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1. Technisches
Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich allgemein auf in einem Bohrloch befindliche Werkzeuge, und
insbesondere auf eine Stoßvorrichtung,
um eine axiale Kraft auf einen in einem Bohrloch befindlichen Bohrstrang
auszuüben.
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2. Technischer
Hintergrund
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Bei Arbeiten in Öl- und Gasbohrungen ist es häufig notwendig,
starke axiale Stöße auf ein
Werkzeug oder einen Werkzeugstrang auszuüben, das bzw. der sich innerhalb
des Bohrlochs befindet. Es gibt eine Vielzahl von Beispielen für derartige
Umstände.
Eine häufig
anzutreffende Situation ist das Festsitzen von Bohr- oder Fördergerätschaften
innerhalb einer Bohrung in einem solchen Maße, daß sie nicht in einfacher Weise
herauszubekommen sind. Ein weiterer Umstand hängt mit dem Zurückbringen eines
unten im Bohrloch befindlichen Werkzeugs oder Werkzeugstrangs zusammen,
das bzw. der von seinem Rohr oder Rohrstrang gelöst worden ist. Die Trennung
zwischen dem Rohr oder dem Rohrstrang und dem abhanden gekommenen
Werkzeug oder „Fisch" kann das Ergebnis
eines strukturellen Versagens oder einer absichtlichen Lösung, die
von der Oberfläche
aus eingeleitet wurde, sein.
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Stoßvorrichtungen werden bei Arbeiten
an Erdölbohrungen
seit mehreren Jahrzehnten verwendet, um das Betriebspersonal in
die Lage zu versetzen, die genannten axialen Schläge bzw.
Stöße auf stecken
gebliebene oder abhanden gekommene Werkzeuge und Werkzeugstränge abzugeben.
Hierbei existieren einige wenige grundsätzliche Bauarten. Sogenannte „Bohr-Stoßvorrichtungen" werden häufig verwendet,
wenn entweder Bohr- oder Fördergerätschaften
in einem solchen Maße
stecken geblieben sind, daß man
sie nicht ohne weiteres aus der Bohrung frei bekommt. Die Bohr-Stoßvorrichtung wird
normalerweise in dem Rohrstrang in dem Bereich des stecken gebliebenen
Gegenstands plaziert und ermöglicht
es einer Bedienungsperson an der Oberfläche, eine Reihe von Schlägen und Stößen auf den
Bohrstrang abzugeben, und zwar über
die Handhabung des Bohrstrangs. Diese Schläge auf den Bohrstrang sind
dazu beabsichtigt, den stecken gebliebenen Gegenstand zu lösen und
eine weitere Arbeit zu ermöglichen.
Sogenannte „Herauszieh-Stoßvorrichtungen" werden in die Bohrung
hineingelassen, um ein verlorengegangenes Werkzeug oder einen „Fisch" herauszuholen. Herauszieh-Stoßvorrichtungen
sind mit einem Mechanismus versehen, der dazu bestimmt ist, den „Fisch" fest zu ergreifen,
so daß die
Herauszieh-Stoßvorrichtung
und der „Fisch" zusammen aus der
Bohrung herausgehoben werden können.
Zahlreiche Herauszieh-Stoßvorrichtungen sind
auch mit der Möglichkeit
versehen, axiale Schläge
auf den „Fisch" abzugeben, um das
Herausziehen zu erleichtern.
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Stoßvorrichtungen, die in der
Lage sind, axiale Schläge
abzugeben, enthalten eine verschiebliche Dichtung, die eine relative
axiale Bewegung zwischen einer inneren Spindel und einem äußeren Gehäuse ermöglicht,
ohne daß eine
relative Drehbewegung zwischen diesen Teilen ermöglicht wird. Die Spindel ist
typischerweise mit einem darauf ausgebildeten Hammer versehen, während das
Gehäuse
einen Amboß aufweist,
der benachbart zu dem Hammer der Spindel positioniert ist. Auf diese
Weise kann dadurch, daß der
Hammer und der Amboß bei
hoher Geschwindigkeit aufeinander geschoben werden, eine erhebliche
Stoßkraft
auf den stecken gebliebenen Bohrstrang ausgeübt werden, die häufig ausreicht,
um den Bohrstrang freizuschlagen. Für die meisten Herauszugsanwendungen
ist es wünschenswert,
daß die
Bohr-Stoßvorrichtung
in der Lage ist, sowohl eine nach oben als auch eine nach unten
gerichtete Stoßkraft
aufzubringen.
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Es gibt vier grundsätzliche
Bauformen von Stoßvorrichtungen:
rein hydraulische Stoßvorrichtungen,
rein mechanische Stoßvorrichtungen,
Stoßfänger-Stoßvorrichtungen
und mechanisch-hydraulische Stoßvorrichtungen.
Die Stoßfänger-Stoßvorrichtung
wird hauptsächlich
dafür verwendet,
um eine nach unten gerichtete Stoßkraft bereitzustellen. Die Stoßfänger-Stoßvorrichtung
weist normalerweise eine keilverzahnte Verbindung mit einem ausreichenden
axialen Weg auf, um zu ermöglichen,
daß das Rohr
angehoben und fallengelassen werden kann, was zur Folge hat, daß die Stoßflächen innerhalb
der Stoßfänger-Stoßvorrichtung
zusammenkommen, um eine nach unten gerichtete Stoßkraft auf
den Bohrstrang abzugeben.
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Mechanische, hydraulische und mechanisch-hydraulische
Stoßvorrichtungen
unterscheiden sich von der Stoßfänger-Stoßvorrichtung
insoweit, als sie eine gewisse Bauart eines Auslösermechanismus enthalten, der
die Bewegung der Stoßflächen relativ
zueinander verzögert,
bis eine axiale Spannung, entweder Zug- oder Druckspannung, auf
den Bohrstrang oder Rohrstrang aufgebracht worden ist. Um eine nach
oben gerichtete Stoßkraft
zu erzeugen, wird das Bohrgestänge
durch eine axiale Zugkraft, die an der Oberfläche aufgebracht wird, gestreckt. Dieser
axialen Kraft wirkt der Auslösermechanismus der
Stoßvorrichtung
lange genug entgegen, um zu ermöglichen,
daß sich
das Gestänge
bzw. Rohr dehnt und eine potentielle Energie speichert. Wenn die
Stoßvorrichtung
auslöst,
wird diese gespeicherte Energie in kinetische Energie umgewandelt,
die zur Folge hat, daß sich
die Stoßflächen der
Stoßvorrichtung
mit einer großen
Geschwindigkeit aufeinander zu bewegen. Um eine nach unten gerichtete
Stoßkraft
zu erzeugen, wird das Rohrgewicht an der Oberfläche frei losgelassen, und,
falls notwendig, wird eine zusätzliche
Druckkraft angewendet, um das Rohr in einen Kompressionszustand
zu versetzen. Dieser Kompressionskraft wirkt der Auslösermechanismus
der Stoßvorrichtung
entgegen, um zu ermöglichen,
daß das
Rohr zusammengedrückt
wird und eine potentielle Energie speichert. Wenn die Stoßvorrichtung
auslöst,
wird die potentielle Energie des zusammengedrückten Rohrs und des Rohrgewichts
in kinetische Energie umgewandelt, die zur Folge hat, daß die Stoßflächen der
Stoßvorrichtung
mit einer großen
Geschwindigkeit aufeinandertreffen.
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Der Auslösermechanismus bei den meisten mechanischen
Stoßvorrichtungen
besteht aus irgendeiner Bauart einer Reibungshülse, die mit der Spindel gekoppelt
ist und die einer Bewegung der Spindel widersteht, bis die Last
auf der Spindel einen vorab gewählten
Betrag überschreitet,
d.h. die Auslöselast.
Der Auslösemechanismus
bei den meisten hydraulischen Stoßvorrichtungen besteht aus
einem oder mehreren Kolben, die ein Fluid in einer Kammer unter
Druck setzen, in Antwort auf eine Bewegung der Spindel. Das unter
Druck stehende Fluid widersteht einer Bewegung der Spindel. Das
unter Druck gesetzte Fluid hat normalerweise die Möglichkeit,
mit einem vorab ausgewählten
Durchsatz abgelassen zu werden. Während das Fluid abgelassen
wird, verlagert sich der Kolben, wobei er schließlich einen Punkt in der Stoßvorrichtung
erreicht, an dem die Kammerdichtung geöffnet wird, wobei dann das
komprimierte Fluid die Möglichkeit
hat, rasch auszuströmen,
wobei die Spindel freigesetzt ist, sich rasch zu bewegen.
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Mechanische Stoßvorrichtungen und hydraulische
Stoßvorrichtungen
haben jeweils bestimmte Vorteile in Bezug zueinander. Mechanische Stoßvorrichtungen
sind im allgemeinen weniger vielseitig und zuverlässig als
hydraulische Stoßvorrichtungen.
Bei vielen mechanischen Stoßvorrichtungen ist
es erforderlich, die Auslöselast
an der Oberfläche auszuwählen und
vorab einzustellen, damit bei einer spezifizierten Last ausgelöst werden
kann, nachdem die Stoßvorrichtung
in die Bohrung eingeführt
worden ist. Wenn es erforderlich ist, die Auslöselast erneut einzustellen,
muß die
Stoßvorrichtung
aus der Bohrung herausgezogen werden. Bei anderen mechanischen Stoßvorrichtungen
ist es notwendig, ein Drehmoment von der Oberfläche aus auf den Bohrstrang
aufzubringen, um die Stoßvorrichtung
auszulösen.
Das Drehmoment, das auf den Bohrstrang ausgeübt wird, stellt nicht nur eine
Gefahr für
das Bohrungspersonal dar, sondern es ist auch so, daß ein Drehmoment
auf gewundene Bohrstränge
nicht aufgebracht werden kann. Ein weiterer wesentlicher Nachteil
von mechanischen Stoßvorrichtungen
wird unter solchen Umständen
deutlich, in denen die Stoßvorrichtung
in einer gespannten Position vor dem Einsetzen in die Bohrung angeordnet
werden muß.
Daher ist der Auslösemechanismus
unter solchen Umständen
Spannungen während
des normalen Laufs unterworfen, so als ob die Stoßvorrichtung als
Teil der im Bohrloch befindlichen Gerätschaften betrieben würde. Schließlich haben
viele mechanische Stoßvorrichtungen
zahlreiche Oberflächen,
die einem Verschleiß ausgesetzt
sind.
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Hydraulische Stoßvorrichtungen bieten zahlreiche
Vorteile gegenüber
rein mechanischen Stoßvorrichtungen.
Hydraulische Stoßvorrichtungen
weisen den wesentlichen Vorteil auf, daß sie eine breite Vielfalt
von möglichen
Auslöselasten
bieten. Bei einer typischen doppelt wirkenden hydraulischen Stoßvorrichtung
ist der Bereich der möglichen
Auslöselasten
eine Funktion der Größe der axialen
Spannung, die durch Dehnen oder Zusammendrücken des Bohrrohrs aufgebracht
wird, und wird lediglich durch die strukturellen Grenzen der Stoßvorrichtung
und der darin befindlichen Dichtungen begrenzt. Zusätzlich sind
hydraulische Stoßvorrichtungen
im allgemeinen weniger empfindlich gegenüber Verschleiß und arbeiten
daher normalerweise länger
als eine mechanische Stoßvorrichtung
unter den gleichen Betriebsbedingungen.
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Allerdings haben auch hydraulische
Stoßvorrichtungen
bestimmte Nachteile. Beispielsweise sind die meisten rein hydraulischen,
doppelt wirkenden Stoßvorrichtungen
relativ lang, wobei sie in manchen Fällen eine Länge aufweisen, die 25 Fuß überschreitet.
Die Länge
einer bestimmten Stoßvorrichtung
ist normalerweise kein wesentlicher Punkt in Bohrsituationen, in
denen ein normales, mit Gewinde versehenes Bohrrohr verwendet wird.
Allerdings ist es bei Anwendungen mit gewundener Verrohrung zweckmäßig, daß die Länge sämtlicher
Werkzeuge in einem speziellen Bohrstrang nicht länger ist als die Länge der
Schmiervorrichtung der jeweils verwendeten Injektorvorrichtung für die gewundene
Verrohrung ist. Aus diesem Grunde ist es zweckmäßig, daß die Stoßvorrichtung so kurz wie möglich ist,
um die Bedienungsperson in die Lage zu versetzen so viele unterschiedliche
Arten von Werkzeugen in dem Bohrstrang anzuordnen wie möglich, während dennoch die
gesamte Länge
des Bohrstrangs geringer als die Länge der Schmiervorrichtung
gehalten werden kann. Eine herkömmliche
hydraulische Stoßvorrichtung
kann die halbe oder mehr als die gesamte Länge einer gegebenen Schmiervorrichtung
einnehmen, so daß möglicherweise
weniger als die Hälfte
der Länge
der Schmiervorrichtung verbleibt, um andere Werkzeuge aufzunehmen,
wie beispielsweise einen Schlammotor, eine Orientierungseinrichtung
oder ein Berichtswerkzeug.
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Bei zahlreichen Ausführungen
von hydraulischen Stoßvorrichtungen
ist ein in nachteiliger Weise langer Abmesshub vorhanden. Der Abmesshub
ist der Betrag der relativen Bewegung zwischen der Spindel und dem
Gehäuse,
der auftreten muß,
damit die Stoßvorrichtung
auslöst,
nachdem sie durch die Aufbringung einer axialen Last gespannt worden
ist. Wenn eine herkömmliche
hydraulische Stoßvorrichtung
durch die Aufbringung einer axialen Last gespannt wird, wird ein
Fluid in einer Kammer unter Druck gesetzt, um einer relativen Bewegung
der Spindel und des Gehäuses
zu widerstehen. Eine oder mehrere Abmessöffnungen in der Stoßvorrichtung
ermöglichen,
daß das
unter Druck gesetzte Fluid mit einem relativ langsamen Durchsatz
abgelassen wird. Während
das Fluid abgelassen wird, tritt eine gewisse relative axiale Bewegung
zwischen der Spindel und dem Gehäuse
auf. Die Größe der relativen
axialen Bewegung zwischen der Spindel und dem Gehäuse, die
auftritt, nachdem die Stoßvorrichtung
gespannt worden ist, aber bevor die Stoßvorrichtung auslöst, ist
als Ablassen bekannt. Dieses Ablassen stellt einen Verlust an potentieller
Energie dar, die normalerweise in zusätzliche Stoßkraft umgewandelt würde. Zahlreiche
Bauformen von gegenwärtig üblichen
hydraulischen Stoßvorrichtungen weisen
einen relativ langen Abmesshub von 12 Zoll oder mehr auf, so daß die Größe des Ablassens
erheblich ist. Ein langer Abmesshub führt auch zur Erzeugung von
Wärme in
dem hydraulischen Fluid, was kostenaufwändige Abstände zwischen Auslösevorgängen erforderlich
machen kann und zu einer Verschlechterung des Fluids führen kann.
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Bei mechanisch-hydraulischen Stoßvorrichtungen
sind normalerweise gewisse Merkmale von entweder rein mechanischen
oder rein hydraulischen Stoßvorrichtungen
kombiniert. Beispielsweise wird bei einer Bauform sowohl ein langsam
abgemessenes Fluid und ein mechanisches Federelement eingesetzt,
um einer relativen axialen Bewegung der Spindel und des Gehäuses zu
widerstehen. Diese Auslegung hat die gleichen Nachteile, wie sie
bei normalen hydraulischen Stoßvorrichtungen
vorhanden sind, nämlich
Länge,
langer Abmesshub und Erwärmung
des Fluids. Bei einer anderen Bauform wird eine Kombination zwischen
einem langsam abgemessenen Fluid und einer mechanischen Bremse verwendet,
um die relative Bewegung zwischen der Spindel und dem Gehäuse zu verzögern. Bei
dieser Bauform wird Bohrschlamm als hydraulisches Medium verwendet.
Daher muß der
Bohrstrang unter Druck gesetzt werden, bevor die Stoßvorrichtung
arbeitet. Dieser Schritt des Druckaufbaus erfordert normalerweise
die Beendigung der Arbeiten und die Einbringung einer Kugel in den
Arbeitsstrang, die als Dichtvorrichtung wirkt. Nachdem die Stoßvorrichtung ausgelöst worden
ist, muß die
Kugel herausgeholt werden, bevor die normalen Arbeiten weitergehen können.
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Bei manchen herkömmlichen Vorrichtungen wird
ein Klemmring als Auslösemechanismus
verwendet. Der Klemmring ist mit einem oder mehreren in radialer
Richtung vorstehenden Flanschen oder Zähnen versehen, die mit einem
dazu passenden Satz von Vorsprüngen
oder Kanälen
in der Spindel in Eingriff stehen. Das Zusammenwirken der Zähne des Klemmrings
und der Zähne
oder Kanäle
der Spindel schränkt
die Längsbewegung
der Spindel ein, bis ein gewisser gewünschter Auslösepunkt
erreicht ist. Der Auslösepunkt
entspricht häufig
der vertikalen Ausrichtung zwischen den Zähnen des Klemmrings und einem
Kanal oder einem Satz von Kanälen
in dem Werkzeugehäuse.
An diesem Punkt wird der Klemmring nicht länger in radialer Richtung nach
innen zusammengedrückt
und kann sich schnell im Durchmesser aufweiten, so daß die Spindel
freigesetzt wird. Die Oberflächen
der Zähne
des Klemmrings und der Kanal oder die Kanäle des Gehäuses, die unmittelbar vor dem
Auslösen
im Eingriff stehen, können
einer erheblichen Punktbelastung unterworfen sein, was zu einem
schnellen Verschleiß und
zur Notwendigkeit nach häufiger
Reparatur führen
kann. Außerdem
ist bei manchen herkömmlichen
Bauformen nichts vorhanden, um die vorzeitige Aufweitung des Klemmrings
zu verhindern, was anderenfalls zu einem Festsitzen der Spindel
oder zu einem vorzeitigen Auslösen
führen
kann. Ein vorzeitiges Auslösen kann
zu einem verminderten übermäßigen Ziehen führen und
dazu, daß weniger
als die gewünschte axiale
Kraft aufgebracht wird.
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Zahlreiche Bohrarbeiten werden gegenwärtig mit
Bohrsträngen
ausgeführt,
bei denen eine elektrische Antriebskraft verwendet wird. Solche
Werkzeugstränge
hängen
häufig
an leitenden und nicht leitenden Kabeln wie beispielsweise Drahtseilen
oder Kabelleitungen und Glattleitungen. In manchen Anwendungen mit
Drahtseilen, Kabelleitungen oder Glattleitungen kann es zweckmäßig sein,
eine Stoßvorrichtung
mit einem Werkzeugstrang zu betätigen. Wenn
die Stoßvorrichtung
nicht in der Lage ist, elektrischen Strom und Signale durchzulassen,
muß sie in
der am Boden des Bohrlochs befindlichen Anordnung (bottom hole assembly,
BHA) unterhalb der elektrisch angetriebenen Komponenten der BHA
angeordnet werden. Es kann allerdings sein, daß dies nicht die optimale Position
für die
Stoßvorrichtung
ist, im Hinblick auf die auszuführende
Arbeit.
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In der US-A-5 624 001 ist eine mechanisch-hydraulische
Bohr-Stoßvorrichtung
offenbart. Die Stoßvorrichtung
weist eine Spindel auf, die teleskopartig bzw. zusammenschiebbar
in einem Gehäuse
angeordnet ist. Einer axialen Bewegung der Spindel wird durch ein
Fluid entgegengewirkt, das innerhalb von Fluidkammern gehalten wird,
die jeweils durch axial bewegbare Kolben verschlossen werden. Ein
Klemmring ist mit der Spindel in Eingriff bringbar. Eine axiale
Bewegung der Spindel bringt den Klemmring in Zusammenwirken mit einem
oder dem anderen der Kolben, was zu einem Zusammendrücken des
Fluids und einem damit einhergehenden Aufbau von potentieller Energie
führt.
Wenn die Spindel und der Klemmring einen vorab gewählten Punkt
innerhalb des Gehäuses
erreichen, weitet sich der Klemmring auf und gibt die Spindel frei.
Die schnelle Bewegung der Spindel führt zu einem Schlag auf zueinander
passende Oberflächen
der Spindel und des Gehäuses,
so daß eine
Stoßkraft
erzeugt wird.
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Die vorliegende Erfindung hat die
Aufgabe, die Auswirkungen von einem oder mehreren der vorstehend
genannten Nachteile zu eliminieren oder zu vermindern.
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Offenbarung
der Erfindung
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden
Erfindung wird eine Stoßvorrichtung
geschaffen, die eine Spindel und ein Gehäuse aufweist, welches teleskopartig
um die Spindel herum angeordnet ist. Ein Kolben ist zwischen der
Spindel und dem Gehäuse angeordnet
und schließt
eine im wesentlichen abgedichtete Kammer in dem Gehäuse. Der
Kolben hat einen ersten Strömungsdurchgang
und einen zweiten Strömungsdurchgang,
um eine selektive Strömung eines
Fluids in die und aus der im wesentlichen abgedichteten Kammer zu
ermöglichen.
Ein Klemmring ist in dem Gehäuse
angeordnet, um selektiv mit der Spindel zusammenzuwirken. Die Stoßvorrichtung
ist dadurch gekennzeichnet, daß eine
Hülse um
den Klemmring herum angeordnet ist. Die Hülse ist in axialer Richtung
relativ zu dem Klemmring bewegbar und weist einen Abschnitt mit
reduziertem inneren Durchmesser auf, an dem sich der Klemmring selektiv
in radialer Richtung aufweitet, im das Zusammenwirken mit der Spindel
zu lösen.
Ein erstes Vorspannteil ist in dem Gehäuse angeordnet, um der axialen Bewegung
der Spindel entgegenzuwirken bzw. diesem zu widerstehen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die vorstehend erläuterten
und weitere Vorteile der Erfindung werden beim Studium der folgenden
detaillierten Beschreibung und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
deutlicher, wobei
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1A–1D aufeinanderfolgende Abschnitte, im
Schnitt, einer beispielhaften Ausführungsform einer Stoßvorrichtung
in ihrer neutralen Position. gemäß der vorliegenden
Erfindung erläutern;
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2 eine
Schnittansicht von 1A ist,
am Abschnitt 2-2 gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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3 eine
Schnittansicht von 1B ist,
am Abschnitt 3-3 gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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4 eine
Schnittansicht von 1B ist,
am Abschnitt 4-4 gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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5 eine
bildliche Darstellung eines beispielhaften Klemmrings der Stoßvorrichtung
nach 1A–1D gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt;
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6 eine
bildliche Darstellung eines beispielhaften Vorspannteils der Stoßvorrichtung
nach 1A–1D gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt;
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7 eine
Schnittansicht von 1C ist,
am Abschnitt 7-7 gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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8A–8D aufeinanderfolgende Abschnitte der
Stoßvorrichtung
nach 1A–1D im Schnitt zeigen, wobei
die Stoßvorrichtung
in ihrer ausgelösten Position
gemäß der vorliegenden
Erfindung dargestellt ist;
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9 eine
vergrößerte Ansicht
von ausgewählten
Abschnitten von 8C gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt; und
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10 eine
Schnittansicht entsprechend 1B zeigt,
wobei eine alternative beispielhafte Ausführungsform der Stoßvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung dargestellt ist.
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Ausführungsformen
zum Ausführen
der Erfindung
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In den nachstehend beschriebenen
Zeichnungen werden Bezugszeichen im allgemeinen wiederholt, wenn
identische Elemente in mehr als einer Figur erscheinen. Nunmehr
auf die Zeichnungen bezugnehmend, und insbesondere auf 1A–1D einschließlich, ist
dort eine beispielhafte Ausführungsform
einer hydraulischen Stoßvorrichtung 10 dargestellt,
die eine erhebliche Länge
aufweist, so daß es notwendig
ist, daß sie
in vier in Längsrichtung
abgebrochenen Schnittansichten dargestellt ist, nämlich 1A, 1B, 1C und 1D. Die Stoßvorrichtung 10 kann in
eine nicht dargestellte Bohrung über
ein Rohr, einen Rohrstrang oder einen Seilzug eingeführt werden,
je nach Zweckmäßigkeit. 1A–1D zeigen
die Stoßvorrichtung 10 in
einem neutralen oder nicht ausgelösten Zustand. Die Stoßvorrichtung 10 besteht
im wesentlichen aus einer inneren rohrförmigen Spindel 12,
die teleskopartig innerhalb eines äußeren, rohrförmigen Gehäuses 14 abgestützt ist.
Die Spindel 12 und das Gehäuse 14 bestehen jeweils aus
einer Anzahl von rohrförmigen
Segmenten, die untereinander verbunden sind, vorzugsweise durch mit
Gewinde versehene Verbindungen. Die Spindel 12 besteht
aus einem oberen rohrförmigen
Abschnitt 16, einem zwischenliegenden rohrförmigen Abschnitt 18,
der mittels Gewinde mit dem oberen rohrförmigen Abschnitt 16 bei 20 verbunden
ist, und aus einem unteren rohrförmigen
Abschnitt 22, der mittels Gewinde mit dem zwischenliegenden
rohrförmigen
Abschnitt 18 bei 24 verbunden ist. Die Spindel 12 ist
mit einer inneren Längsbohrung 26 versehen,
die sich über
die gesamte Länge
der Spindel erstreckt. Eine längliche Leiterstange 27 ist
vorgesehen, die aus einem Segment 28 besteht, das in der
Bohrung 26 positioniert ist und elektrisch von der Spindel 12 und
dem Gehäuse 14 durch
eine isolierende Hülse 30 isoliert
ist, und aus einem Segment 31, das in dem Gehäuse 14,
wobei auf 1D verwiesen
sei, positioniert ist und durch eine isolierende Hülse 32 elektrisch
isoliert ist. Die Segmente 28 und 31 sind durch
einen flexiblen Leiter 33 elektrisch miteinander verbunden.
Die Leiterstange 27 ist dafür ausgelegt, elektrischen Strom und
Signale durch die Stoßvorrichtung 10 zu übertragen.
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Das obere Ende des oberen rohrförmigen Abschnitts 16 der
Spindel 12 ist bei 35 mittels Gewinde mit einem
Anschluß (connector
sub) 34 verbunden. Der Anschluß 34 ist mit einem
aufnehmenden Kastenanschluß 36 versehen,
der dazu bestimmt ist, mittels Gewinde das aufzunehmende Ende eines
anderen, im Bohrloch befindlichen Werkzeugs oder Beschlags aufzunehmen,
das nicht dargestellt ist. Das obere Ende der Leiterstange 28 steht
geringfügig
aus der Bohrung 26 und in einen zylindrischen Bereich 38 in
dem Anschluß 34 hinein
vor. Das Segment 28 der Leiterstange 27 ist gegenüber der
Oberfläche
des zylindrischen Bereichs 38 durch einen isolierenden Ring 40 elektrisch
isoliert, der aus Teflon, Polyurethan oder aus einem sonstigen geeignetem,
isolierenden Material besteht. Die Leiterstange ist in ihrer Stellung
durch eine Verriegelungsmutter 42 fixiert, die gegen den
isolierenden Ring 40 anliegt. Eine elektrische Verbindung
zwischen der Leiterstange 28 und einem weiteren, im Bohrloch
befindlichen Werkzeug oder einer Komponente in einer Position oberhalb
der Stoßvorrichtung 10 kann
mit Hilfe eines spiralförmigen
oder aufgewickelten Leiters 44 erfolgen, der an dem oberen
Ende der Leiterstange 28 fixiert ist. Die Verbindung zwischen
dem Anschluß 34 und dem
oberen rohrförmigen
Abschnitt 16 der Spindel 12 ist gegenüber dem
Durchgang von Fluid durch ein Paar von in Längsrichtung mit gegenseitigem
Abstand angeordneten O-Ringen 46 und 48 abgedichtet.
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Das Gehäuse 14 besteht aus
einem oberen rohrförmigen
Abschnitt 50, einem zwischenliegenden rohrförmigen Abschnitt 52,
einem zwischenliegenden rohrförmigen
Abschnitt 54, einem zwischenliegenden rohrförmigen Abschnitt 56,
einem zwischenliegenden rohrförmigen
Abschnitt 58, einem zwischenliegenden rohrförmigen Abschnitt 60 und
einem unteren rohrförmigen
Abschnitt 62. Der obere rohrförmige Abschnitt 50 ist
mittels Gewinde mit dem zwischenliegenden rohrförmigen Abschnitt 52 bei 64 verbunden.
Die Verbindung zwischen dem oberen rohrförmigen Abschnitt 50 und
dem zwischenliegenden rohrförmigen Abschnitt 52 ist
gegenüber
dem Durchgang eines Fluids durch einen O-Ring 66 abgedichtet.
Der obere rohrförmige
Abschnitt 50 weist einen Abschnitt 68 mit reduziertem
Durchmesser auf, der eine nach unten weisende, ringförmige Oberfläche 70 bildet,
gegen die das obere Ende des rohrförmigen Abschnitts 52 anstößt, und
eine nach unten weisende, ringförmige Amboßfläche 72.
Der obere rohrförmige
Abschnitt 16 der Spindel 12 weist einen Abschnitt 74 mit
aufgeweitetem Durchmesser auf, der eine nach oben weisende, ringförmige Hammerfläche 76 bildet.
Wie weiter unten noch weiter beschrieben wird, wird dann, wenn die
Spindel 12 in axialer Richtung nach oben relativ zu dem
Gehäuse 14 mit
einer hohen Geschwindigkeit bewegt wird, die Hammerfläche 76 auf
die nach unten weisende Amboßfläche 72 geschlagen,
so daß eine
erhebliche, nach oben gerichtete axiale Stoßkraft erzeugt wird.
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Es ist wünschenswert, zu verhindern,
daß Schlamm
oder ein anderes Material innerhalb der Bohrung das die Stoßvorrichtung
betätigende
Fluid verschmutzt, und auch zu verhindern, daß ein Verlust an Fluid, das
die Stoßvorrichtung
betätigt,
in die Bohrung auftritt. Aus diesem Grunde weist der obere rohrförmige Abschnitt 50 eine
Dichtungsanordnung auf, die aus einer belasteten Lippendichtung 78 und aus
einem O-Ring 80 besteht, der unterhalb der belasteten Lippendichtung 78 angeordnet
ist.
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Eine Fluidkammer 82 ist
im wesentlichen durch die offenen innenliegenden Zwischenräume zwischen
dem inneren Durchmesser des Gehäuses 14 und
dem äußeren Durchmesser
der Spindel 12 festgelegt. Die Kammer 82 erstreckt
sich im wesentlichen in Längsrichtung
nach unten über
die Länge des
Gehäuses 14 und
ist an ihrem unteren Ende durch einen Druckausgleichskolben 84 abgeschlossen.
Das Innere des Gehäuses 14 unterhalb
des Druckausgleichskolbens 84 ist zu dem Ringraum der Bohrung
hin durch eine Anzahl von Öffnungen 86 belüftet, die
sich in dem zwischenliegenden rohrförmigen Abschnitt 60 befinden.
Das Arbeitsfluid des Werkzeugs ist innerhalb der Kammer 82 eingeschlossen
und hat die Möglichkeit,
durch einen Betätigungskolben 87 vor-
und zurückzuströmen, der
innerhalb des zwischenliegenden rohrförmigen Abschnitts 56 angeordnet
ist. Wie weiter unten noch beschrieben wird, weist der Betätigungskolben 87 eine Strömungsbegrenzung
auf, die es ermöglicht,
einen erheblichen übermäßigen Zug
auf die Spindel 12 aufzubringen, gefolgt von einem allmählichen
Ablassen des Fluiddrucks durch den Kolben 87 und von einem letztendlichen
Auslösen
der Stoßvorrichtung 10.
Das Arbeitsfluid kann Hydraulikfluid, leichtes Öl oder ähnliches sein.
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Nunmehr auch auf 2 bezugnehmend, wobei es sich um eine
Schnittansicht der 1A an der
Sektion 2-2 handelt, ist die innere Oberfläche 88 des zwischenliegenden
rohrförmigen Abschnitts 52 mit
einer Anzahl von über
den Umfang mit gegenseitigem Abstand verteilt angeordneten Abflachungen 90 versehen.
Die Abflachungen 90 sind so konfiguriert, daß sie verschieblich
mit einem dazu passenden Satz von außenliegenden Abflachungen 92 zusammenpassen,
der auf der Außenseite
des Abschnitts 74 mit aufgeweitetem Durchmesser der Spindel 12 gefertigt
ist.
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Das verschiebliche Zusammenwirken
der Abflachungen 90 und 92 sorgt für eine relative
verschiebliche Bewegung der Spindel 12 und des Gehäuses 14,
ohne daß eine
relative Drehbewegung zwischen diesen Teilen auftritt. Um das Arbeitsfluid der
Stoßvorrichtung 10 in
die Lage zu versetzen, schnell an dem Durchmesser 74 mit
aufgeweitetem Durchmesser vorbeizuströmen, sind eine Anzahl von außenliegenden
Schlitzen in einer oder mehreren der Abflachungen 92 eingearbeitet,
die als Strömungsdurchlässe für das Arbeitsfluid
wirken.
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Nachfolgend wird auf 1B Bezug genommen, die zeigt, daß der zwischenliegende
rohrförmige
Abschnitt 54 mit einem oberen Abschnitt 96 mit
reduziertem Durchmesser versehen ist, der mittels Gewinde mit dem
oberen Ende des zwischenliegenden Abschnitts 52 bei 98
in Eingriff steht. Die Verbindung zwischen dem zwischenliegenden
Abschnitt 52 und dem oberen Abschnitt 96 mit reduziertem
Durchmesser ist gegenüber
einem Durchgang von Fluid durch einen O-Ring 100 abgedichtet.
Der obere Abschnitt 96 mit reduziertem Durchmesser legt
eine nach oben weisende, ringförmige
Oberfläche 102 fest,
gegen die das untere Ende 104 des Abschnitts 74 mit
aufgeweitetem Durchmesser der Spindel 12 anliegen kann.
Die ringförmige
Oberfläche 102 stellt
die untere Grenze der nach unten gerichteten axialen Bewegung der
Spindel 12 relativ zu dem Gehäuse 14 dar. Der zwischenliegende
Abschnitt 54 weist einen im wesentlichen identischen, unteren
Abschnitt 106 mit reduziertem Durchmesser auf, der über Gewinde
mit dem oberen Ende des zwischenliegenden Abschnitts 56 bei
108 in Eingriff steht. Die Verbindung zwischen dem unteren Abschnitt 106 mit
aufgeweitetem Durchmesser und dem zwischenliegenden rohrförmigen Abschnitt 56 ist
gegenüber
dem Durchgang eines Fluids durch einen O-Ring 110 abgedichtet.
Nunmehr auch auf 3 bezugnehmend,
die eine Schnittansicht von 1B an
der Sektion 3-3 zeigt, ist der zwischenliegende Abschnitt mit einem
oder mehreren Füllanschlüssen 112 versehen,
die durch Fluidstopfen 114 abgeschlossen sind. Jeder der
Fluidstopfen 114 besteht aus einer sechseckigen Mutter 116,
die eine Dichtscheibe 118 zusammendrückt, die mit einem O-Ring 120 und
einem Dichtring 122 versehen ist. Der Dichtring 122 ist
an dem äußeren Durchmesser
des O-Rings 120 angeordnet und ist aus Gründen der
Vereinfachung der Darstellung in 1B nicht mit
einem getrennten Bezugszeichen bezeichnet. Die Füllanschlüsse 112 sind dazu
bestimmt, das Füllen
der Fluidkammer 82 mit Hydraulikfluid zu ermöglichen.
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Die Wanddicke des zwischenliegenden
Abschnitts 54 in der Nähe
der Füllanschlüsse 112 muß groß genug
sein, um die Profile der Stopfen 114 aufzunehmen, während ausreichend
Material vorhanden sein muß,
um den großen
Drücken
zu widerstehen, die mit dem Betrieb der Stoßvorrichtung 10 einhergehen.
Dies bringt eine relativ enge Toleranz zwischen dem inneren Durchmesser
des zwischenliegenden Abschnitts 54 und dem zwischenliegenden Abschnitt 18 der
Spindel 12 mit sich und würde an sich eine bedeutende
Verengung bzgl. des Durchgangs von Hydraulikfluid an dem zwischenliegenden Abschnitt 18 vorbei
bedeuten. Um diese mögliche Strömungsverengung
abzuschwächen,
ist der zwischenliegende Abschnitt 18 der Spindel 12 mit
einem ovalen Querschnitt versehen, wie dargestellt, der kreissegmentförmige Strömungsdurchgänge 124 auf beiden
Seiten davon bildet.
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Das untere Ende 108 des
rohrförmigen
Abschnitts 54 bildet eine nach unten weisende ringförmige Fläche 126,
gegen die das obere Ende eines Vorspannteils 128 anliegt.
Das Vorspannteil 128 besteht vorzugsweise aus einem Stapel
von Bellville-Federn, obwohl andere Arten von Federanordnungen möglich sein
könnten,
wie bspw. eine oder mehrere Spiralfedern. Wie weiter unten mehr
im einzelnen beschrieben wird, ist das Vorspannteil 128 dafür ausgelegt,
einer nach oben gerichteten axialen Bewegung des Betätigungskolbens 87 entgegenzuwirken
und den Betätigungskolben 87 in
die in 1B dargestellte
Position zurückzubewegen,
nachdem eine nach oben gerichtete Stoßbewegung der Stoßvorrichtung 10 aufgetreten
ist. Das Vorspannteil 128 stellt auch eine Vorspannung
oder Vorbelastung für die
Stoßvorrichtung 10 bereit,
die die Bedienungsperson in die Lage versetzt, eine nach oben gerichtete
axiale Kraft auf die Spindel 12 aufzubringen, ohne daß notwendigerweise
ein Auslösezyklus
beginnt. Beispielsweise kann das Vorspannteil 128 so konfiguriert
sein, daß es
eine nach unten gerichtete Kraft von 1000 1b. auf die Spindel 12 ausübt, wobei
sich die Stoßvorrichtung 10 in
der Position befindet, die in 1A–1D dargestellt ist. Solange
wie die nach oben gerichtete axiale Kraft, die auf die Spindel 12 aufgebracht
ist, diese Vorbelastung nicht überschreitet,
beginnt die Stoßvorrichtung 10 keinen
Auslösezyklus.
Auf diese Weise erhält
die Bedienungsperson eine gewisse Flexibilität hinsichtlich des Ziehens
an den Komponenten, die mit der Stoßvorrichtung 10 verbunden
sind. Wahlweise kann das Vorspannteil 128 weggelassen werden
und allein ein hydraulischer Druck verwendet werden.
-
Der Aufbau des Betätigungskolbens 87 kann im
einzelnen unter Bezugnahme auf 1B und 4 verstanden werden, wobei
es sich um eine Schnittansicht von 1B handelt,
an der Sektion 4-4. Der Betätigungskolben 87 stellt
einen Mechanismus bereit, um den Abschnitt der Fluidkammer 82,
der sich oberhalb von diesem befindet, im wesentlichen abzudichten,
um zu ermöglichen,
daß sich
darin ein Druck aufbaut. Auf diese Weise widersteht die Hydraulikkammer 82 der
Bewegung der Spindel 12 nach oben relativ zu dem Gehäuse 14.
Dies bedeutet, daß eine
relative Bewegung der Spindel 12 nach oben relativ zu dem
Gehäuse 14 das
Volumen des Abschnitts der Hydraulikkammer 82 oberhalb
des Betätigungskolbens 87 vermindert,
was zu einem erheblichen Anstieg des inneren Drucks in diesem Abschnitt
der Kammer 82 führt,
so daß eine
axiale Krafte erzeugt wird, um dieser relativen Bewegung zu widerstehen. Dieser
Widerstand gegenüber
einer relativen Bewegung ermöglicht
einen großen
Aufbau von potentieller Energie.
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Der Betätigungskolben 87 hat
eine relativ glatte zylindrische Bohrung 130, durch die
die Spindel 12 verschieblich angeordnet ist und gegenüber einer
Leckage von Fluid um ihre äußere Oberfläche und
entlang der Spindel 12 durch ein Paar von O-Ringen 132 und 134 abgedichtet
ist, die benachbart zu der äußeren Oberfläche bzw.
der inneren Oberfläche des
Betätigungskolbens 87 angeordnet
sind. Der Betätigungskolben 87 weist
einen rohrförmigen
Kolbenkörper 136 auf,
der durch eine ringförmige
Kappe 138 abgeschlossen ist. Die Kappe 138 ist
an dem Grundkörper 136 durch
vier Sechskant-Inbusschrauben 140 befestigt. Das untere
Ende des Grundkörpers 136 ist
durch einen Lagerring 142 eingefaßt, der durch eine oder mehrere
Stellschrauben 144 an Ort und Stelle gehalten wird. Ein
Stützring 146 ist
zwischen dem O-Ring 134 und einer nach oben weisenden,
ringförmigen
Fläche
des Lagerrings 142 angeordnet. Ein ähnlicher Ring 148 ist
zwischen dem O-Ring 132 und dem oberen Ende des Lagerrings 142 angeordnet.
Der Betätigungskolben 87 weist zwei
im wesentlichen parallele Strömungsdurchgänge 150 und 152 auf.
Der erste Strömungsdurchgang 150 ist
so ausgelegt, daß er
die begrenzte Strömung des
Fluids aus dem Abschnitt der Kammer 82, der sich oberhalb
des Kolbens 87 befindet, ermöglicht, um den Aufbau eines
Drucks in der Kammer 82 oberhalb des Kolbens 87 zu
ermöglichen,
während
er gleichzeitig zuläßt, daß sich der
Betätigungskolben 87 nach
oben bewegt, bis die Stoßvorrichtung 10 auslöst, wie
mehr im einzelnen noch weiter unten beschrieben wird. In dieser
Hinsicht weist der obere Abschnitt des ersten Strömungsdurchgangs 150 eine herkömmliche
Strömungsbegrenzungsöffnung 154 auf.
Eine Vielfalt von bekannten Strömungsbegrenzungseinrichtungen
kann verwendet werden. In einer beispielhaften Ausführungsform
ist die Strömungsbegrenzungsöffnung 154 ein
Visco Jet, Modell 187. Der zweite Strömungsdurchgang 152 erstreckt
sich ebenfalls von dem oberen Ende des Betätigungskolbens 87 und
endet unterhalb des O-Rings 132, der zu dem Strömungsdurchgang
führt,
der durch den Spalt zwischen dem äußeren Durchmesser des Lagerrings 142 und
dem inneren Durchmesser des zwischenliegenden rohrförmigen Abschnitts 56 gebildet
wird. Der Strömungsdurchgang 152 ist
so ausgelegt, daß er die
Strömung
des Fluids von dem Abschnitt der Hydraulikkammer 82 durch
den Betätigungskolben 87 während dessen
nach oben gerichteter Bewegung verhindert, während eine ungehinderte Strömung des
Fluids in der umgekehrten Richtung während der nach unten gerichteten
Bewegung des Betätigungskolbens 87 zugelassen
wird. In dieser Hinsicht weist der Strömungsdurchgang 152 ein
herkömmliches Einwege-Strömungsventil
auf, das in 1B oder 4 nicht dargestellt ist.
Das Einwege-Strömungsventil
kann in einer aus einer Vielzahl von herkömmlichen Bauarten ausgeführt sein.
In einer beispielhaften Ausführungsform
ist das Strömungsventil
ein Lee Chek, Modell 187, hergestellt durch die Lee Company,
West Brook, Conn. In der dargestellten Ausführungsform enden die Strömungsdurchgänge 150 und 152 an
ihren unteren Enden in einer Biegung um 90°. Diese Konfiguration ist nur
deshalb notwendig, um den O-Ring 132 zu umgehen. Allerdings
sei darauf verwiesen, daß die
Strömungsdurchgänge 150 und 152 sich
alternativ durch die gesamte Länge
des Kolbens 87 erstrecken können, wobei dann die Notwendigkeit
für die
Biegung um 90° und
für den
ringförmigen
Spalt zwischen dem Lagerring 142 und der inneren Oberfläche des
rohrförmigen
Abschnitts 56 vermieden wird. Der zwischenliegende rohrförmige Abschnitt 56 weist
einen Abschnitt mit reduziertem Durchmesser auf, der eine nach oben
weisende, ringförmige
Schulter 156 festlegt, gegen die das untere Ende des Kolbens 87 aufliegt.
Diese Schulter 156 legt die untere Grenze der nach unten
gerichteten Bewegung des Betätigungskolbens 87 fest.
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Unter Bezugnahme auf 1B und 1C sei darauf
verwiesen, daß der
Betätigungskolben 87 gemeinsam
mit dem Fluiddruck in dem Abschnitt der Kammer 82 oberhalb
des Kolbens 87 und des Vorspannteils 128 so wirkt,
daß die
nach oben gerichtete Bewegung der Spindel 12 verzögert wird,
um den Aufbau einer potentiellen Energie in dem Arbeitsstrang zu
ermöglichen,
wenn eine Zugbelastung auf die Spindel von der Oberfläche aus
aufgebracht wird. Diese Übertragung
einer oben wirkenden Kraft auf die Spindel 12 zu dem Betätigungskolben 87 erfordert
eine mechanische Verbindung zwischen der Spindel 12 und
dem Betätigungskolben 87.
Diese mechanische Verbindung wird durch einen im wesentlichen rohrförmigen Klemmring 158 bereitgestellt,
der innerhalb des rohrförmigen
Abschnitts 56 angeordnet ist. Die Spindel 12 und
insbesondere der zwischenliegende rohrförmige Abschnitt 12 davon
erstrecken sich durch den Klemmring 158.
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Der Aufbau des Klemmrings 158 kann
im einzelnen verstanden werden, indem nunmehr auch auf 5 Bezug genommen wird, bei
der es sich um eine bildliche Darstellung des Klemmrings, der von der
Stoßvorrichtung 10 abgenommen
ist, handelt. Der Klemmring 158 weist eine Anzahl von sich
in Längsrichtung
erstreckenden und in Umfangsrichtung mit gegenseitigem Abstand angeordneten Schlitzen 160 auf,
die den zentralen Abschnitt des Klemmrings 158 in eine
Anzahl von sich in Längsrichtung
erstreckenden und in Umfangsrichtung mit gegenseitigem Abstand angeordneten
Segmenten 162 unterteilen. Während der Arbeitsweise der
Stoßvorrichtung 10 werden
die Segmente 162 Biegespannungen unterworfen. Daher ist
es zweckmäßig, die Enden 164 der
Schlitze 160 abzurunden, um die Entstehung von Spannungsspitzen
zu vermeiden. Jedes der longitudinalen Segmente 162 weist
ein nach außen
vorstehendes primäres
Teil oder Flansch 166 und eine Anzahl von nach außen vorstehenden,
sekundären
Teilen oder Flanschen 168 auf. Der primäre Flansch 166 ist
oberhalb der sekundären
Flansche 168 angeordnet und weist eine größere Breite
als die sekundären
Flansche 168 auf. Die innenliegende Fläche eines jeden Segments 162 ist
mit einem primären,
nach innen weisenden Teil oder Flansch 170 und mit einer
Anzahl von sekundären,
nach innen weisenden Teilen oder Flanschen 172 versehen
und die äußere Oberfläche des
Abschnitts 18 der Spindel 12 ist mit einer Anzahl
von äußeren Nuten
oder Flanschen 174 versehen, die so figuriert sind, daß sie mit den
primären
und sekundären,
nach innen weisenden Flanschen 170 und 172 des
Klemmrings 178 in Eingriff stehen.
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Die oberen und unteren Enden des
Klemmrings 158 enden in entsprechenden ringförmigen, ebenen
Oberflächen 176 und 178.
Ein Kompressionsring 180 ist zwischen der oberen ringförmigen Oberfläche 176 und
dem unteren Ende des Lagerrings 143 auf dem Betätigungskolben 87 angeordnet. Solange
wie die nach innen weisenden Flansche 170 und 172 des
Klemmrings 158 in physikalischem Zusammenwirken mit den
Flanschen 174 des Abschnitts 18 der Spindel gehalten
sind, wird eine axiale Kraft, die auf die Spindel 12 ausgeübt wird,
durch dem Klemmring 158 und zu dem Kompressionsring 180 und
von dort zu dem Betätigungskolben 87 übertragen.
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Eine rohrförmige Hülse 182 ist um den Klemmring 158 herum
und innerhalb des zwischenliegenden rohrförmigen Abschnitts 56 angeordnet. Die
Hülse 182 ist
in einem Abschnitt mit aufgeweitetem Durchmesser des zwischenliegenden
Abschnitts 56 angeordnet, der eine nach unten weisende,
ringförmige
Oberfläche 184 bildet,
die die obere Grenze der axialen Bewegung der Hülse 182 festlegt.
Das obere Ende der Hülse 182 ist
mit einem Abschnitt mit reduziertem Durchmesser versehen, der aus
einer Anzahl von nach innen vorstehenden Flanschen 185 besteht,
die durch eine entsprechende Anzahl von Nuten 186 getrennt
sind, welche so bemessen und konfiguriert sind, daß sie die
nach außen
vorstehenden, sekundären
Flansche 168 des Klemmrings 158 aufnehmen, wenn
das Werkzeug 10 ausgelöst
wird. Wenn eine nach oben gerichtete, axiale Kraft auf die Spindel 12 ausgeübt wird,
bewegt sich der Klemmring 158 langsam nach oben in axialer
Richtung, bis ein ausreichender Druck aus der Hochdruckseite der Kammer 82 abgelassen
worden ist. In dem Moment, wenn die nach außen vorstehenden sekundären Flansche 168 sich
in Ausrichtung mit den Nuten 186 der Hülse 182 befinden,
weiten sich die Segmente 182 des Klemmrings in radialer
Richtung nach außen auf,
bis die Flansche 168 in den Nuten 186 sitzen.
An diesem Punkt wird die Spindel 12 von der verzögernden
Wirkung des Klemmrings
158 gelöst und zu einer schnellen,
nach oben gerichteten Beschleunigung freigesetzt, wobei die Hammeroberfläche 76 auf
die Amboßoberfläche 72 getrieben
wird.
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Das untere Ende der Hülse 182 endet
in einer nach unten weisenden ringförmigen Oberfläche 188,
die auf einem Vorspannelement 190 sitzt. Das Vorspannelement 190 sitzt
seineseits auf der nach oben weisenden ringförmigen Oberfläche 192 des zwischenliegenden
rohrförmigen
Abschnitts 58. Das Vorspannteil 190 kann eine
Wellenfeder, eine Spiralfeder oder eine sonstige Bauart eines Vorspannteils sein.
In einer beispielhaften Ausführungsform
ist das Vorspannteil 190 eine Wellenfeder. 6 zeigt eine bildliche Darstellung eines
beispielhaften Vorspannteils 190 in Form einer Wellenfeder.
Wie in 6 dargestellt
ist, weist das Vorspannteil 190 eine Anzahl von Erhöhungen 194 auf,
die sich in physikalischem Kontakt mit dem unteren Ende der Hülse 182 befinden,
und eine Anzahl von Vertiefungen 196, die sich normalerweise
in Kontakt mit der nach oben weisenden ringförmigen Fläche 192 befinden.
Das Vorspannteil 190 ist so ausgelegt, daß es die
Hülse 182 nach
oben vorspannt, bis die Flansche 168 und die Nuten 186 ausgerichtet
sind. An diesem Punkt versetzt das Vorspannteil 190 die
Hülse 182 in
die Lage, sich geringfügig
in axialer Richtung nach unten zu bewegen, um den Auslösevorgang
der Stoßvorrichtung 10 zu
vervollständigen.
Diese Funktion wird mehr im einzelnen weiter unten beschrieben.
-
Nochmals auf 1 C bezugnehmend, ist das untere Ende
des zwischenliegenden rohrförmigen
Abschnittes 56 mittels Gewinde mit dem oberen Ende des
zwischenliegenden rohrförmigen
Abschnitts 58 bei 198 in Eingriff gebracht. Diese
Verbindung ist gegenüber
einem Fluiddurchgang durch einen O-Ring 200 abgedichtet.
-
Das untere Ende des zwischenliegenden rohrförmigen Abschnitts 58 weist
einen Bereich 202 mit aufgeweitetem Durchmesser auf, der
einen ringförmigen
Zwischenraum für
die verschiebliche Bewegung des Ausgleichskolbens 84 bereitstellt.
Der Ausgleichkolben 84 ist um den unteren rohrförmigen Abschnitt 22 der
Spindel 12 gelagert und dafür ausgelegt, sicherzustellen,
daß der
Druck des Fluids, der auf die untere Seite des Kolbens 87 wirkt,
im wesentlichen gleich dem Druck in dem Ringraum ist. Der Ausgleichskolben 84 ist
innen abgedichtet, d. h. gegen die Oberfläche des Spindelabschnitts 22,
durch einen O-Ring 204 und eine in Längsrichtung beabstandete, belastete
oder angedrückte
Lippendichtung 206. Der Kolben 84 ist außen abgedichtet,
d. h. gegen die innerer Oberfläche
des Abschnitts 202 mit aufgeweitetem Durchmesser, durch
einen O-Ring 208 und eine in Längsrichtung beabstandete Lippendichtung 210,
wobei diese Elemente im wesentlichen identisch mit dem O-Ring 204 und
der Lippendichtung 206 sind. Das untere Ende des zwischenliegenden
rohrförmigen
Abschnitts 58 steht mittels Gewinde mit dem oberen Ende
des zwischenliegenden rohrförmigen
Abschnitts 60 bei 212 in Eingriff. Diese Verbindung
ist durch einen O-Ring 214 abgedichtet.
-
Die Gewindeverbindung zwischen dem
zwischenliegenden Spindelabschnitt 78 und dem unteren Spindelabschnitt 22 ist
gegenüber
einem Fluiddurchgang durch einen O-Ring 216 abgedichtet.
Wie der Abschnitt 74 mit aufgeweitetem Durchmesser des
oberen Spindelabschnitts 10 ist die Außenseite des oberen Ende 118 des
unteren, rohrförmigen Spindelabschnitts 22 mit
einer sechseckförmigen äußeren Gestalt
versehen, wie besser aus 7 hervorgeht,
wobei es sich hierbei unreine Schnittansicht der 1C handelt, an der Sektion 7-7. Der sechseckige
Querschnitt stellt ebene Oberflächen
bereit, um die Verbindung der Abschnitte 18 und 22 mittels
Gewinde zu vereinfachen und um Strömungsdurchgänge für Fluid zur Bewegung an dem
rohrförmigen
Abschnitt 22 vorbei bereitzustellen.
-
Das untere Ende der Stoßvorrichtung 10 wird nachfolgend
beschrieben. Unter Bezugnahme auf 1D endet
das untere Ende des unteren rohrförmigen Spindelabschnitts 22 in
einer elektrischen Anschlußanordnung 220,
die ein leitendes Spitzenteil 222 aufweist, welches mittels
Gewinde an dem unteren Ende des Segments 28 der Leiterstange 27 befestigt
ist. Die Spitze 222 kann aus einer Vielfalt von leitenden
metallischen Materialien bestehen, wie bspw. aus Messing, weichem
Kohlenstoffstahl oder ähnlichem.
In einer beispielhaften Ausführungsform besteht
die Spitze 222 aus Messing. Die Spitze 222 ist
von dem Spindelabschnitt 22 durch einen isolierenden Abstandsring 224 elektrisch
isoliert, der aus einer Anzahl von bekannten isolierenden Kunststoffmaterialien
bestehen kann. Der flexible Leiter 33 ist an der Spitze 222 durch
eine Stellschraube 228 befestigt. Der flexible Leiter 33 ist
vorzugsweise ein umhüllter
Leiter oder ein Satz von Leitern, der oder die die Weiterleitung
von elektrischem Strom von dem Leiterstangensegment 28 zu
einer anderen elektrischen Leiteranordnung 230 ermöglichen,
die mit dem Leiterstangensegment 31 verbunden ist, welche
im wesentlichen identisch mit der Leiteranordnung 220 ist,
allerdings in einer umgekehrten Orientierung. Es sei darauf verwiesen,
daß der
flexible Leiter 33 mit einem erheblichen Maß an loser
Länge versehen
ist. Dies ist notwendig, um zu ermöglichen, daß der Leiter 33 in
axialer Richtung gestreckt werden kann, wenn die Spindel 12 in
axialer Richtung nach oben bewegt wird. Das untere Ende der elektrischen
Anschlußanordnung 230 steht
mittels Gewinde mit dem Leiterstangensegment 31 in Eingriff.
Das Leiterstangensegment 31 ist in einer Bohrung 236 in
dem unteren rohrförmigen
Abschnitt 62 positioniert. Der untere rohrförmige Abschnitt
steht mittels Gewinde mit dem unteren Ende des zwischenliegenden
rohrförmigen Abschnitts 60 bei 238 in
Eingriff. Das untere Ende 240 des unteren rohrförmigen Abschnitts 62 kann
mit einem reduzierten Durchmesser, einem Satz von außenliegenden
Gewindegängen 242 und
einem Paar O-Ringe 243 versehen sein, um die Verbindung
mit einem weiteren, im Bohrloch befindlichen Werkzeug oder einer
Komponente einer im Bohrloch befindlichen Anordnung zu erleichtern.
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Eine Anzahl von Materialien kann
dazu verwendet werden, um die größeren Komponenten
der Stoßvorrichtung 10 herzustellen.
Beispiele sind etwa weicher und legierter Stahl, rostfreie Stähle oder ähnliches.
Verschleißflächen wie
bspw. die Außenfläche der
Spindel 12 können
aufgekohlt werden, um eine härtere
Oberfläche
bilden.
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Die stoßerzeugende Bewegung der Stoßvorrichtung 10 wird
unter Bezugnahme auf 1A bis 1D schließlich verständlich, und auch unter Bezugnahme
auf 8A bis 8D einschließlich. 8A bis 8D zeigen die Stoßvorrichtung 10 unmittelbar
nachdem sie ausgelöst
hat. In einem unbelasteten Zustand befindet sich die Stoßvorrichtung 10 in
einer neutralen Stellung, wie sie in 1A bis 1D einschließlich dargestellt
ist. Um eine stoßerzeugende Bewegung
der Stoßvorrichtung 10 auszulösen, wird eine
nach oben gerichtete Zugbelastung auf die Spindel 12 über den
Anschluß 34 aufgebracht.
Der Bereich von zulässigen
Größen von
Zugbelastungen und von daher die erzeugte, nach oben gerichtete Stoßkraft ist
lediglich durch die strukturellen Grenzen der Stoßvorrichtung 10 und
die darin befindlichen Dichtungen begrenzt, und durch den Strang
bzw. den Seilzug, an dem die Stoßvorrichtung 10 aufgehängt ist.
Wenn eine Kraft auf die Spindel 12 aufgebracht wird, wird eine
nach oben gerichtete axiale Kraft auf den Klemmring 158 übertragen,
und zwar durch das Zusammenwirken der äußeren Flansche 174 der Spindel 12 mit
den nach innen weisenden Flanschen 170 und 172 des
Klemmrings 158. Die obere ringförmige Oberfläche 176 des
Klemmrings wird dann mit dem Kompressionsring 180 in Zusammenwirken
gebracht. Wenn die aufgebrachte Last die Vorbelastung des Vorspannteils 128 überschreitet,
wird der Betätigungskolben 87 geringfügig in axialer
Richtung nach oben bewegt, so daß das Hydraulikfluid komprimiert wird,
das in der Kammer 82 eingeschlossen ist. Die nach oben
gerichtete Bewegung des Betätigungskolbens 87 und
daraufhin die des Klemmrings 158 und der Spindel 12 werden
verzögert
durch den Druck des Fluids, das innerhalb des Abschnitts der Hydraulikkammer 82 oberhalb
des Betätigungskolbens 87 zusammengedrückt wird,
und durch die nach unten wirkende Kraft des Vorspannteils 128,
so daß die Möglichkeit
geschaffen wird, eine potentielle Energie in dem Strang aufzubauen.
Wie weiter oben erörtert, wird
eine nach oben gerichtete axiale Bewegung des Betätigungskolbens 87 durch
eine eingeschränkte Strömung des
Hydraulikfluids von der Hochdruckseite der Kammer 82 durch
den Strömungsdurchgang 154 aufgenommen.
Der Betätigungskolben 87,
der Klemmring 158 und die Spindel 12 führen eine
fortgesetzte, stetige aber langsame und nach oben gerichtete Bewegung
aus, während
das Fluid weiterhin von der Hochdruckseite der Kammer 82 nach
unten durch den Betätigungskolben 87 und
in die unteren Bereiche der Kammer 82 strömt.
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Wenn die primären, nach außen weisenden Flansche 166 des
Klemmrings 158 soeben von dem oberen Ende der Hülse 182 freikommen,
befinden sich die nach außen
vorstehenden Flansche 168 im wesentlichen in Ausrichtung
mit den Kanälen 186 der Hülse 182.
An diesem Punkt können
die Segmente 182 sich in radialer Richtung nach außen genügend aufweiten,
so daß die
nach außen
vorstehenden Flansche 174 der Spindel 12 von den
nach innen vorstehenden Flanschen 170 und 172 des
Klemmrings 158 freikommen, so daß die Spindel 12 die
Möglichkeit
erhält,
sich nach oben ungehindert und schnell relativ zu dem Gehäuse 14 zu
verlagern. Ohne die Verengungen des Klemmrings 158 und
des Betätigungskolbens 87 beschleunigt
die Spindel 12 schnell nach oben und bringt die Hammeroberfläche 76 der Spindel 12 schnell
in Kontakt mit der Amboßoberfläche 72 des
rohrförmigen
Abschnitts 50 des Gehäuses 14,
wie in 8A dargestellt
ist. Wenn die Spannung auf der Spindel 12 nachgelassen
wird, drückt das
Vorspannteil 128 den Kolben 87 nach unten in die
Position, die in 1B dargestellt
ist. Diese nach unten gerichtete Bewegung wird von einer Strömung des
Fluids nach oben durch den Kolben 87 hindurch begleitet.
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Der Klemmring 158 sorgt
für einen
relativ kurzen Auslöse-
oder Abmeßhub.
Der Abmeßhub
ist näherungsweise
durch den Abstand zwischen den primären Flanschen 166 und
den untersten sekundären
Flanschen 168 festgelegt. Dieser relativ kurze Abmeßhub minimiert
die abgelassene oder verlorene potentielle Energie und minimiert
das Maß an
Arbeitsfluid, das durch den Kolben hindurchgehen muß, so daß die Erzeugung
von Wärme
in dem Fluid reduziert wird.
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Der Klemmring 158 ist mit
einer Anzahl von hauptsächlich
nach außen
vorstehenden Flanschen 166 versehen, die breiter sind als
die Kanäle 186 in der
Hülse 182.
Diese beabsichtigte Fehlanpassung im Hinblick auf die Abmessungen
ist dazu bestimmt, zu verhindern, daß einer oder mehrere der sekundären, nach
außen
vorstehenden Flansche 168 vorzeitig mit einem der unteren
Kanäle 186 in
Eingriff kommen und sich mit diesen verriegeln. Ein solcher vorzeitiger
Eingriff zwischen den nach außen
vorstehenden sekundären
Flanschen 168 und den Kanälen 186 könnte die
zusätzliche
axiale Bewegung der Spindel 12 verhindern oder zu einem
vorzeitigen Lösen
der Spindel 12 und als Folge davon zu einer unzureichenden
Aufbringung von nach oben gerichteter Stoßkraft führen.
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Die Funktion des Vorspannteils 190,
das in 1C dargestellt
ist, wird verständlich,
indem nun auf 9 Bezug
genommen wird, bei der es sich um eine vergrößerte Schnittansicht der Abschnitte
nach 8C handelt, die
im wesentlichen durch die gestrichelten ovalen Linien 244 und 246 umschrieben
sind. Der Klemmring 158 ist nach einer erheblichen nach oben
gerichteten axialen Bewegung dargestellt und unmittelbar vor dem
Auslösen über eine
radial nach außen
gerichtete Bewegung der sekundären,
nach außen
vorstehenden Flansche 168 in die Kanäle 186 der Hülse 182.
Wenn der Klemmring 158 in die Position bewegt wird, die
in 9 dargestellt ist,
wobei es sich um eine Position unmittelbar vor dem Auslösen handelt,
tritt eine Punktbelastung zwischen den Oberflächen 248 der nach
außen
vorstehenden Flansche 168 und den Oberflächen 250 der
Hülse 182 auf.
Diese Punktbelastung würde
während
einer gewissen Zeitspanne andauern, während sich der Klemmring 158 nach
oben bewegt, und bis die abgeschrägten Oberflächen der Flansche 168 beginnen, entlang
der abgeschrägten
Oberflächen
der Kanäle 186 nach
außen
zu gleiten. Wenn die Hülse 182 während dieses
Vorgangs ortsfest gehalten wird, kann die Punktbelastung zwischen
den Oberflächen 248 und 250 zu
einem erheblichen Verschleiß dieser
Eckoberflächen
führen.
Allerdings ermöglicht
das Vorspannteil 190, daß die Punktbelastung auf den
Oberflächen 248 und 250 die
Hülse 182 in
axialer Richtung in Richtung des Pfeils 252 nach unten
bewegt und das Vorspannteil 190 zusammendrückt. Die nach
unten gerichtete axiale Bewegung der Hülse 182 gibt den Flanschen 168 die
Möglichkeit,
schnell in die Kanäle 186 zu
gleiten und die Dauer der Punktbelastung zwischen den Oberflächen 248 und 250 zu minimieren.
Auf diese Weise wird der Verschleiß der Eckoberflächen 248 und 250 wesentlich
reduziert. Diese Funktion kann auch ohne das Vorspannteil 220 erfüllt werden.
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Eine alternative, beispielhafte Ausführungsform
der Stoßvorrichtung,
die hierbei als 10' bezeichnet
ist, wird verständlich,
indem nunmehr auf 1A, 1C, 1D und auf 10 Bezug
genommen wird, bei der es sich um eine Schnittansicht ähnlich 1B handelt. Diese alternative
Ausführungsform
kann im wesentlichen identisch mit der Ausführungsform der Stoßvorrichtung 10 sein,
die in 1A bis 1D dargestellt ist, mit einer
wesentlichen Ausnahme. In dieser erläuternden Ausführungsform
ist der vorgenannte Betätigungskolben 87 (s. 1B) weggelassen, und der
Widerstand gegenüber
einer nach oben gerichteten Bewegung der Spindel 12 wird
lediglich durch das Vorspannteil bereitgestellt, das nun mit 128' bezeichnet
ist, und durch etwa auftretende Reibungskräfte, die auf den Gleitoberflächen der
sich bewegenden Teile wirken. Eine axiale Kraft, die auf die Spindel 12 einwirkt,
wird durch direkten physikalischen Kontakt mit der Hülse 180' an das Vorspannteil 128' übertragen.
Hydraulikfluid ist nach wie vor in der Kammer 82 vorhanden,
um die gleitenden Teile zu schmieren. Das Vorspannteil 128' ist so konfiguriert,
um eine bekannte, nach unten weisende Kraft bereitzustellen, wenn
es bis zu dem Punkt zusammengedrückt
wird, an dem der Klemmring 158 auslöst. Auf diese Weise kann das
Vorspannteil 128' an
der Oberfläche
konfiguriert werden, so daß die
Stoßvorrichtung 10' eine bekannte,
nach oben gerichtete Stoßkraft
ausübt, wenn
sie ausgelöst
wird.
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Um die Stoßvorrichtung 10' auszulösen, wird eine
nach oben gerichtete axiale Kraft auf die Spindel 12 aufgebracht.
Wenn die axiale Kraft die Vorbelastung des Vorspannteils 128' überschreitet,
bewegen sich die Hülse 180' und die Spindel 12 nach
oben, wobei das Vorspannteil 128' zusammengedrückt wird. Wenn die aufgebrachte
Last groß genug
ist, um das Vorspannteil 128' weit
genug zusammenzudrücken,
so daß der
Klemmring 158 seinen Auslösepunkt erreicht, löst die Stoßvorrichtung 10' aus und gibt
eine axiale Stoßkraft
ab.
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Obwohl die Erfindung unterschiedlichen
Modifikationen und alternativen Formen unterworfen sein kann, sind
spezielle Ausführungsformen
im Wege von Beispielen in den Zeichnungen dargestellt worden und
sind im einzelnen hierin beschrieben. Allerdings sein darauf verwiesen,
daß die
Erfindung nicht auf die speziellen, beschriebenen Ausführungsformen
begrenzt sein soll. Statt dessen deckt die Erfindung sämtliche
Modifikationen, Äquivalente
und Alternativen ab, die in den Bereich der Erfindung fallen, wie
er durch die folgenden beigefügten
Ansprüche
festgelegt ist.