird Spindel
108 an einer Aufwärtsbewegung gehindert, bis der Aufwärtsdruck, der auf die
Unterseite des Kolbens einwirkt, hoch genug ist, um Feder 150 nach außen
zu drücken, wodurch die Segmente an die radiale Außenfläche von Spindel
108 unterhalb von Rille 116 gedrückt werden. Wie schon oben erwähnt,
erfordert diese Form der Erfindung einen positiven Druck im Ringraum im
Verhältnis zum Laufweg 50 von 2,1 MPa, um Spindel 108 lösen zu können.
Deshalb sind Druckstöße der Pumpe an der Oberfläche, wie sie bei Abzug
des Bohrgestänges aus dem Bohrloch auftreten können, nicht ausreichend,
um Spindel 108 ungewollt aus der Stellung zu ziehen, in der sie von Feder
150 gehalten wird.
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Wird andererseits ein ausreichend hoher Differentialdruck angesetzt,
um Feder 150 nach außen zu biegen, stoßen die radialen Innenflächen aller
Segmente, wie z. B. Segment 158, in der Feder bündig auf die radiale
Außenfläche von Spindel 108 und ermöglichen die axiale Spindelbewegung
im Verhältnis zur Feder in Reaktion auf Druckunterschiede von weitaus
weniger als 2,1 MPa.
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Nachdem Kugel 236 im oberen Teil des Auslegers 226 positioniert ist,
kann es u. U. wünschenswert oder erforderlich sein, ein Werkzeug in der
Schwerstangenprüfanordnung zu aktivieren, indem Druck auf den Ringraum
zwischen Bohrgestänge und Bohrloch angesetzt wird. Neben dem
hydrostatischen Druck im Ringraum wird solcher Druck über Öffnung 114,
Bild 2D, an den ringförmigen Raum 112 weitergeleitet und dient dazu, die
Spindel 108 im Verhältnis zum Gehäuse 32 aufwärts zu zwingen. Geht
solcher Druck bei dieser Form der Erfindung über 2,1 MPa, biegt sich Feder
150 nach außen und die Spindel 108 läuft soweit aufwärts, bis Kugel 236 im
oberen Teil des Auslegers neben Ausleger 226 aufgenommen wird. Weiter
oben kommt die Kolben-Spindelbewegung durch Anstoß von Fläche 254 an
Anstoßfläche 260 an der Unterseite des ringförmigen Ansatzes 240 zum
Stillstand. Bei Auftreten eines solchen Anstoßes gehen die Segmente der
Feder 150 wieder in die Rille 118 von Spindel 108 und verhindern, daß sich
die Spindel axial nach oben bewegt, bis der Aufwärtsdruck gegen den
ringförmigen Kolben höher als 2,1 MPa geht.
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Wenn Kugel 236 im Zick-Zack-Teil 212 aufgenommen ist, obwohl
Spindel 108 (und somit Ventilspindel 54) zwischen den oberen und unteren
Teilen von Schlitz 212 hin- und herbewegt wird, liegt Umlauföffnung 90 immer
zwischen O-Ringen 58, 60, wodurch die Umlauföffnung keine
Flüssigkeitsströmung zwischen dem Werkzeuginneren und -äußeren zuläßt.
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Zu erkennen ist, daß durch abwechselndes Pumpen in das
Bohrgestänge und den Ringraum oder Abwärtspumpen und Entspannen des
Drucks im Bohrgestänge, Kugel 236 schrittweise entlang dem Zick-Zack-Teil
212 bewegt wird, bis es im oberen Teil des Auslegers, direkt rechts von
Schlitzteil 222, aufgenommen wird. Jedesmal, wenn Kugel 236 in einem der
obersten Ausleger des Zick-Zack-Teils 212 aufgenommen wird, wie durch die
gestrichelte Linie neben der oberen Fläche gezeigt wird, werden die
Federsegmente, wie z. B. Segment 158, in Rille 116 aufgenommen.
Jedesmal, wenn Kugel 236 in einem der untersten Ausleger des Zick-Zack-
Teils 212 aufgenommen wird, wie durch die gestrichelte Linie neben der
unteren Fläche 230 gezeigt wird, werden Segment 158 und alle anderen
Segmente in Feder 150 in Rille 118 aufgenommen. Wie schon erwähnt, ist
ein Druckunterschied von ca. 2,1 MPa zwischen Laufweg 50 und Ringraum
erforderlich, um Spindel 108 zwischen der Stellung, in der Segment 158 und
alle anderen Segmente in Feder 150 in Rille 116 aufgenommen werden und
der Stellung, in der die Segmente in Rille 118 aufgenommen werden, zu
bewegen.
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Wird der Druck im Bohrgestänge entspannt, wirkt sich der normale
hydrostatische Druck im Ringraum über Öffnung 114 auf Spindel 108 aus
und zwingt sie im Verhältnis zum zylindrischen Gehäuse 32 nach oben. Aus
diesem Grund muß der Ringraum nicht unter Druck gesetzt werden, um die
Spindel 108 axial hin- und herzubewegen und das Zick-Zack-Teil 212 im
Verhältnis zur Kugel zu bewegen.
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Wenn Kugel 236 im oberen Teil des Auslegers direkt rechts neben dem
Schlitzteil 222 aufgenommen wird, kann Ringraumdruck angesetzt oder
Bohrgestängedruck entspannt werden, bis der Ringraumdruck (um 2,1 MPa)
höher steht, als der Druck in Laufweg 50, um die Spindel 108 nach oben zu
zwingen, wodurch Kugel 236 erst in das Schlitzteil 222 eintritt, dann in den
unteren Ausleger 220, während die Spindel weiter aufwärts läuft. Die
Stoßfläche 254 trifft nicht auf Stoßfläche 260 an der unteren Fläche von
Ansatz 240, wie beim Hin- und Herbewegen der Kolbenspindel, wenn Kugel
236 im Zick-Zack-Teil 212 aufgenommen ist. Dieser Umstand beruht auf der
Tatsache, daß die Lastnasen 250, 252 in den Schlitzen 242, 244
aufgenommen werden, siehe Bild 4, wodurch die Abwärtsbewegung der
Kugel 236 im unteren Ausläufer 220 ermöglicht wird.
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Kurz vor Anstoß der Kugel 236 an der unteren Fläche 234 trifft die
Stoßfläche 264 der Unterseite von Ansatz 238 auf Fläche 266 an der
Oberseite der unteren Spindel 196, wodurch der weitere Spindel lauf
verhindert und Kugel 236 daran gehindert wird, eine nennenswerte Axiallast
aufzunehmen. Dabei werden Segment 158 sowie alle weiteren
Federsegmente in Rille 120 aufgenommen, siehe Bild 2D. So steht das
Werkzeug in der auf Bildern 2A-2F dargestellten Konfiguration.
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Während sich Spindel 108 von der Position entfernt, in der Kugel 236
im oberen Teil des Auslegers direkt rechts neben Schlitzteil 222
aufgenommen wird, bis Kugel 236 im untersten Teil von Ausleger 220
aufgenommen wird, siehe Bild 5, ändern sich die Federsegmente von einer
Position, in der sie in Rille 116 aufgenommen werden, auf eine Position, in
der sie in Rille 120 aufgenommen werden, siehe Bild 2D. Für diesen Verlauf
gehen die Segmente vorübergehend durch Rille 118. Obwohl, wie schon
beschrieben, ein Druckunterschied von 2,1 MPa realisiert werden muß, um
die Aufwärtsbewegung der Spindel 108 einzuleiten, muß der Druck nach
Realisierung dieser Bewegung wegen des Moments der Spindel nicht
aufrechterhalten bleiben, selbst wenn die Segmente Rille 118 durchlaufen.
Wichtig ist, daß das Spindelmoment beim Lauf der Spindel in seine höchste
Stellung aufrechterhalten bleibt, siehe Zeichnungen. Zu erkennen ist, daß
beim Aufwärtslauf der Spindel 108 Dichtungen 60, 62 über die Öffnung
gehen. Sobald 62 über dem untersten Teil der Öffnung ist, beginnt der
Umlauf in umgekehrter Richtung durch Öffnung 90. Nachdem dieser Umstand
eingetreten ist, führt eine nennenswerte Druckerhöhung im Ringraum
lediglich zu erhöhter Rückwärtsströmung, anstelle den Ringraum 112 über
Öffnung 114 unter Druck zu stellen. Aus diesem Grund ist es wichtig, daß ein
ausreichendes Aufwärtsmoment der Spindel 108 realisiert wird, um die
Spindelbewegung soweit fortzusetzen, bis sie ihre oberste Position erreicht,
siehe Zeichnungen. Da die radialen Innenflächen der Federsegmente
während ihres Vorbeilaufs nur einen äußerst geringen Widerstand auf die
radiale Außenfläche der Spindel ausüben, erfolgt keine Beeinträchtigung des
Spindelmoments durch die Federsegmente. Nachdem ausreichend
Aufwärtskraft zum Einleiten der Spindelbewegung aus der Position erzeugt
wird, in der die Federsegmente im Kranz 116 der Spindel aufgenommen
werden, läuft die Spindel mit Leichtigkeit in ihre höchste Stellung, siehe
Zeichnungen.
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Wenn das Werkzeug wie auf Bildern 2A-2F konfiguriert ist, steht die
Ventilspindel 54 im Verhältnis zur Öffnung 90 wie auf Bild 2C. Bei dieser
Stellung kann Flüssigkeit in umgekehrter Richtung über einen zwischen der
radialen Innenfläche der Ventilspindel 54 und Oberfläche 82 des Ventilteils
80 gebildeten Kanals durch Öffnung 90 (und andere Umlauföffnungen),
Bohrung 88 (sowie die anderen Bohrlöcher um die Peripherie der
Ventilspindel 54 neben Bohrloch 88) in dem Ringraum 86 an der radialen
Innenfläche der Ventilspindel 54 und in Laufweg 50, umlaufen werden.
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Wenn Ventilspindel 54 also in der auf Bild 2C gezeigten Konfiguration
ist, kann das Bohrloch umgekehrt um laufen werden, wegen der Wirkung des
widerstandsfähigen Ventilteils 80 kann das Bohrloch jedoch nicht von
Bohrgestänge in den Ringraum umlaufen werden. Wenn der in Laufweg 50
anstehende Druck höher ist als der Druck im Bohrlochringraum, dichtet
Fläche 82 die radiale Innenfläche der Ventilspindel ab, wodurch eine
Strömung zwischen Laufweg 50 und Ringraum verhindert wird.
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Da eine solche Strömung nicht auftreten darf, wenn das Werkzeug in
den Umlaufzustand zu versetzen ist, kann Laufweg 50 unter Druck gestellt
werden (indem in das Bohrgestänge gepumpt wird). Wenn die
Kranzsegmente in Rille 120 aufgenommen sind, muß der Druck in Laufweg 50 ca.
2,1 MPa höher sein, als der Druck im Ringraum, andernfalls läßt sich
keine Abwärtsbewegung von Spindel 108 realisieren. Beim Auftreten eines
solchen Druckes biegt sich Feder 150 infolge der Wirkung von Ansatz 126,
der gegen Ansatz 164 drückt, siehe Bild 2D, radial nach außen. Danach
gehen die Innenflächen aller Segmente in Feder 150 zwischen Rillen 120,
118 soweit gegen die radiale Außenfläche von Spindel 108, bis die
Segmente in Rille 118 aufgenommen werden. Während eines solchen Laufs
von Spindel 108 wird durch die Wirkung der radialen Innenfläche der
Segmente von Feder 150 nur ganz geringer Widerstand auf die radiale
Außenfläche der Spindel ausgeübt.
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Während Spindel 108 nach unten gezwungen wird, geht Kugel 236 in
Ausleger 220 aufwärts in den Ausleger 218, bis die Kugel neben Fläche 232
ist. Kurz von Aufprall der Kugel 236 auf Fläche 232 trifft Fläche 268 am
unteren Ende der Ventilhülse 70 auf Fläche 270 am oberen Ende des
Haltemechanismus-Gehäuseabschnitts 44, wodurch die weitere
Abwärtsbewegung von Spindel 108 und die Auswirkung nennenswerter Kräfte durch
Kugel 236 als Folge des Aufpralls auf Fläche 232 verhindert werden.
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Bei der Bewegung der Spindel von ihrer höchsten Position, siehe
Zeichnungen, in ihre unterste Position, werden die Segmente von Feder 150
vorübergehend erst in Rille 118 und dann in Rille 116 aufgenommen.
Während es erforderlich ist, in Laufweg 50 einen Druck von ca. 2,1 MPa zu
realisieren, um die Federsegmente aus Rille 120 nach außen zu zwingen,
damit die Spindelbewegung eingeleitet werden kann, muß der 2,1 MPa
Druckunterschied nicht aufrechterhalten werden, um die Federsegmente in
die und aus den Rillen 118, 116 zu bewegen, da das Moment von Spindel
108 genug Kraft erzeugt, um die Segmente, infolge der Auswirkung des
Kontakts zwischen den Rillenansätzen und den Ansätzen der Segmente,
aus den Rillen zu forcieren. Nachdem Rille 116 in Spindel 108 unter die
Segmente von Feder 150 geht, werden die radialen Innenflächen aller
Federsegmente gegen die radiale Außenfläche von Spindel 108 zwischen
Rille 116 und Ansatz 134 gedrückt. Sobald Kugel 236 neben Fläche 232 im
oberen Ausleger 218 aufgenommen wird, werden Ansatz 166 auf Segment
158 und allen anderen Segmente der unteren Ansätze gegen Ansatz 134
gedrückt. So wird Spindel 108 infolge des Anstoßes auf Flächen 268, 270 an
weiterer Aufwärtsbewegung und infolge der Funktion der unteren Ansätze
aller Segmente, die auf Ansatz 134 an Spindel 108 treffen, an weiterer
Abwärtsbewegung gehindert, bis der Druck in Laufweg 50 um ca. 2,1 MPa
höher geht als der Druck im Ringraum. Bedeutend ist, daß das
Spindelmoment während des Abwärtslaufs der Spindel 108 aufrechterhalten
bleibt, nachdem Rille 116 unter die Federsegmente läuft. Sobald O-Ring 56
(auf Bild 2B) unter die Umlauföffnung 90 geht, beginnt durch Öffnung 90 der
Umlauf zwischen Laufweg 50 und dem Ringraum. Erhöhen des
Bohrgestängedrucks führt dann lediglich dazu, diese Strömungsrate zu
erhöhen, anstelle Spindel 108 nach unten zu forcieren. Wie schon im Fall der
Spindelbewegung in umgekehrter Umlaufposition, übt die Wirkung von Feder
150 keinen nennenswerten Widerstand auf Spindel 108 aus, nachdem sie
sich in Bewegung gesetzt hat. Somit kann die Spindelbewegung in die
komplett geöffnete, positive Umlaufposition erfolgen, wobei der
Segmentansatz 166 auf Spindelansatz 134 trifft.
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Wenn Spindel 108 in ihrem tiefsten Zustand ist, befindet sich O-Ring 56
der Ventilspindel 54 unter der Umlauföffnung 90, wodurch der Umlauf von
Laufweg 50 in das Bohrloch wie folgt ermöglicht wird. Wenn der Druck in
Laufweg 50 höher geht als der im Ringraum, strömt Flüssigkeit durch
Bohrlöcher 104 in Ringraum 102 zwischen Fläche 98 und der radialen Fläche
der Ventilspindel 54 sowie durch Öffnung 90 in den Ringraum ein.
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Wenn bei dieser Konfiguration der Ringraumdruck höher geht als der in
Laufweg 50, kommt es zu keiner Strömung durch Öffnung 90, weil Fläche 98
im abdichtenden Verbund mit der radialen Außenfläche von Ventilspindel 54
steht.
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Sollte es wünschenswert sein, das Werkzeug in die geschlossene
Position, bei der weder Umlauf noch umgekehrter Umlauf zustande kommen
kann, zurückzuversetzen, wird der Ringraum unter Druck gestellt (oder der
Druck im Bohrgestänge reduziert), bis der Ringraumdruck mindestens 2,1
MPa höher steht, als der im Bohrgestänge. Unter solchen Umständen gehen
die unteren Ansätze aller Federsegmente, wie z. B. der untere Ansatz 166 von
Segment 158, abwärts auf Ansatz 134 auf Spindel 108, wodurch Spindel 108
aufwärts getrieben und Kugel 236 in Ausleger 218 abwärts und in das Zick-
Zack-Teil (ohne Darstellung) von Fläche 208, gegenüber dem Zick-Zack-Teil
212, getrieben wird.
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Das Werkzeug ist dann wieder in solchem Zustand, der wiederholtes,
abwechselndes Ansetzen von Ringraum- und Bohrgestängedruck oder
Ansetzen und Entspannen des Bohrgestängedrucks zuläßt, ohne das
Werkzeug in die Umlauf- oder umgekehrte Umlaufstellung zu versetzen.
Diese abwechselnden Druckveränderungen müssen Druckunterschiede
zwischen dem zentralen Flüssigkeitslaufweg des Werkzeuges und dem
Ringraum von mindestens 2,1 MPa realisieren, wodurch Pumpenstößen und
Druckunterschieden, die während Anheben und Absenken des
Bohrgestänges durch unbeabsichtigte Aktivierung der Spindel 108 in andere
Positionen entstehen, vorgebeugt wird. Im Werkzeug der bevorzugten Form
ist zu erkennen, daß der Druck im Bohrgestänge fünfmal anzusetzen und zu
entspannen ist, bis sich das Werkzeug wieder im Zustand für den
umgekehrten Umlauf befindet. Danach versetzt Druckansatz im
Bohrgestänge das Werkzeug in einen Zustand, der einen Umlauf zuläßt, wie
z. B. das Tropfen von Flüssigkeiten in das Bohrloch neben dem Werkzeug.
Fachkundige werden erkennen, daß mehr oder weniger als fünf Zyklen durch
Ändern der Konfiguration des Schlitzes möglich sind, in dem Kugel 236
aufgenommen wird.
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Zu erkennen ist, daß das Werkzeug entweder das Pumpen von
Flüssigkeiten in die Formation oder den Betrieb verschiedener Werkzeuge
durch Unterdrucksetzen des Bohrloches ermöglicht, ohne das Werkzeug in
einen Umlauf- oder umgekehrten Umlaufzustand zu versetzen, bis Ringraum
und Bohrgestänge mehrmals in festgelegter Frequenz unter Druck gesetzt
worden sind. Dieses abwechselnde Unterdrucksetzen muß, für diese Form
der Erfindung, wie schon erläutert, einen Druckunterschied von mindestens
2,1 MPa realisieren. Fachkundigen wird deutlich sein, daß das Werkzeug so
ausgelegt sein kann, daß Druckunterschiede von mehr oder weniger als 2,1
MPa erforderlich sind, um das Werkzeug in eine andere Lage zu takten.
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Das Werkzeug dieser Erfindung läßt eine umgekehrte Strömung von
Flüssigkeiten aus dem Bohrgestänge sowie nachfolgendes Tropfen von
Flüssigkeiten, wie z. B. Stickstoff, in das Bohrloch neben dem Werkzeug zu.
Danach läßt sich der Ringraumdruck zur Aktivierung anderer Ventile
und/oder Werkzeuge im Bohrloch erhöhen, ohne den Stickstoff im
Bohrgestänge zu verdichten oder das Werkzeug ungewollt in eine andere
Position zu takten.
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Somit ermöglicht dieses Werkzeug wahlweise einen umgekehrten
Umlauf und Eintropfen von Flüssigkeiten in das Bohrloch, während
gleichzeitig das Ansetzen von Druck im Bohrgestänge und Ringraum zum
Pumpen von Flüssigkeiten und Aktivieren anderer Werkzeuge sowie
Anheben und Absenken des Bohrgestänges ermöglicht wird, ohne die
Position der Spindel im Werkzeug ungewollt zu verändern. Ein solch
ungewolltes Verschieben der Spindel könnte letztlich zum unbeabsichtigten
Öffnen oder Schließen des Umlaufventils führen. So läßt sich feststellen, daß
das Bohrlochwerkzeug dieser Erfindung ohne weiteres die erwähnte(n)
Zielsetzung und Vorteile sowie die ihm eigenen realisiert. Obwohl für die
Zwecke dieser Eröffnung eine spezifische Form dieser Erfindung erläutert
wurde, können durch Fachkundige vielzählige Änderungen der Anordnung
und Bauweise von Teilen vorgenommen werden.