DE3924195A1 - Vorrichtung fuer die gesteuerte daempfung von axial- und torsionskraeften in einem bohrlochgestaenge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend den Oberbegriffen der nebengeordneten Ansprüche 1 und 14. Die Erfindung bezieht sich auf Stoßdämpfervorrichtungen zur Verwendung in Bohrgestängen und insbesondere auf eine Vor­ richtung für die Steuerung der auf den Bohrmeißel in sowohl vertikalen als auch abgelenkten Bohrlöchern zur Einwirkung gebrachten Kraft durch Absorbieren und Entkoppelung axialer Vibrationen und Torsionskräfte, die auf das Bohrgestänge einwirken.

Während der Bohrarbeiten in die Bohranordnung eingeleitete hohe Axial- und Torsionskräfte können Beschädigungen und Verschleiß an den Komponenten des Bohrgestänges, einschließ­ lich des Bohrwerkzeugs und der verschiedenen Meßvorrich­ tungen, hervorrufen. Solche Kräfte sind sowohl in konven­ tionellen Vertikalbohrungen als auch in abgewinkelten Bohrungen anzutreffen, wo die Position des Bohrmeißels kritisch ist. Zusätzlich treten während der Bohrarbeiten verschiedene Bedingungen auf, welche eine Torsions- oder Axialbelastung in die Bohranordnung einleiten. Harter Fels und haftende Erdformationen können die Einleitung von hohen Axial- und Torsionskräften zu dem Bohrgestänge ver­ ursachen. Die Verwendung von Räummeißeln oder konusförmi­ gen Rollenbohrern kann Axialvibrationen bei vertikalen Bohrarbeitsgängen erzeugen. Die Reibungskräfte zwischen dem Bohrgestänge und dem Bohrloch bei abgelenkten Bohrlöchern können Torsionskräfte erzeugen, wodurch die Feststellung und Steuerung der Position des Meißels schwierig ist. In jedem dieser Fälle kann die unerwartete Freisetzung dieser Kräfte in dem Bohrgestänge verursachen, daß die unten im Bohrloch befindliche Anordnung gegen den Boden des Bohrlochs geschla­ gen wird.

Verschiedene Vorrichtungen sind entwickelt worden, welche die durch den Bohrmeißel dem Bohrgestänge versetzte verti­ kale oder axiale Stöße dämpfen oder absorbieren. Solche stoßabsorbierenden Vorrichtungen können mechanische Federn, elastische Scheiben oder Flüssigkeitskammern einsetzen, um die Relativbewegung zwischen einer Innenspindel und einem Außengehäuse zu dämpfen oder zu begrenzen. Typischer­ weise ist das Außengehäuse an den Bodenlocheinsatz ange­ schlossen. Das Drehmoment kann von dem oberen Bohrgestänge durch eine Reihe von Längskeilen übertragen werden, die das Gehäuse an die Spindel anschließen. Während die bisher bekannten Stoßvorrichtungen geeignet sind, kleine Stöße oder Belastungen von sehr kurzer Dauer und größeren Betrages aufzuzehren, sind solche Vorrichtungen nicht vollständig zufriedenstellend für die Absorbierung der Axial- und Torsionskräfte, die durch das Bohrgestänge auftreffen. Zusätzlich sehen solche Werkzeuge keine Mittel zur Steuerung des Gewichts auf den Meißel vor, um die Position des Meißels relativ zu dem Boden des Bohrloches präzise festzustellen.

Zusätzlich zu vertikalen Stoßbelastungen ist es bekannt, daß Bohrgestänge Torsionskräften ausgesetzt sind, die aus der Rotation des Gestänges resultieren. Solche Kräfte können aus dem plötzlichen Abstoppen des rotierenden Bohrgestänges wegen eines Meißelhängers herrühren, oder über einen länge­ ren Zeitraum als Resultat der Reibung in abgelenkten Bohr­ löchern oder bei mit gewundenen Rohrleitungen verwendeten Motoren auftreten. Anstrengungen sind unternommen worden solche radialen Stoßbelastungen durch Umsetzung solcher Be­ lastungen in eine vertikale Komponente zu verteilen, welche durch die Dämpfungseinrichtung der Vorrichtung absorbiert wird. Daher müssen sowohl radiale als auch vertikale Stöße durch dieselbe Vorrichtung verteilt werden, was das Werk­ zeug überfordern und zu Ausfällen führen kann, wodurch Beschädigungen des Bohrgestänges verursacht werden. Darüber hinaus sehen solche Werkzeuge keine Mittel für das Steuern des Meißeldrucks vor, um den Meißel im Bohrloch zu posi­ tionieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Bohrgestängeanordnungen zu beseitigen und eine Vorrichtung bereitzustellen, die eine gesteuerte Kraftbeaufschlagung des Bohrmeißels sowohl in vertikalen als auch in abgelenkten Bohrlöchern ermöglicht und die axialen Vibrationen von den während der Bohrarbeiten auf das Bohrgestänge einwirkenden Torsionskräften entkoppelt.

Die gestellte Aufgabe wird durch die Merkmale der neben­ geordneten Patentansprüche 1 und 14 gelöst. Die jeweils zugeordneten Unteransprüche betreffen vorteilhafte oder zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.

Die vorliegende Erfindung ist brauchbar zur Dämpfung von Vibrationen, die durch Räumbohrer beim konventionellen Bohren eingeleitet werden, zur Steuerung der Position des Bohrmeißels beim Großwinkelbohren und zur Absorbierung der Torsionskräfte, die mit dem gewundenen Rohrbohren ver­ bunden sind und anderen konventionelleren Bohrarbeiten. Allgemein umfaßt die Vorrichtung entsprechend der vor­ liegenden Erfindung ein Außengehäuse, das an seinem oberen Ende an das Bohrgestänge angeschlossen ist, und eine Innen­ spindelanordnung, die teleskopisch innerhalb des Gehäuses aufgenommen ist. Die Innenspindelanordnung ist an ihrem unteren Ende mit dem Bodenlocheinsatz oder dem Bohrwerk­ zeug gekuppelt und schließt einen axialen Flüssigkeits­ durchgangsweg ein, der mit dem Flüssigkeitsdurchgangsweg des Bohrgestänges kommuniziert, um gesteuerte Mittel für die Zuführung von Bohrflüssigkeiten zu dem Bohrmeißel vor­ zusehen. Eine an dem Kopf der Innenspindelanordnung ange­ ordnete, austauschbare Druckkontrolldüse steuert die Meißelbelastung.

Die teleskopische Innenspindelanordnung schließt einen oberen und einen unteren Kolben ein, welche zwischen sich eine ringförmige Flüssigkeitskammer bilden und gleich­ zeitig die Innenspindelanordnung innerhalb des Außenge­ häuses radial abstützen. Der obere gegen die Gehäusewand abgedichtete Kolben wird direkt durch den Flüssigkeits­ druck innerhalb des Gehäuses beaufschlagt. Der untere Kol­ ben wird durch den in dem äußeren das Werkzeug umgebenden Ringraum herrschenden Druck beaufschlagt. Ein oberer und ein unterer Anschlag begrenzen die Axialbewegung der Innen­ spindelanordnung relativ zu dem Außengehäuse. Die Innen­ spindelanordnung umfaßt weiterhin einen Drehmomentretraktor, der zwischen dem oberen und dem unteren Kolben angeordnet ist und durch ein Paar von zusammenpassenden schrauben­ förmig geschnittenen Flächen gebildet ist. Zwischen den schraubenförmigen Flächen ist ein Spalt vorgesehen, um einen Strömungsweg zwischen einer oberen und einer unteren Kammer vorzusehen, die als Teil der inneren Flüssigkeits­ kammer gebildet sind. Der schraubenförmige Drehmomentre­ traktor ist dazu bestimmt, die Torsionskräfte von den Axialkräften zu trennen und den Bohrmeißel gegen die Bohr­ lochsohle zu bewegen, um kontinuierliches Bohren sicher­ zustellen. Die Wendelung hat auch Keilwirkung um die Dreh­ bewegung des Bohrgestänges auf den Bohrmeißel zu übertra­ gen. Eine mechanische Feder kann ebenfalls vorgesehen sein, um die dem Meißel abwärts gerichtet auferlegte Kraft zu ergänzen.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der eine bevorzugte Ausführungsform darstellenden Zeichnung näher erläutert, in welcher entsprechende Teile durchweg mit denselben Bezugszeilen bezeichnet sind. Es stellen dar:

Fig. 1 eine Perspektivansicht der Vorrichtung,

Fig. 2 eine Längsschnittansicht der Vorrichtung in voll ausgefahrener Stellung,

Fig. 3 eine Längsschnittansicht der Vorrichtung in einer zusammengedrückten Stellung,

Fig. 4 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 4 -4 der Fig. 1 und

Fig. 5 Schnittansichten alternativer Ausführungs­ formen der bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Drucksteuerdüse.

Aus den Zeichnungen geht eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 für die gesteuerte Dämpfung von sowohl Axial- als auch Torsionskräften hervor, welche in Verbindung mit den einem Bohrgestänge auferlegten Bohrarbeitsbelastungen auftreten. Die Vorrichtung 10 ist an das untere Ende eines Bohrge­ stänges 12 angeschlossen und weist vorzugsweise einen an dessen unteres Ende angeschlossenen Bohrmeißel 14 für die Bildung vertikaler oder abgelenkter Bohrlöcher auf. Alter­ nativ kann ein Bodenlocheinsatz (BHA) in dem Bohrgestänge vorgesehen sein, entweder gerade oberhalb oder gerade un­ terhalb der Vorrichtung 10, welche dabei hilft, Vibratio­ nen und anderen Belastungen von den empfindlichen Instru­ menten des Bodenlocheinsatzes zu isolieren. Die erfin­ dungsgemäße Vorrichtung 10 ist sehr brauchbar bei konven­ tionellen Bohrverfahren, wo es darum geht, heftige Vibra­ tionen zu dämpfen, die durch Räumbohrer induziert werden, oder die heftigen axialen Vibrationen, die durch konische Rollenbohrer induziert werden. Jedoch wird die Vorrichtung 10 auch beim Bohren bogenförmiger oder abgelenkter Bohr­ löcher verwendet, wo es schwierig ist, die Position des Meißels im Bohrloch wegen der Reibungskräfte zwischen dem Gestänge und dem Bohrloch zu steuern und festzustellen. Derartige Reibung kann verursacht sein durch einen engen Ablenkungsradius oder einfach durch Schleifen der Bohr­ gestängeanordnung in dem Bohrloch, welches eine Zusammen­ drückung der Anordnung bewirken kann, wenn Gewicht auf das Bohrgestänge aufgebracht wird. In einer weiteren An­ wendung kann die Vorrichtung mit gewundenen Rohren ver­ wendet werden, welche erheblichen Torsionskräften unter­ worfen sind.

Wie aus den Fig. 1 bis 3 hervorgeht umfaßt die Vorrichtung allgemein ein Außengehäuse 16, welches an seinem oberen Ende an das Bohrgestänge 12 angeschlossen ist, und eine Innenspindel 18, welche teleskopisch innerhalb des Außen­ gehäuses 16 aufgenommen ist und mit einer an ihrem unteren Ende gebildeten Bohrermuffe 20 mit dem Bohrmeißel 14 ver­ bunden ist. Das Außengehäuse 16 schließt eine an seinem unteren Ende gebildete Axialöffnung 22 ein, durch welche sich die Innenspindel 18 erstreckt. Die Öffnung 22 ist jedoch groß genug, um der unten im Bohrloch befindlichen Spülflüssigkeit zu erlauben, in das Gehäuse 16 zur Erzeu­ gung eines Gegendrucks zu fließen, wie nachfolgend noch beschrieben wird. Das Außengehäuse 16 besitzt eine im wesentlichen zylindrische Gestalt, ähnlich der Gestalt des Bohrgestänges 12, und besitzt eine zylindrische Innen­ fläche 24 für die teleskopische Aufnahme der Innenspindel 18.

Wie aus den Fig. 2 bis 4 hervorgeht, weist die Innenspindel 18 einen axialen Flüssigkeitsdurchgangsweg 26 auf, der dazu bestimmt ist, Flüssigkeitskommunikation zwischen dem Bohrgestänge 12 und dem Meißel 14 vorzusehen, um Bohrflüs­ sigkeit für die Arbeit des Meißels 14 zuzuführen. Der Flüssigkeitsdurchgangsweg 26 ist enger als der innere Durchgangsweg des Bohrgestänges 12 und sorgt daher für eine eingeschränkte Strömung der Bohrflüssigkeiten zu dem Meißel 14. Eine Strömungs- oder Drucksteuerdüse 28 ist an dem oberen Ende des Durchgangsweges 26 angebracht um eine gesteuerte Beschränkung des Flüssigkeitsdurch­ flusses durch den Durchgangsweg 26 vorzusehen und dadurch einen bekannten statischen Druck P 1 über dem Kopf der Innenspindel 18 zu erzeugen. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Steuerdüse 28 austauschbar, um den verengenden Durchgang 30, der am oberen Ende des Flüssigkeitsdurchgangsweges 26 gebildet ist, zu verändern. Zusätzlich zu der in Fig. 2 dargestellten Steuerdüse 28 zeigt Fig. 5 alternative Steuerdüsen 28′ und 28′′, welche unter veränderten Bedingungen verwendet werden können. Jede dieser Düsen 28′ und 28′′ sieht unterschiedliche verengende Öffnungen 30′ und 30′′ vor. Welche Düsenaus­ führung auch immer benutzt wird, der statische Druck P 1 über dem Kopf der Innenspindel 18 kann berechnet werden und ist daher bekannt. In einer weiteren Ausführungsform kann die austauschbare Düse 28 ersetzt werden durch eine Anordnung mit variabler Öffnung, welche durch ein an dem Gehäuse 16 angebrachtes Ventilgestänge variiert werden, oder durch ein Ventil, gesteuert durch ein unten im Bohr­ loch befindliches Formationsauswertungssystem. Auf diese Weise könnte die verengende Öffnung 30 kontinuierlich eingestellt werden, um den Strömungswiderstand und daher den Druck P 1 zu vergrößern, der auf die Innenspindel 18 in Reaktion auf sich verändernde Bedingungen unten im Bohr­ loch ausgeübt wird. Bei jeder der Ausführungsformen wird ein bekannter Flüssigkeitsdruck P 1′ innerhalb des Flüs­ sigkeitsdurchgangsweges 26 erzeugt, wie auch ein bekannter Flüssigkeitsdruck P 2 über dem Bohrmeißel 14.

Die Innenspindel 18 schließt ferner einen oberen Kolben 32 und einen unteren Kolben 34 ein, welche abgedichtet der Innenfläche 24 des Außengehäuses 16 anliegen. Vorzugsweise besitzt das Außengehäuse 16 eine obere Zylinderauskleidung 36 und eine untere Zylinderauskleidung 38, die innerhalb des Gehäuses 16 angeordnet sind, um Zylinder für die Kol­ ben 32 und 34 zu bilden. Um die abgedichtete Anlage zwi­ schen den zusammengehörigen Kolben und Zylinderwandungen sicherzustellen, können die Kolben 32 und 34 mit O-Ring­ dichtungen 40 versehen sein. Auf diese Weise bilden der obere und der untere Kolben eine Kammer innerhalb des Gehäuses 16, welche abgedichtet isoliert ist gegenüber der durch das Bohrgestänge 12 zugeführten Bohrflüssigkeit und den umgebenden Flüssigkeiten innerhalb des Bohrloches. Während die Bohrflüssigkeit einen Druck P 1 auf den oberen Kolben 32 ausübt, übt die unten im Bohrloch befindliche Flüssigkeit, welche durch die Öffnung 22 in das Gehäuse 16 fließen kann, einen Flüssigkeitsdruck P 3 auf den unteren Kolben 34 aus. Zusätzlich zur Bildung der inneren Kammer wirken die Kolben und die Zylinderauskleidungen zusammen, um eine radiale Abstützung für die Innenspindel 18 inner­ halb des Gehäuses 16 vorzusehen.

Innerhalb der durch den oberen und den unteren Kolben ge­ bildeten Kammer des Gehäuses 16 ist ein Drehmomentretraktor 50 angeordnet, der zur Isolierung der mit dem Bohrvorgang verbundenen Torsionskräfte bestimmt ist. Der Drehmomentre­ traktor 50 umfaßt allgemein ein Außenteil 52, welches ein Innenteil 54 zusammenpassend aufnimmt. In einer bevorzug­ ten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Innenteil 54 ein einteiliger zwischen den Kolben 32 und 34 gebildeter Bestandteil der Innenspindel 18 und weist den sich durch ihn hindurcherstreckenden Flüssigkeitsdurchgangs­ weg 26 auf. Ähnlich, in einer bevorzugten Ausführungsform, besitzt das Außenteil 52 die Form einer im wesentlichen rohrförmigen Hülse, welche mit der Innenfläche 24 des Gehäuses 16 zwischen den Zylinderauskleidungen 36 und 38 verbunden ist. Als eine weitere Ausführungsform kann das Außenteil 52 mit einer Stahlzylinderauskleidung ver­ bunden sein, welche wiederum an der Innenfläche 24 des Gehäuses 16 angebracht ist.

Das Innenteil und das Außenteil des Drehmomentretraktors 50 sind mit zusammenpassenden Oberflächenprofilen ver­ sehen, die ineinandergreifende schraubenförmig geschnitte­ ne Flächen aufweisen. Die Flächen werden durch eine Serie von gleichförmigen Kurven gebildet, welche eine im wesent­ lichen sinusförmige Querschnittsgestalt aufweisen. Die mehrgängigen schraubenförmigen Flächen können sechs bis zwölf parallel gebildete Schraubenlinien aufweisen und besitzen einen Steigungswinkel zwischen 30° und 80°, vor­ zugsweise etwa 60°, um sicherzustellen, daß die Schrauben­ linie immer eine Aufwärtskomponente besitzt. Falls der Steigungswinkel zu flach ist, ist ein außerordentlicher Betrag einer Vertikalkraft erforderlich, um teleskopische Bewegung hervorzurufen. Falls der Winkel zu steil ist, werden Verschiebungen zwischen den Teilen unkontrolliert. Wegen der zusammenpassenden schraubenförmigen Flächen des Innenteils 54 und des Außenteils 52 ist eines der Teile aus einem elastomeren Material herzustellen, während das andere aus Metall gebildet ist, um einiges Nachgeben zu erlauben. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das hülsenförmige Außenteil 52 aus einem Elastomer hergestellt, während die Einteiligkeit der Innenspindel 18 durch Her­ stellung aus Metall aufrechterhalten ist. Zusätzlich sind die Teile 52 und 54 des Drehmomentretraktors mit einem Gleitspiel versehen, um der in der Kammer befindlichen Schmierflüssigkeit zu ermöglichen, zwischen den schrauben­ förmigen Flächen zu fließen.

Der Drehmomentretraktor 50 unterteilt die durch die Kolben 32 und 34 gebildete innere Kammer in eine obere Flüssig­ keitskammer 56 und eine untere Flüssigkeitskammer 58. Eine Mehrzahl von Flüssigkeitsdurchgangswegen 60 ist vorge­ sehen, um die Flüssigkeitskommunikation zwischen der obe­ ren und der unteren Flüssigkeitskammer zu ermöglichen, zusätzlich zu dem Gleitspiel zwischen dem Innenteil 54 und dem Außenteil 52. In einer bevorzugten Ausführungs­ form verlaufen die Flüssigkeitsdurchgangswege 60 parallel zu den schraubenförmigen Einschnitten des Drehmomentre­ traktors und sind durch Vergrößerung der Tiefe des Kanals zwischen den Schraubenlinien des Innenteils 54 des Dreh­ momentretraktors gebildet. Als eine Alternative oder zur Ergänzung der Flüssigkeitsübertragung zwischen der unteren und der oberen Kammer, kann ein Bypass-Flüssigkeitsdurch­ gangsweg durch das Innenteil 54 vorgesehen sein. Wenn daher sich die Innenspindel 18 innerhalb des Außengehäuses 16 verschiebt, wird Schmierflüssigkeit zwischen der oberen Kammer 56 und der unteren Kammer 58 transportiert, um hydraulisch die Bewegung der Innenspindel 18 zu dämpfen.

Zur Begrenzung der Bewegung der Innenspindel 18 innerhalb des Gehäuses 16 sind ein oberer Anschlag 62 und ein unte­ rer Anschlag 64 vorgesehen, um wahlweise an die zugehöri­ gen Kolben anzugreifen und dadurch weitere Bewegung zu un­ terbinden. Zusätzlich kann eine ergänzende Druckfeder 66 für eine ergänzende abwärts gerichtete Krafteinwirkung auf die Innenspindel 18 vorgesehen sein, um teleskopische Bewegung zu hemmen. Die Feder 66 kann eingesetzt werden, um Bewegung über den vollen Hub der Innenspindel 18 inner­ halb des Gehäuses 16 zu hemmen, oder nur zum Zweck des begrenzenden Ausmaßes der Bewegung.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet zur Dämpfung oder Isolierung der mit der Bohrarbeit verbundenen Torsions­ kräfte aus den mit der Bohrarbeit verbundenen Axialkräf­ ten. Axialkräfte werden zum Beispiel hervorgerufen durch den auf die Sohle des Bohrloches aufschlagenden Bohrmeißel 14, während Torsionskräfte hervorgerufen werden können durch nichtsynchrone Drehung des Bohrmeißels und des Bohr­ gestänges. Die Flüssigkeitsdruckdifferenzen innerhalb des Bohrgestänges 12 und der Vorrichtung 10 dämpfen oder wirken den Kräften auf den Bohrmeißel nicht nur entgegen, sondern bestimmen auch die Meißelbelastung, welche die Bohrkraft des Meißels 14 bestimmt. Der statische Druck P 1 über dem oberen Kolben 32 und dem Kopf der Innenspindel 18 ist proportional dem Quadrat der Flüssigkeitsströmung, welche dem spezifischen Gewicht der Bohrflüssigkeit direkt proportional ist und erhöht wird durch die Viskosität der Bohrflüssigkeit. Da der statische Druck am Kopf des Bohrloches eine Funktion des Druckgefälles am Bohrmeißel ist, kann die Meißelbelastung leicht ermittelt werden. Die angenäherte Druckkraft ist eine Funktion des Einlaß­ druckes P 1 der Steuerdüse 28 minus dem Druckgefälle P 1′ über der Steuerdüse 28 und dem Druckgefälle über dem Bohr­ meißel P 2. Das Druckgefälle P 3 in dem äußeren Ringraum wirkt aufwärts gegen den unteren Kolben 34, um dem Flüs­ sigkeitsdruck P 1 innerhalb des Bohrgestänges 12 entgegen­ zuwirken.

Typischerweise wird vor dem Beginn des Bohrens die hydro­ statische Kraft der Bohrflüssigkeit die Vorrichtung 10 vollständig ausfahren, so daß der untere Kolben 34 an den unteren Anschlag anschlägt, wie in Fig. 2 gezeigt ist. In dieser Position enthält die untere Flüssigkeitskammer 58 einen größeren Anteil der Schmierflüssigkeit als die obere Flüssigkeitskammer 56. Wenn der Bohrmeißel 16 die Formation erreicht, verursacht die aufwärts gerichtete Kraft des Bohrwerkzeugs, daß sich die Innenspindel 18 gegen den Flüssigkeitsdruck P 1 in das Gehäuse 16 hineinbewegt, wobei der Dämpfungseffekt erzielt wird von der Flüssigkeit aus der unteren Kammer 58, die durch die Durchgangswege 60 in die obere Kammer 56 verdrängt wird, und das Zusammen­ wirken der im Eingriff stehenden schraubenförmigen Flächen des Außenteils 52 und des Innenteils 54. Es ist wischtig, daß die schraubenförmigen Flächen des Drehmomentretraktors im Uhrzeigersinn ausgeführt sind, so daß, wenn das Bohr­ gestänge gedreht wird, die Vorrichtung 10 den Bohrmeißel 14 zurück gegen die Sohle des Bohrloches bewegt. Die im Uhr­ zeigersinn ausgeführte Schraubenlinie verursacht eine aufwärts gerichtete Reaktion der Innenspindel 18, welche sofort kompensiert wird, wodurch sichergestellt wird, daß der Bohrmeißel 14 ständig in Kontakt mit der Formation steht und der Aufbau von Kräften verhindert wird, welche auslösen können, daß der Bohrmeißel gegen die Sohle des Bohrloches geschlagen wird. Die Vorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht die gesteuerte Anwendung einer vorbestimmten Bohrkraft durch Dämpfung der Axial- und Torsionskräfte, die mit der Bohrarbeit verbunden sind. Durch Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens der Steuerung der Meißelbelastung bei Dämpfung der auftreten­ den Kräfte wird die Standzeit der Bohrausrüstung verlängert, insbesondere von empfindlichen Ausrüstungen, wie der Boden­ locheinsatz, die Meß/Bohr-Einheit oder sogar der Bohrmeißel selbst.

Claims (22)

1. Vorrichtung für die gesteuerte Dämpfung von Axial- und Torsionskräften, welche die auf ein Bohrgestänge aufgebrach­ ten Bohrarbeitskräfte begleiten, eingerichtet für die Hin­ tereinanderschaltung in einem zu Formationsschneidwerkzeugen führenden Bohrgestänge, gekennzeichnet durch
ein Außengehäuse (16), das an seinem oberen Ende an das Bohrgestänge (12) angeschlossen ist und eine an seinem unteren Ende gebildete Axialöffnung (22) aufweist,
eine Innenspindel (18), an deren unteres Ende die Formationsschneidwerkzeuge (14) angeschlossen sind und die einen axialen Flüssigkeitsdurchgangsweg (26) für die gesteuer­ te Zuführung von Bohrflüssigkeit aus dem Bohrgestänge (12) zu den Formationsschneidwerkzeugen (14) besitzt, wobei die Innenspindel (18) teleskopisch verschiebbar derart in dem Außengehäuse (16) aufgenommen ist, daß sich ihr unteres Ende durch die Axialöffnung (22) des Außengehäuses (16) erstreckt,
einen oberen und einen unteren Kolben (32, 34) an der Innenspindel (18), die zur abgedichteten Anlage an eine Innen­ fläche des Außengehäuses (16) ausgebildet sind und eine ein­ geschlossene Flüssigkeitskammer (56, 58) zwischen sich bil­ den, und
einen Drehmomentretraktor (50), der innerhalb der Flüssigkeitskammer (56, 58) zwischen dem oberen Kolben (32) und dem unteren Kolben (34) angeordnet und zur Dämpfung der dem Bohrgestänge (12) zugehörigen Torsionskräfte ausgebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehmomentretraktor (50) ein Paar von miteinander eingreifenden schraubenförmigen Teilen (52, 54) umfaßt, deren schraubenförmiges Außenteil (52) die Innenfläche des Außen­ gehäuses (16) bildet und deren schraubenförmiges Innenteil (54) die Außenfläche der Innenspindel (18) zwischen dem oberen Kolben (32) und dem unteren Kolben (34) bildet, wo­ bei der Drehmomentretraktor (50) die Flüssigkeitskammer in eine obere Flüssigkeitskammer (56) und eine untere Flüssig­ keitskammer (58) unterteilt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehmomentretraktor (50) mindestens einen zwischen dem schraubenförmigen Innenteil (54) und dem schraubenför­ migen Außenteil (52) gebildeten Flüssigkeitsdurchgangsweg (60) zur Flüssigkeitskommunikation zwischen der oberen Flüssigkeitskammer (56) und der unteren Flüssigkeitskammer (58) einschließt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Paar von miteinander eingreifenden schrau­ benförmigen Teilen (52, 54) einander angepaßte, mehrgängig schraubenförmig geschnittene Flächen von einer im wesent­ lichen sinusförmigen Flächengestalt einschließt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehmomentretraktor (50) eine Mehr­ zahl von Flüssigkeitsdurchgangswegen (60) einschließt, die parallel zu den schraubenförmigen Einschnitten der schrauben­ förmigen Teile (52, 54) gebildet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Paars von Teilen (52, 54) aus einem elastomeren Material hergestellt ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das schraubenförmige Außenteil (52) eine im wesentlichen rohrförmige, mit der Innenfläche (24) des Außengehäuses (16) verbundene Anordnung umfaßt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Außengehäuse (16) eine erste Zylinder­ auskleidung (36), ausgebildet zur abgedichteten Anlage an den oberen Kolben (32), und eine zweite Zylinderauskleidung (38), ausgebildet zur abgedichteten Anlage an den unteren Kolben (34), einschließt, wobei die Zylinderauskleidungen (36, 38) an der Innenfläche (24) des Außengehäuses (16) an­ gebracht sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Außengehäuse (16) einen oberen und einen unteren Anschlag (62, 64) einschließt, die zum wahl­ weisen Angriff an den oberen und den unteren Kolben (32, 34) ausgebildet sind, um die teleskopische Bewegung der Innen­ spindel (18) innerhalb des Gehäuses (16) zu begrenzen.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, weiter­ hin gekennzeichnet durch eine Drucksteuerdüse (28), die an dem oberen Ende des axialen Flüssigkeitsdurchgangsweges (26) in der Innenspindel (18) angebracht ist, und die Zufuhr von Bohrflüssigkeit zu den Formationsschneidwerkzeugen (14) und dadurch den auf den oberen Kolben (32) ausgeübten Flüssig­ keitsdruck steuert.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucksteuerdüse (28) zur Veränderung der Bohrflüssig­ keitszufuhr zu den Formationsschneidwerkzeugen (14) und des Flüssigkeitsdruckes gegen den oberen Kolben (32) austausch­ bar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Flüssigkeitsdurchgang (30) durch die Druck­ steuerdüse (28) veränderbar verengt sein kann.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß die Formationsschneidwerkzeuge einen Bohrmeißel (14) umfassen, der an dem Ende der Innen­ spindel (18) angebracht ist, wobei der Flüssigkeitsdurch­ gangsweg (26) dem Bohrmeißel (14) Bohrflüssigkeit zuführt.

14. Vorrichtung für die gesteuerte Dämpfung von Axial- und Torsionskräften, welche die auf ein Bohrgestänge aufge­ brachten Bohrarbeitskräfte begleiten, eingerichtet für die Hintereinanderschaltung in einem Bohrgestänge mit einem einen Bohrmeißel aufweisenden Bodenlocheinsatz, gekennzeich­ net durch
ein Außengehäuse (16), das an seinem oberen Ende an das Bohrgestänge (12) angeschlossen ist und eine an seinem unteren Ende gebildete Axialöffnung (22) aufweist,
eine Innenspindel (18), an deren unteres Ende der Bodenlocheinsatz angeschlossen ist und die teleskopisch ver­ schiebbar derart in dem Außengehäuse (16) aufgenommen ist, daß sich ihr unteres Ende durch die Bodenöffnung (22) des Außengehäuses (16) erstreckt, wobei die Innenspindel (18) umfaßt
einen axialen Flüssigkeitsdurchgangsweg (26) für die gesteuerte Zuführung von Bohrflüssigkeiten aus dem Bohrgestänge (12) zu dem Bodenlocheinsatz und dem Bohr­ meißel (14), wobei der axiale Flüssigkeitsdurchgangsweg (26) eine austauschbare, an dem oberen Ende des Durch­ gangsweges angebrachte Drucksteuerdüse (28) aufweist, um den dem Bodenlocheinsatz zugeführten Flüssigkeits­ druck zu verändern,
einen oberen und einen unteren Kolben (32, 34), die zur abgedichteten Anlage an eine Innenfläche des Außengehäuses (16) ausgebildet sind und eine einge­ schlossene Flüssigkeitskammer (56, 58) zwischen sich bilden, wobei der obere Kolben (32) dem Bohrflüssig­ keitsdruck aus dem Bohrgestänge (12) ausgesetzt ist, und der untere Kolben (34) der lochunteren Flüssigkeits­ druckumgebung durch die Bodenöffnung (22) in dem Außen­ gehäuse (16) ausgesetzt ist, wobei die Kolben (32, 34) zur Dämpfung der dem Bohrgestänge (12) zugehörigen Axiallastkräfte ausgebildet sind,
einen Drehmomentretraktor (50), der zur Dämpfung der dem Bohrgestänge (12) zugehörigen Torsionslastkräfte zwi­ schen dem oberen Kolben (32) und dem unteren Kolben (34) angeordnet ist, und ein Außenteil (52) mit einer schrauben­ förmig geschnittenen Fläche von einer im wesentlichen sinus­ förmigen Flächengestalt, wobei das Außenteil (52) die Innen­ fläche des Außengehäuses (16) bildet, sowie ein zusammen­ passendes Innenteil (54) mit einer zusammenpassenden schrau­ benförmig geschnittenen Fläche von einer im wesentlichen sinusförmigen Flächengestalt einschließt, wobei das Innen­ teil (54) die Außenfläche der Innenspindel (18) zwischen dem oberen Kolben (32) und dem unteren Kolben (34) bildet.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammenpassenden schraubenförmigen Flächen des Innenteils (54) und des Außenteils (52) des Retraktors (50) eine Mehrzahl von schraubenförmigen Einschnitten zur Bil­ dung mehrgängig schraubenförmig geschnittener Flächen ein­ schließen.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Drehmomentretraktor (50) die Flüssig­ keitskammer in eine obere und eine untere Flüssigkeitskammer (56, 58) unterteilt, und eine Mehrzahl von schraubenförmigen Flüssigkeitsdurchgangswegen (60) aufweist, die parallel zu den schraubenförmigen Einschnitten gebildet sind, um Flüssig­ keitskommunikation zwischen der oberen und der unteren Flüssigkeitskammer (56, 58) vorzusehen.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, da­ durch gekennzeichnet, daß eines der Teile (52, 54) des Retrak­ tors (50) aus einem elastomeren Material hergestellt ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, da­ durch gekennzeichnet, daß das Außenteil (52) des Retraktors (50) eine rohrförmige Hülse umfaßt, die an der Innenfläche (24) des Außengehäuses (16) angebracht ist und daß das Innen­ teil (54) des Retraktors (50) einteilig mit der Innenspindel (18) ausgebildet ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, da­ durch gekennzeichnet, daß das Außengehäuse (16) eine erste Zylinderauskleidung (36), ausgebildet zur abgedichteten An­ lage an den oberen Kolben (32) und eine zweite Zylinderaus­ kleidung (38), ausgebildet zur abgedichteten Anlage an den unteren Kolben (34), einschließt, wobei die Zylinderaus­ kleidungen (36, 38) an der Innenfläche (24) des Außenge­ häuses (16) mit dazwischen angeordnetem Außenteil (52) des Retraktors (50) angebracht sind.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 19, da­ durch gekennzeichnet, daß das Außengehäuse (16) einen oberen und einen unteren Anschlag (62, 64) einschließt, die zum wahlweisen Angriff an den oberen und den unteren Kolben (32, 34) ausgebildet sind, um die teleskopische Bewegung der Innen­ spindel (18) innerhalb des Gehäuses (16) zu begrenzen.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 20, wei­ terhin gekennzeichnet durch eine innerhalb des Außengehäuses (16) angeordnete Druckfeder (66), die zum Angriff an das obere Ende der Innenspindel (18) ausgebildet ist, um eine zusätzliche Dämpfung von Axialbelastungen auf das Bohrge­ stänge (12) vorzusehen.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 21, da­ durch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitskammer (56, 58) mit einer Schmierflüssigkeit gefüllt ist, um eine Schmierung zwischen den Innen- und Außenflächen des Drehmomentretrak­ tors (50) vorzusehen.