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Hintergrund der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtungen zum Herstellen
von elektrischen Verbindungen an entfernten Orten, z. B. in einem Ölbohrloch.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine mechanische Verriegelung
zum Verbinden zweier zusammenpassender Teile eines elektrischen Verbinders.
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Beim
Bohren eines Bohrlochs werden gewöhnlich gewisse Abschnitte des
Bohrlochs überwacht
oder "vermessen". Die Bohrlochvermessung beinhaltet
das Erlangen und Aufzeichnen von Daten, die mit einer oder mehreren
Eigenschaften der von dem Bohrloch durchdrungenen Formationen zusammenhängen. Mittels
geeigneter Vermessungswerkzeuge können verschiedenartige, z.
B. mechanische, akustische, elektrische und radiologische bzw. radiometrische,
Vermessungen vorgenommen werden. Bei der Vermessung per Drahtleitung
(wireline Jogging) werden die Vermessungswerkzeuge an einem bewehrten
elektrischen Kabel oder einer Drahtleitung, die um die Trommel einer
Seilwinde gewickelt ist, in das Bohrloch eingefahren. Die Vermessungswerkzeuge
führen
in ausgewählten
Tiefen des Bohrlochs Messungen durch und senden Signale über das
Kabel an eine Vermessungseinheit an der Erdoberfläche. Die
Vermessungswerkzeuge können
mit Hilfe der Schwerkraft durch bloßes Abwickeln des Kabels von
der Seilwindentrommel in vertikale Bohrlöcher abgesenkt werden. Bei
horizontalen oder stark abgelenkten Bohrlöchern ist die Schwerkraft häufig nicht
ausreichend, um die Vermessungswerkzeuge in die zu vermessenden
Tiefen zu bewegen. In diesen Fällen
ist es manchmal notwendig, die Vermessungswerkzeuge zusammen mit
dem Gestängerohr, einer
Rohrwendel (coiled tubing) oder dergleichen längs des Bohrlochs zu schieben.
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Die
Vermessung per Drahtleitung ist wegen des Vorhandenseins des Kabels
kompliziert. Es ist mühsam
und gefährlich,
vor dem Absenken des Vermessungswerkzeugs in das Bohrloch das Kabel durch
sämtliche
Gestängerohre
zu ziehen. Daher sind einige Verfahrsysteme entwickelt worden wie etwa jenes,
das unter dem Handelsnamen Tough Logging Conditions System (TLCS)
von Schlumberger Technology Corporation, Houston, Texas, angeboten
wird und das das Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen
dem Vermessungswerkzeug und dem Kabel ermöglicht, nachdem das Werkzeug in
die gewünschte
Tiefe in dem Bohrloch abgesenkt worden ist. Bei diesen Verfahrsystemen
wird das Vermessungswerkzeug mit einem Standardgestängerohr
verfahren. Dann wird das Kabel durch das Gestängerohr verlegt und mit dem
Vermessungswerkzeug verbunden. Nach dem Vermessen wird das Kabel
von dem Vermessungswerkzeug abgenommen und entfernt, bevor das Vermessungswerkzeug
geborgen wird.
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Bei
dem TLCS und anderen Verfahrsystemen wird das Kabel unter Verwendung
eines Verbinders unter Tage fernverbunden. Ein zusammenpassendes
Teil des Verbinders ist innerhalb eines an dem Vermessungswerkzeug
befestigten Andockkopfes angebracht. Das Vermessungswerkzeug wird dann
an dem Gestängerohr
in das Bohrloch abgesenkt. Das andere zusammenpassende Teil des
Verbinders ist in einem Hinabpumpkopf angebracht, der mit einer
Strömung
von Fluid wie etwa Bohrschlamm, der aus Löchern am Boden des Gestängerohrs
in das Bohrloch umgewälzt
wird, hinab gezwungen wird. Eine elektrische Verbindung wird hergestellt,
wenn die zusammenpassenden Teile in Kontakt gelangen. Diese Verbindung
wird typischerweise als "Nassverbindung" bezeichnet, weil
sie in der Fluidströmung ausgeführt wird,
die häufig
leitend ist und eine Herausforderung an die Zuverlässigkeit
der elektrischen Verbindung darstellt. Eine mechanische Verriegelung verbindet
die zusammenpassenden Teile miteinander und hält die Unversehrtheit der Verbindungsstelle während der
Vermessungstätigkeit
aufrecht. Bei den meisten Systemen wird die Verriegelung durch die
kinetische Energie des Hinabpumpkopfs, der durch das zirkulierende
Fluid hinabgeschoben wird, hergestellt. Mit Abschluss der Vermessungstätigkeit
wird der Hinabpump-Verbinderkopf von dem Andockkopf entriegelt,
womit das Kabel aus dem Gestängerohr herausgezogen
werden kann. Der Hinabpumpkopf wird von dem Andockkopf gewöhnlich durch
Ziehen an dem Kabel mit einem vorgegebenen Zugspannungswert entriegeln.
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Bei
tieferen Bohrlöchern
wird es schwieriger, alle funktionalen Anforderungen an die mechanische Verriegelung
zu erfüllen.
Insbesondere erfüllen
heutige Mechanismen zum Verriegeln von Verbindern zwei sich widersprechende
Anforderungen an die Stärke
bzw. Festigkeit der mechanischen Verriegelung nicht. Zum einen nimmt
auf Grund der Reibung zwischen dem Kabel und dem Gestängerohr
und des Gewichts des Kabels selbst die zum Entriegeln an dem Hinabpumpkopf
erforderliche Zugkraft mit der Tiefe und der Bohrlochkrümmung schnell
ab. Demgemäß wird unter
diesen Bedingungen eine schwache Verriegelung, die sich leicht lösen lässt, gefordert.
Zum anderen ist das Hinabschieben des Rohrs in eine Tiefe und/oder
ein stark abgelenktes Bohrloch häufig
durch eine durch Hängenbleiben
und Weiterrutschen beeinflusste bzw. ruckartige Bewegung gekennzeichnet.
Diese ungleichmäßige Bewegung
erzeugt Kräfte,
die sehr kurzlebig sind, jedoch eine hohe Amplitude besitzen, weil
sich die Rohrbewegung und die Kabelbewegung nicht entsprechen. Um ein
versehentliches Entriegeln infolge dieser Kräfte zu vermeiden, muss die
Verriegelung stark sein.
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Mechanische
Verriegelungen für
Untertage-Nassverbinder sind offenbart worden und im Handel erhältlich.
Das
US-Patent Nr. 5,967,816 ,
erteilt an Sampa u. a., offenbart einen Verriegelungsmechanismus,
der einen dreifingrigen Verriegelungsklemmring und einen Verriegelungsring
umfasst. Der Verriegelungsklemmring ist an dem Andockkopf befestigt, während der
Verriegelungsring Teil der Hinabpumpkopfs ist. Während des Verriegelns zwingt
der Verriegelungsring die Finger zum Öffnen und bewegt sich durch
den Klemmring. Die Finger schließen sich dann hinter dem Ring
und verhindern, dass sich der Hinabpumpkopf von dem Andockkopf trennt.
Das Entriegeln wird ausgeführt,
indem eine Zugspannung an das Vermessungskabel angelegt wird. Wenn
diese Kraft so stark ist, dass sie die Fließfestigkeit des Ringmaterials
an den Kontaktpunkten übertrifft,
brechen die Finger ab, womit ein Teil des Rings zerstört wird.
Der Mechanismus besitzt die Vorteile der Einfachheit und Zuverlässigkeit
und ist kommerziell sehr erfolgreich gewesen. Außerdem sind seine Freigabekräfte genau
vorhersagbar. Durch Variieren der Festigkeit des Verriegelungsrings
können
verschiedene Kraftpegel erreicht werden. Jedoch ist die Anzahl von Verriegelungs/Entriegelungszyklen
begrenzt, weil der Ring jedes Mal, wenn er entriegelt wird, eine
starke Beschädigung
erfährt.
Ferner ist die Entriegelungskraft konstant und kann nicht eingestellt
werden, sobald sich die Verriegelung im Bohrloch befindet. Folglich
erreicht dieser Mechanismus bei einer bestimmten Bohrlochtiefe die
Grenze seiner Brauchbarkeit.
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Das
US-Patent Nr. 4,799,546 ,
erteilt an Hensley u. a., und das
US-Patent
Nr. 4,700,778 , erteilt an Smith u. a., offenbaren Verriegelungsmechanismen.
die auf J-förmigen
Schlitzen oder J-Schlitzen basieren. Diese Verriegelungsmechanismen
weisen typischerweise Vorsprünge
an einem zusammenpassenden Teil des Verbinders und in dem anderen
zusammenpassenden Teil des Verbinders J-Schlitze auf. Ein zusammenpassendes
Teil des Verbinders ist an dem Hinabpumpkopf befestigt, während das
andere zusammenpassende Teil in dem Andockkopf angebracht ist. Während des
Verriegelns gelangen die Vorsprünge
in den J-Schlitzen in Eingriff und gleiten dann längs dieser,
wobei sie veranlassen, dass sich der Hinabpumpkopf um ein vorgegebenes
Maß dreht.
Am Ende des Verfahrwegs drückt
eine Feder den zusammenpassenden Teil, der die Vorsprünge enthält, zurück. Die
Form der J-Schlitze verhindert, dass die Vorsprünge längs desselben Pfads zurückwandern.
Stattdessen werden die Vorsprünge
in Richtung eines anderen Abschnitts der J-Schlitze gezwungen und
verriegeln so die zwei zusammenpassenden Teile des Verbinders miteinander.
Die Vorsprünge
können
entweder durch Spannen und Entspannen des Kabels oder durch Abwärtsschieben des
Hinabpumpkopfs von den J-Schlitzen getrennt werden. Dies zwingt
die Vorsprünge
dazu, sich längs eines
dritten Abschnitts der J-Schlitze zu bewegen, was die Vorsprünge aus
den J-Schlitzen befreit und ein Trennen des Hinabpumpkopfs von dem
Andockkopf ermöglicht.
Der Vorteil des J-Schlitz-Systems ist, dass es mehrere Verriegelungs-/Entriegelungszyklen erlaubt.
Ein weiterer Vorteil ist, dass keine Elemente des Systems zerstört werden
und dass keine Gefahr besteht, Trümmer in dem Bohrloch zu hinterlassen. Das
System ist jedoch relativ kompliziert, wobei infolge eines unbeabsichtigten
Zugs an dem Kabel, der beispielsweise durch eine ruckweise Bewegung
des Gestängerohrs
verursacht wird, eine höhere
Gefahr des versehentlichen Entriegelns besteht.
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Das
US-Patent Nr. 5,058,683 ,
erteilt an Godfrey u. a. offenbart einen J-Schlitz-Verriegelungsmechanismus,
bei dem eine verminderte Gefahr des versehentlichen Entriegelns
besteht. Bei diesem Mechanismus ist die Form des J-Schlitzes so
verändert, dass
mehrere Spann- und Entspannzyklen an dem Kabel notwendig sind, bevor
die Verriegelung gelöst wird.
Dieser Mechanismus beseitigt jedoch das Eintreten einer versehentlichen
Entriegelung nicht vollständig.
Das Patent von Godfrey u. a. offenbart außerdem eine elektrisch betätige Nassverbinderverriegelung,
die elektromagnetische Vorrichtungen verwendet, um die Kraft, die
die zwei zusammenpassenden Teile des Nassverbinders zusammenhält, zu erzeugen.
Dieser Verbinder besitzt viele potentielle Vorteile, wovon der wichtigste
der ist, dass die Verriegelung ferngesteuert werden kann. Jedoch
hat dieser Verriegelungsmechanismus wegen seiner Kompliziertheit,
Schwierigkeiten mit den Untertage-Leistungsversorgungen und Sicherheitsprobleme,
vor allem dann, wenn der Werkzeugstrang Perforationskanonen enthält, keine
breite kommerzielle Akzeptanz gefunden.
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Das
Patent Nr. 5,158,142, erteilt an Miszewski u. a., offenbart eine
Vorrichtung zum Lösen
eines Rohrstrangs von einem im Bohrloch feststeckenden Objekt. Diese
Vorrichtung verwendet einen hydraulischen Zeitverzögerungsmechanismus,
der wahlweise nur dann freigibt, wenn für eine vorgegebene Zeitspanne
eine vorgegebene Zugspannung auf den Rohrstrang aufgebracht wird.
Dieser Mechanismus gibt unter zufälligen hohen Zugbelastungen wie
etwa jenen, die sich aus dem Feuern von Perforationskanonen ergeben
können,
nicht frei. Jedoch gibt der Mechanismus frei, wenn eine viel kleinere Zugkraft
für längere Zeitspannen
ausgeübt
wird. Dieser Mechanismus ist für
Nassverbinder nicht geeignet, weil er nicht verriegeln, sondern
nur freigeben kann. Folglich kann er nur einmal verwendet werden, wobei
die mechanische Verbindung auf andere Weise hergestellt werden muss.
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US 3,516,703 offenbart ein
Dämpferfreigabe-,
Lauf- und Zugwerkzeug zum Einfahren von bergbaren Objekten in Bohrlöcher mit
einer an der Dämpfer freigabe
befestigten Walze und einem an dem bergbaren Werkzeug befestigten
Dorn. Die Dämpferfreigabe
stellt sicher, dass die Relativbewegung der Walze zu dem Dorn hin
verzögert
wird, um zu verhindern, dass das bergbare Werkzeug versehentlich
fallen gelassen wird, wenn es in das Bohrloch eingefahren wird.
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US 3,454,294 offenbart ein
Setzwerkzeug zum Setzen von Bohrlochvorrichtungen in Bohrlöcher, das
Spann- bzw. Haltemittel des Zeitverzögerungstyps umfasst, die dazu
dienen, zu verhindern, dass die Bohrlochvorrichtung versehentlich
fallen gelassen wird, wenn die Vorrichtung in das Bohrloch eingefahren
wird.
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Es
besteht noch immer ein Bedarf an einem Verriegelungsmechanismus
für elektrische
Verbinder, der in einfacher Weise ausgelöst werden kann, nicht versehentlich
entriegelt und mehrere Verriegelungs-/Entriegelungszyklen besitzt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Verriegelung für einen Verbinder zum Verbinden
und wahlweisen Trennen an einem Greifelement geschaffen, wobei die
Verriegelung umfasst: einen Gehäusekörper mit
einem inneren Hohlraum, ein greifbares Element, das gleitend an
dem Gehäusekörper verbunden
ist, und einen Hydraulikmechanismus an dem Gehäusekörper zum Verzögern des
Gleitens des Gehäusekörpers relativ
zu dem greifbaren Element, wenn eine Spannung an den Gehäusekörper angelegt
ist, wobei der Hydraulikmechanismus umfasst: eine in dem inneren
Hohlraum definierte abgedichtete Kammer, die ein Volumen aufweist,
das mit der Relativbewegung zwischen dem Gehäusekörper und dem greifbaren Element
variiert, einen Durchflussbegrenzer zum steuerbaren Ablaufenlassen
von Fluid aus der abgedichteten Kammer zu dem inneren Hohlraum,
wenn das Volumen der abgedichteten Kammer abnimmt, und ein Ventil
zum Zuführen
von Fluid von dem inneren Hohlraum zu der abgedichteten Kammer,
wenn das Volumen der Kammer zunimmt.
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Die
Erfindung umfasst außerdem
eine mechanische Verriegelung zum Verbinden zweier zusammenpassender
Teile eines elektrischen Verbinders, wobei die mechanische Verriegelung
umfasst: eine Verriegelung für
einen Verbinder, wie sie in dem vorhergehenden Absatz definiert
worden ist, wobei ihr greifbares Element an einem der zusammenpassenden
Teilen befestigt ist, und ein Greifelement, das zum wahlweisen Ineingriffbringen
des greifbaren Elements ausgestaltet und an dem anderen der zusammenpassenden
Teile befestigt ist.
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Die
Erfindung umfasst ferner ein Verfahren zum Verbinden an und wahlweisen
Trennen von einem Greifelement, wobei das Verfahren umfasst: Absenken
eines eine solche Verriegelung für
einen Verbinder umfassenden Werkzeugs zu dem Greifelement, Inkontaktbringen
des greifbaren Elements der Verriegelung für einen Verbinder mit dem Greifelement
und Drücken
des Greifelements gegen das greifbare Element, bis das Greifelement
in Eingriff mit dem greifbaren Element ist, wobei das Verfahren
gekennzeichnet ist durch Anlegen einer Spannung an das Werkzeug
für eine
durch den Hydraulikmechanismus in der Verriegelung für einen
Verbinder ermittelten Zeitdauer und, am Ende der Zeitdauer, Bewegen
des Werkzeugs relativ zu dem Greifelement, um das greifbare Element
freizugeben.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich aus der folgenden
Beschreibung und den angehängten
Ansprüchen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die 1A–1D zeigen
einen Querschnitt einer Verriegelung für einen Nassverbinder gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung.
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2 ist
eine dreidimensionale Ansicht des in 1D gezeigten
Verriegelungsklemmrings.
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3A zeigt
die Verriegelung für
einen Nassverbinder vor dem Verriegeln. 3B zeigt
die Anfangsphase des Nassverbinderverriegelungsprozesses.
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3C zeigt
die Verriegelung für
einen Nassverbinder in der verriegelten Position.
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3D zeigt
die Anfangsphase des Nassverbinderentriegelungsprozesses.
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3E zeigt
die Verriegelung für
einen Nassverbinder in einer unverriegelten Position.
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Genaue Beschreibung
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Ausführungsformen
der Erfindung schaffen eine Verriegelung für einen Nassverbinder zum mechanischen
Zusammenfügen
zweier zusammenpassender Teile. Im Allgemeinen umfasst die Erfindung einen
Verriegelungsklemmring, einen inneren und einen äußeren Körper, eine Vorspannungs- bzw.
Vorbelastungsfeder und ein hydraulisches Zeitverzögerungssystem.
Der Verriegelungsklemmring ist an einem der zusammenpassenden Teile
befestigt, während
alle anderen Elemente der Nassverbinderverriegelung an dem anderen
zusammenpassenden Teil befestigt sind. Der Verriegelungsklemmring
und der innere Körper
gelangen in Eingriff, um eine mechanische Verriegelung zwischen
den zwei zusammenpassenden Teilen herzustellen. Das Zeitverzögerungssystem
umfasst eine fluidbefüllte
Kammer und Mittel zum steuerbaren Ablassen von Fluid aus der Kammer.
Um die zusammenpassenden Teile zu trennen, wird eine Kraft auf den äußeren Körper ausgeübt. Wenn
die Kraft größer als
die zum Zusammendrücken
der Feder erforderliche Kraft ist, beginnt der äußere Körper, relativ zu dem inneren
Verriegelungskörper
zu gleiten. Diese Bewegung reduziert das Volumen der Kammer und
verursacht ein Ansteigen des Drucks des Fluids innerhalb der Kammer.
Das mit Druck beaufschlagte Fluid wird langsam durch die Komponenten
des Zeitverzögerungssystems
herausgedrückt.
Das Zeitverzögerungssystem
stellt sicher, dass sich die Verriegelung nicht löst, sofern
keine Kraft mit einer vorgegebenen Größe für eine vorgegebene Zeitspanne
aufgebracht wird. Wenn sich der äußere Körper um
eine vorgegebene Strecke in Bezug auf den inneren Körper bewegt
hat, gelangt er mit dem Verriegelungsklemmring in Eingriff und zwingt
den Verriegelungsklemmring dazu, den inneren Körper freizugeben. An diesem
Punkt ist die mechanische Kopplung zwischen den zwei zusammen passenden
Teilen gelöst.
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Mit
Bezug auf die begleitenden Zeichnungen werden nun verschiedene Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben. 1A zeigt
eine Teil-Querschnittsansicht
einer allgemein durch das Bezugszeichen 2 angegebenen Nassverbinderverriegelung
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung. 1B ist eine Fortsetzung von 1A, 1C ist
eine Fortsetzung der Abbildung von 1B, und 1D ist
eine Fortsetzung der Abbildung von 1C. Die Nassverbinderverriegelung 2 umfasst
einen Hinabpumpkopf 4 und einen Verriegelungsklemmring
(6 in 1D). Der Hinabpumpkopf 4 umfasst
einen äußeren Verriegelungskörper 8 und
einen inneren Verriegelungskörper
(10 in 1B). Der äußere Verriegelungskörper 8 und
der innere Verriegelungskörper (10 in 1B)
umschließen
die Elemente eines Zeitverzögerungssystems,
das in 1B allgemein durch das Bezugszeichen 11 angegeben
ist.
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In 1A umfasst
der äußere Verriegelungskörper 8 einen
oberen Kopf 12, einen Druckkammerkörper 14 und eine äußere Gehäuseschweißkonstruktion
(16 in 1B). Der obere Kopf 12 weist
eine Durchführung 18 auf.
Der obere Kopf 12 ist an dem oberen Ende des Druckkammerkörpers 14 befestigt.
An dem oberen Ende des Druckkammerkörpers 14 ist ein Schottverbinder 20 angebracht. Der
Schottverbinder 20 und die Durchführung 18 ermöglichen
eine elektrische Verbindung zwischen den (nicht gezeigten) Drähten innerhalb
des Hinabpumpkopfs 4 und einem (nicht gezeigten) äußeren Kabel. Wie
in 1B gezeigt ist, ist das untere Ende des Druckkammerkörpers 14 durch
einen Gewindering 22 mit der äußeren Gehäuseschweißkonstruktion 16 verbunden.
Eine statische Dichtung 24 verhindert, dass Fluid in diese
Verbindungsstelle eintritt.
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Wie
in 1B weiter gezeigt ist, umfasst der innere Verriegelungskörper 10 einen
Kolben 26, eine Schlamm-/Ölüberführung 28, einen Drahtdorn 30 ein buchsenartiges
Verbindergehäuse
(32 in 1D), einen Verriegelungsring
(34 in 1D), eine Klammer (36 in 1D)
und eine Schutzhülse
(38 in 1D). Der Kolben 26 ist
innerhalb des Druckkammerkörpers 14 angeordnet
und relativ zu dem Druckkammerkörper 14 beweglich.
Zwischen dem Kolben 26 und dem Druckkammerkörper 14 ist
eine Kammer 42 definiert. Der Kolben 26 trägt eine hydraulische
Drossel 44 wie etwa eine Blende, ein Rückschlagventil 46 und
eine dynamische Dichtung 48. An dem unteren Ende des Druckkammerkörpers 14 ist
eine Dichtungskartusche 50 angebracht. Die Dichtungskartusche 50 hält dynamische
Dichtungen 52. Die dynamischen Dichtungen 48, 52 isolieren
die Kammer 42 von dem restlichen inneren Volumen des Hinabpumpkopfs 4.
Die Kammer 42 ist im Wesentlichen mit einem inkompressiblen
Fluid, typischerweise Öl,
gefüllt.
Der Druckkammerkörper 14 weist
vorzugsweise einen Anschluss 37 auf, durch den der Kammer 42 Fluid
zugeführt
werden kann. Der Anschluss 37 ist, wenn er nicht in Gebrauch
ist, durch einen Stopfen 39 verschlossen.
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Der
Kolben 26 besitzt eine Bohrung 40, durch die einem
Raum 43 über
der Kammer 42 Fluid zugeleitet werden kann. Fluid in dem
Raum 43 kann durch das Rückschlagventil 46 hindurch
in die Kammer 42 fließen.
Innerhalb der Kammer 42 ist eine Vorbelastungsfeder 54 angeordnet.
Wenn die Vorbelastungsfeder 54 zusammengedrückt wird,
wird Fluid durch die hydraulische Drossel 44 hindurch aus
der Kammer 42 gedrückt.
Die fluidbefüllte,
abgedichtete Kammer 42 und die hydraulische Drossel 44 sind
Teil des Zeitverzögerungssystems 11.
Ein weiteres Element des Zeitverzögerungssystems 11 ist
ein Flutventil 45, das in der Schlamm-/Ölüberführung 28 angeordnet
ist. Der Zweck des Flutventils 45 wird später erläutert. Die
Vorspannung an der Feder 54 kann durch eine Mutter 56,
die auf das untere Ende des Kolbens 26 geschraubt ist,
eingestellt werden. Die Vorbelastungsfeder 54 übt eine
Kraft auf eine Oberfläche 58 der
Mutter 56 aus, die die Oberfläche 58 gegen eine
Oberfläche 60 des
Druckkammerkörpers 14 bringt.
Die Kraft der Feder 54 ist ausreichend, um während des
Verriegelns eine Relativbewegung zwischen dem inneren Verriegelungskörper 10 und
dem äußeren Verriegelungskörper 8 zu
verhindern. Ein Gewindering 62 verbindet das untere Ende
des Kolbens 26 mit der Schlamm-/Ölüberführung 28. Die Schlamm-/Ölüberführung 28 ist
mit dem Drahtdorn 30 verschweißt.
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In 1D ist
der Drahtdorn 30 durch Abscherblöcke 64 mit dem buchsenartigen
Verbindergehäuse 32 verbunden.
Das buchsenartige Verbindergehäuse 32 trägt buchsenartige
Kontakte 66. Die buchsenartigen Kontakte 66 sind
mit (nicht gezeigten) Drähten
verbunden, die längs
des Hinabpumpkopfs (4 in 1A) verlaufen.
In einem Hohlraum 62 in dem buchsenartigen Verbindergehäuse 32 ist
ein isolierender hin- und herbewegter Körper 68 angeordnet.
Der isolierende hin- und
herbewegte Körper 68 verhindert
jegliche elektrische Verbindung zwischen den buchsenartigen Kontakten 66.
Der hin- und herbewegte Körper 68 ist
durch eine Feder 70, die veranlasst, dass ein innerer Griff 69 des
hin- und herbewegten Körpers 68 mit
einer dynamischen Dichtung 72 in Eingriff gelangt, nach
unten vorbelastet. Die dynamische Dichtung 72 und Dichtungen
(74, 76 in 1B) isolieren
während
des Verriegelns und Entriegelns das innere Volumen des Hinabpumpkopfs 4 von äußerem Fluid.
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Die
Schutzhülse 38 ist
an dem buchsenartigen Verbindergehäuse 32 angebracht.
An dem oberen Ende der Schutzhülse 38 ist
die Klammer 36 befestigt, die den Verriegelungsring 34 hält. Der
Verriegelungsring 34, die Klammer 36 und die Schutzhülse 38 sind
diejenigen Teile des Hinabpumpkopfs 4, die von dem Verriegelungsklemmring 6 ergriffen
werden, wenn sich die Nassverbinderverriegelung 2 in der verriegelten
Position befindet. Der Verriegelungsklemmring 6 umfasst
eine Basis 78 mit Öffnungen
(80 in 2). Die Öffnungen (80 in 2)
dienen zum Umwälzen
von Fluid aus dem Verriegelungsklemmring 6. An der Basis 78 sind
Verriegelungsfinger 82 miteinander verbunden. Die Verriegelungsfinger 82 sind
so gestaltet, dass sie eine Verriegelungsfläche 84, eine Entriegelungsfläche 86 und
eine Haltefläche 88 bilden.
Während
des Verriegelns gleitet die schräge
Oberfläche 90 der
Schutzhülse 38 an
der Verriegelungsfläche 84 und
schiebt die Verriegelungsfinger 82 nach außen. Dadurch
kann der Hinabpumpkopf 4 innerhalb des Verriegelungsklemmrings 6 gleiten,
bis die Finger 82 an dem Verriegelungsring 34 einrasten. In
dieser Position ist die Haltefläche 88 mit
dem an dem Verriegelungsring 34 vorgesehenen Absatz 89 in
Kontakt.
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Der
Verriegelungsring 34 ist vorzugsweise aus einem Material
gefertigt, das mit dem Material, aus dem die Verriegelungsfinger 82 gefertigt
ist, ein reibungsarmes Paar bildet. Während des Entriegelns erfolgt
ein Gleiten zwischen dem Verriegelungsring 34 und den Verriegelungsfingern 82,
das im Allgemeinen zu einem bestimmten Maß an Verschleiß an dem
Verriegelungsring 34 und den Verriegelungsfingern 82 führt. Das
Material des Verriegelungsrings 34 ist vorzugsweise ein
weicheres Material als das bei den Verriegelungsfingern 82 verwendete
Material. In dieser Weise tritt ein Verschleiß hauptsächlich an der Oberfläche des
Verriegelungsrings 34 auf, was die Lebensdauer des Verriegelungsklemmrings 6 verlängert. Bei
dieser Gestaltung ist der Verriegelungsring 34 im Wesentlichen
das geopferte Teil und wird nach einer vorgegebenen Anzahl von Verriegelungs-/Entriegelungszyklen
ersetzt. Die Schutzhülse 38 und
die Klammer 36 können
von dem buchsenartigen Verbindergehäuse 32 abgenommen
werden, um einen einfachen Austausch des Verriegelungsrings 34 zu
erleichtern.
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In 1C umfasst
der Hinabpumpkopf 4 ein allgemein durch das Bezugszeichen 92 angegebenes
Druckausgleichssystem. In der gezeigten Ausführungsform umfasst das Druckausgleichssystem 92 einen
Kolben 94, eine Dichtung 96, eine Feder 98 und
ein Überdruckventil 100.
Der Kolben 94 kann sich innerhalb des Drahtdorns 30 bewegen.
Der Kolben 94 trennt die inneren Fluide des Hinabpumpkopfs 4 von
dem äußeren Fluid,
das durch die Öffnungen
(102 in 1B) der Schlamm-/Ölüberführung (28
in 1B) eindringt. Das Druckausgleichssystem 92 hält den Druck
aller fluidbefüllter
innerer Volumen des Hinabpumpkopfs 4 über dem Umgebungsdruck. Ähnliche
Druckausgleichssysteme sind bei allen fluidbefüllten Untertagevorrichtungen
weitverbreitet.
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Das
Druckausgleichssystem 92 führt außerdem für das Entriegeln erforderliches
zusätzliches Fluid
zu. Während
des Entriegelns wird der innere Verriegelungskörper 10 aus dem äußeren Verriegelungskörper 8 herausgezogen,
womit das innere Volumen des Hinabpumpkopfs 4 vergrößert wird.
Da sich die Menge an Fluid in dem Hinabpumpkopf 4 nicht
verändern
kann, muss eine Umverteilung des Fluids innerhalb des Hinabpumpkopfs 4 erfolgen. Während des
Entriegelns fließt Öl von dem
Druckausgleichssystem 26 durch die Schlamm-/Ölüberführung (28 in 1B)
und die Kolbenbohrung (40 in 1B) zu
der Kammer (42 in 1B). Wenn
der Hinabpumpkopf 4 während
des Entriegelns versehentlich einen großen Teil seines inneren Fluids
verliert, kann ein hydraulisches Arretieren eintreten, was ein Entriegeln
unmöglich
macht. Um diese Situation zu verhindern, ermöglicht das Flutventil (45 in 1B),
dass äußeres Fluid
in den Hinabpumpkopf 4 strömt, wenn der Außendruck
höher als
der Innendruck wird.
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3A zeigt
ein Vermessungssystem 106, das die Nassverbinderverriegelung
(2 in den 1A–1D) enthält. Es sei
angemerkt, dass zur Klarheit der Darstellung mehrere Details des
Vermessungssystems 106 wie etwa die Vermessungseinheit
und Vermessungswerkzeuge weggelassen sind. Die Nassverbinderverriegelung 2 ist
in der entriegelten Position gezeigt, wobei der Hinabpumpkopf 4 an
einem Kabel 108 befestigt ist, das zur Oberfläche verläuft; außerdem ist
der mit einem Andockkopf 110 gekoppelte Verriegelungsklemmring 6 gezeigt. Es
sei angemerkt, dass zugunsten der Einfachheit einige der Elemente
des in den 1A–1D gezeigten
Hinabpumpkopfs 4 weggelassen sind. Außerdem sind der äußere Verriegelungskörper 8 und der
innere Verriegelungskörper 10 als
einzelne massive Teile gezeigt.
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Die
buchsenartigen Kontakte 66 sind durch (nicht gezeigte)
Drähte,
die innerhalb des Hinabpumpkopfs 4 verlaufen, mit isolierten
elektrischen Leitern in dem Kabel 108 verbunden. Der Verriegelungsklemmring 6 ist
an dem oberen Körper 112 des Andockkopfs 110 befestigt.
Der Andockkopf 110 umfasst eine steckerartige Nassverbinder-Kontaktanordnung 114,
die aus sich abwechselnden elektrisch leitenden Ringen oder Kontakten 116 und
nicht leitenden Ringen 118 besteht. Die leitenden Ringe 116 sind
an Drähten 120 befestigt,
die innerhalb eines Durchgangs 122 in dem Andockkopfkörper 112 befestigt
und mit (nicht gezeigten) Untertage-Vermessungswerkzeugen verbunden
sind. Der Andockkopfkörper 112 besitzt
außerdem
Durchgänge 124 für den Durchfluss
von Fluid. Der Andockkopfkörper 112 ist
an einem Gestängerohr 126 starr
angebracht. Das Gestängerohr 126 befindet
sich während
des Betriebs im Allgemeinen unten in einem (nicht gezeigten) Bohrloch.
Der Hinabpumpkopf 4 wird, wie durch die Pfeile angedeutet
ist, durch Fluidströmung
das Gestängerohr 126 hinab
geschoben.
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3B zeigt
die Anfangsphase des Verriegelungsprozesses, in der der (ebenfalls
in 1D gezeigte) innere Griff 69 des isolierenden
hin- und herbewegten Körpers 68 gerade
mit der Steckerspitze 128 der steckerartigen Nassverbinder-Kontaktanordnung 114 in
Eingriff gelangt ist. Zu dieser Zeit bewegt sich der Hinabpumpkopf 4,
geschoben durch die das Gestängerohr 126 hinab
gepumpte Schlammströmung,
noch abwärts.
Die schräge
Oberfläche 90 des
inneren Verriegelungskörpers 10 gleitet an
der Verriegelungsfläche 84 des
Verriegelungsklemmrings 6 und drückt die flexiblen Finger 82 nach außen. Dadurch
kann der Hinabpumpkopf 4 in den Verriegelungsklemmring 6 gleiten.
Es sei angemerkt, dass zu dieser Zeit keine Relativbewegung zwischen dem
inneren Verriegelungskörper 10 und
dem äußeren Verriegelungsklemmring 8 vorkommt.
Außerdem sei
angemerkt, dass die Oberfläche 130 des
inneren Verriegelungskörpers 10 und
die Oberfläche 132 des Andockkopfs 112 noch
weit voneinander beabstandet sind und dass sich die Abwärtsbewegung
des Hinabpumpkopfs 4 fortsetzt.
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Wenn
sich der Hinabpumpkopf 4 weiter nach unten bewegt, dringt
die steckerartige Kontaktanordnung 114 in den Hinabpumpkopf 4 ein
und drückt
den isolierenden hin- und herbewegten Körper 68 nach innen.
Dies drückt
wiederum die Feder 70 zusammen. Das zusätzliche Fluidvolumen, das durch
die Bewegung des isolierenden hin- und herbewegten Körpers 68 verdrängt wird,
wird durch das Druckausgleichssystem (92 in 1C)
aufgenommen. Die Abwärtsbewegung
des Hinabpumpkopfs 4 stoppt, wenn die Oberfläche 130 des
inneren Verriegelungskörpers 10 die
Oberfläche 132 des
Andockkopfkörpers 112 kontaktiert.
Diese Position des Hinabpumpkopfs 4 ist in 3C gezeigt.
Zur Zeit, zu der dies geschieht, rasten die Verriegelungsfinger 82 an
dem Verriegelungsring (34 in 1D) ein
und gelangt die Haltefläche 88 der
Verriegelungsfinger 82 mit dem Absatz 89 in dem
inneren Verriegelungskörper 10 in Kontakt,
womit die Trennung der Oberflächen 130, 132 verhindert
wird. In dieser Weise wird die Relativbewegung zwischen den buchsenartigen
Kontakten 66 und den steckerartigen Kontakten 116 verhindert. In
dieser Position ist das Verriegeln des Hinabpumpkopfs 4 mit
dem Andockkopf 110 vollendet. Der Hinabpumpkopf 4 und
der Andockkopf 110 verbleiben während der gesamten Vermessungstätigkeit
in dieser Position. Es sei angemerkt, dass nach Bedarf die Fluidströmung während der
gesamten Vermessungstätigkeit
andauern kann. Folglich stört
die Erfindung die wirksame Steuerung des Bohrlochs nicht.
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3D zeigt
die Anfangsphase des Entriegelungsprozesses. Dieser Prozess beginnt
mit dem Ausüben
eines nach oben gerichteten Zugs an dem Kabel 108, was
durch den nach oben weisenden Pfeil 109 angedeutet ist.
Diese Kraft wird von dem Kabel 108 auf den äußeren Verriegelungskörper 8 übertragen.
Da der innere Verriegelungskörper 10 durch
die Verriegelungsfinger 82 noch an Ort und Stelle gehalten
wird, führt
die von außen
auf den äußeren Verriegelungsklemmring 8 ausgeübte Kraft
dazu, dass dieser in Bezug auf den inneren Verriegelungskörper 10 in
Aufwärtsrichtung
zu gleiten beginnt. Dies kann sich jedoch nur dann ereignen, wenn
die äußere Kraft stark
genug ist, um die anfängliche
Vorspannung bzw. Vorbelastung der Feder 54 zu überwinden.
Folglich bestimmt die anfängliche
Vorspannung der Feder 54 die Mindestentriegelungskraft.
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Ferner
bewirkt die Relativbewegung zwischen dem inneren Verriegelungskörper 10 und
dem äußeren Verriegelungskörper 8 eine
Abnahme des Volumens der Kammer 42. Da die Kammer 42 mit
im Wesentlichen inkompressiblem Fluid gefüllt ist, strömt Fluid
aus der Kammer 42, wenn deren Volumen abnimmt. Jedoch kann
Fluid nur durch die hydraulische Drossel 44 aus der Kammer 42 heraus strömen. In 3D ist
die Strömung
durch die hydraulische Drossel 44 durch den Pfeil 111 angedeutet.
Die hydraulische Drossel 44 ermöglicht ein Entweichen von Fluid
nur mit einer relativ langsamen Geschwindigkeit, wodurch zwischen
der Kammer 42 und dem restlichen Innenvolumen des Hinabpumpkopfs 4 eine Überdruckdifferenz
erzeugt wird. Diese Druckdifferenz wirkt der Tendenz des inneren
Verriegelungskörpers 10 und
des äußeren Verriegelungskörpers 8,
in Bezug zueinander zu gleiten, entgegen. Wenn die auf den äußeren Verriegelungskörper 8 ausgeübte Kraft
groß,
jedoch von kurzer Dauer ist, hat das Fluid nicht genug Zeit, um
aus der Kammer 42 zu entweichen. Dies verursacht eine sehr
hohe Druckdifferenz. In diesem Fall wird die äußere Kraft fast völlig durch
die Druckzunahme in der Kammer 42 ausgeglichen. Andererseits
besitzt das Fluid dann, wenn die äußere Kraft für eine längere Zeitspanne ausgeübt wird,
genügend
Zeit, um aus der Kammer 42 zu entweichen, wobei die durch
die hydraulische Drossel 44 verursachte Druckdifferenz
viel kleiner ist.
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Die
zum Bewegen des äußeren Verriegelungskörpers 8 in
Bezug auf den inneren Verriegelungskörper 10 erforderliche
Kraft bestimmt die Stärke
bzw. Festigkeit der mechanischen Verriegelung. Aus der obigen Besprechung
ist deutlich geworden, dass diese Festigkeit variabel ist und von
den Eigenschaften der durch das Kabel 108 ausgeübten Kraft und
von der durch die hydraulische Drossel 44 herbeigeführten Strömungsdrosselung
bzw. Strömungsbegrenzung
abhängt.
Durch geeignetes Entwerfen der hydraulischen Drossel 44 ist
es möglich,
eine Reihe von Verriegelungsfestigkeitspegeln, die für irgendwelche
spezifischen Bedingungen im Bohrloch geeignet sind, zu erhalten.
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Unter
Bezug auf 3D gelangt dann, wenn der äußere Verriegelungskörper 8 in
Bezug auf den inneren Verriegelungskörper 10 gleitet, die
Oberfläche 134 des äußeren Verriegelungskörpers 8 mit
der Entriegelungsfläche 86 der
Verriegelungsfinger 82 in Eingriff. Dies bewirkt, dass
sich die Verriegelungsfinger 82 spreizen. Wenn sich die
Verriegelungsfinger 82 nach außen bewegen, beginnt die Haltefläche 88 der
Verriegelungsfinger 82, sich von dem Absatz 89 des
inneren Verriegelungskörpers 8 zu
lösen.
Wenn sich die Finger 82 weit genug bewegen, halten sie den
inneren Verriegelungskörper 8 nicht
mehr an Ort und Stelle und wird die Kopplung zwischen dem Hinabpumpkopf 4 und
dem Andockkopf 110 gelöst.
Da noch immer eine Zugspannung 109 an dem Kabel 108 vorhanden
ist, wird der Hinabpumpkopf 4 aus dem Verriegelungsklemmring 6 heraus
bewegt.
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Es
sei angemerkt, dass dann, wenn der Hinabpumpkopf 4 und
der Andockkopf 110 auseinander gezogen werden, die steckerartige
Kontaktanordnung 114 aus dem Hinabpumpkopf 4 herausgezogen wird.
Zur selben Zeit drückt
die Feder 70 den isolierenden hin- und herbewegten Körper 68 nach
unten zurück
in seine ursprüngliche
Position in dem Hinabpumpkopf 4. Nachdem der Hinabpumpkopf 4 durch den
Verriegelungsklemmring 6 freigegeben ist, ist keine Kraft
vorhanden, die der in der Feder 54 entwickelten elastischen
Energie entgegenwirkt. Die Feder 54 kann sich nun frei
ausdehnen und zieht dadurch den inneren Verriegelungskörper 10 zurück in den äußeren Verriegelungskörper 8.
Diese Aktion führt
dazu, dass sich die Kammer 42 erweitert. Durch das Rückschlagventil 46 strömt Fluid
in die Kammer 42. Wenn der Hinabpumpkopf 4 aus
dem Verriegelungsklemmring 6 herausgezogen wird, hat sich
der äußere Verriegelungskörper 8 unterdessen
bereits an seinen ursprünglichen
Ort bewegt. Zu diesem Zeitpunkt ist der Verriegelungs-/Entriegelungszyklus abgeschlossen,
wobei sich der Hinabpumpkopf 4 und der Andockkopf 110,
bereit für
ein weiteres Verriegeln, falls erforderlich, in der in 3A gezeigten Position
befinden.
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Nun
wird betrachtet, wie die Erfindung auf stoßartige Kräfte, die sich aus der ruckartigen
Bewegung des Gestängerohrs 126 ergeben,
reagiert. In diesem Fall wird eine sehr starke Zugkraft auf den äußeren Verriegelungskörper 8 ausgeübt. Diese Zugkraft
wird erzeugt, weil die Bewegung des Gestängerohrs 126 nicht
der Bewegung des Kabels 108 entspricht. Wie oben erläutert worden
ist, führt
diese Kraft zu einer Zunahme des Drucks in der Kammer 42.
Als Reaktion auf den Druckanstieg beginnt Fluid aus der Kammer 42 auszuströmen und
beginnt der äußere Verriegelungskörper 8,
sich in Bezug auf den inneren Verriegelungskörper 10 zu verschieben.
Soweit gleichen diese Ereignisse jenen des Entriegelungsprozesses.
Der Hauptunterschied ist der, dass die durch die ruckartige Bewegung
des Gestängerohrs 126 verursachte
Kraft von kurzer Dauer ist. Da die Entriegelung relative lange Zeit
dauert, wird diese Kraft typischerweise weggenommen, bevor das Entriegeln
vollendet werden kann. Sobald die äußere Kraft entfällt, ist
nichts vorhanden, das die Kompression der Feder 54 ausgleicht,
weshalb die Feder 54 den äußeren Verriegelungskörper 8 zurück in die
in 3C angegebene Position bringt. Somit setzt sich das
System schnell zurück,
sobald die äußere Kraft beseitigt
ist. Folglich kann die Erfindung einer unbegrenzten Anzahl von Stoßspannungsereignissen, ohne
zu entriegeln, widerstehen.
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Die
Erfindung kann mehrere allgemeine Vorteile verschaffen. Wie oben
besprochen worden ist, ermöglich
die Nassverbinderverriegelung der vorliegenden Erfindung das mechanische
Bilden einer Verbindungsstelle zwischen zwei zusammenpassenden Teilen
eines Werkzeugstrangs. Diese Verbindungsstelle kann wahlweise nach
Bedarf entkoppelt werden. Die Nassverbinderverriegelung ist besonders geeignet
für das
mechanisch Zusammenfügen
zweier Teile eines Untertage-Nassverbinders, der für die durch
Gestängerohr
beförderte Vermessung
verwendet wird. Ein wichtiges Merkmal der Nassverbinderverriegelung
ist, dass sie nur dann freigibt, wenn auf sie eine vorgegebene Kraft
für eine
vorgegebene Zeitspanne ausgeübt
wird. Ein weiteres wichtiges Merkmal der Nassverbinderverriegelung
ist, dass sie viele Male betätigt
werden kann.
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Da
nun die Erfindung bezüglich
einer begrenzten Anzahl von Ausführungsformen
beschrieben worden ist, wird Fachleuten, die einen Nutzen aus dieser
Offenbarung ziehen, klar, dass weitere Ausführungsformen ersonnen werden
können,
die vom Umfang der Erfindung, wie sie hier offenbart worden ist,
nicht abweichen. Daher soll der Umfang der Erfindung nur durch die
angehängten
Ansprüche begrenzt
sein.