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Als Ausbruchverhüter ausgebildeter Bohrlochverschluß Die Erfindung
betrifft einen als Ausbruchverhüter ausgebildeten Bohrlochverschluß für Tiefbohrungen
auf Erdöl, bei welchem eine vollwandige Muffe aus elastischem Stoff dazu benutzt
wird, das Bohr- oder Rohrgestänge ohne Gefahr des Entweichens von Öl oder Gas auszubauen
und die Bohrarbeit fortsetzen zu können, während das Bohrloch unter Druck steht.
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Der Bohrlochverschluß gemäß der Erfindung enthält die elastische Dichtungsmuffe,
durch welche das Bohrgestänge bei dessen Einlassen oder Ziehen. hindurchzugehen
vermag, innerhalb eines Gehäuses, welches feststehend oder drehbar gelagert sein.
kann; die Dichtungsmuffe besteht dabei in bekannter Weise aus Kautschulc oder ähnlichem
Stoff und ist so angeordnet, daß sie durch axialen Stauchdruck zur Anlage an das
Gestänge gebracht werden kann.
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Es sind schon Bohrlochverschlüsse bekannt, bei welchen ein Weichgummiring
durchAxialdruck zur dichtenden Anlage an das Bohrgestänge gebracht wird. Diese bekannten
Vorrichtungen sind jedoch lediglich so ausgebildet, daß ein Verschluß nur in besonderen
Fällen bewirkt werden kann. Sie dienen entweder dazu, das Bohrloch abzudichten,
wenn die Bohrarbeit unterbrochen wird, indem dann der Gummiring mit dem Gewicht
des Bohrgestänges belastet wird, oder sie sind dazu bestimmt, bei einem Ausbruch
von unten her durch einen Ansatz des Bohrgestänges oder durch das aufsteigende Öl
gestaucht und dadurch zur Anlage gebracht zu werden; mitunter sind sie für beide
Zwecke zugleich eingerichtet, wobei auch statt des Bohrgestänges eine zur Ableitung
des Öls dienende Rohrleitung mit den gleichen Mitteln abgedichtet werden kann. Mit
solchen Bohrlochver schlüssen kann man jedoch nicht zu beliebiger Zeit eine Abdichtung
mit einer beliebig einstellbaren Anpressung erzeugen; überhaupt ist es nicht möglich,
die Abdichtung mit einem beliebig wählbaren Stauchdruck zu bewirken, da dieser von
den .gegebenen Verhältnissen abhängt und z. B. beim Auftreten besonders hoher Drücke
im Bohrloch unter Umständen nicht ausreicht, um das Entweichen von 01
und
Gas mit Sicherheit zu verhüten. Weil das Bohrgestänge in der Regel so eingerichtet
sein muß, d.aß es- durch einen Ansatz einen Druck auf den Gummiring zu übertragen
vermag, ist es bei diesen bekannten Vorrichtungen gewöhnlich notwendig, die zum
Verschluß dienenden Teile vollkommen auszubauen, wenn die Bohrstange herausgezogen
oder ein Verlängerungsteil eingefügt werden soll.
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Um eine Abdichtung unabhängig von den vorhandenen axialen Kräften
bewirken zu können, ist von dem Erfinder bereits ein
Bohrlochverschluß
mit Weichgummimuffe geschaffen worden, bei welchem ein Druckmittel dazu dient, eine
Anpressung in regelbareri Weise. zu bewirken. Dieser bekannteVerschl2' ist weiterhin
auch schon so ausgebildet, d.t die Dichtungsmuffe in einem drehbaren ind@e ren Gehäuse
gelagert ist, welches seinerseits` gegenüber dem stillstehenden äußeren Gehäuse
abgedichtet ist: Diese Anordnung ermöglicht dicAusführung der Bohrarbeit unter beständig
vorhandenem Abschluß des Bohrloches. Die Anpressung der Gummidichtung erfolgt in
diesem Falle mit Hilfe eines Druckmittels, welches von außen heF in radialer Richtung
die Dichtungsmuffe zusammendrückt. Die Erfahrung hat indessen gelehrt, daß diese
Vorrichtung, wenngleich sie für geringere und mittlere Drücke gut brauchbar ist,
ihren Zweck ebenso wie die Bohrverschlüsse der ersteren Art nicht ausreichend erfüllt,
sobald besonders hohe Drücke im Bohrloch auftreten. Dies liegt daran, daß es nicht
möglich ist, eine genügend feste Anlage der Dichtungsmuffe durch radial wirkenden
Druck zu erzeugen, selbst wenn zu diesem Zweck eine verhältnismäßig lange, schlanke
Muffe benutzt wird. Es kommt hinzu, daß derartig angepreßte Dichtungsmuffen noch
in besonderer Weise der Gefahr der Abnutzung und Zerstörung ausgesetzt sind. Es
hat sich nämlich gezeigt, daß die Innenschicht der Muffe z. B. im Falle eines Ausbruchs
von dem aufwärts steigenden Bohrgestänge mitgenommen und in die ringförmige Fuge
zwischen Gestänge und Gehäusedeckel gequetscht wird; was dann eine rasche Abscherung
zur Folge hat. Um diesem Vorgang entgegenzuwirken, ist es erforderlich, in den inneren
Teil der Muffe biegsame Verstärkungseinlagen einzubetten; durch diese kann aber
die schädliche Erscheinung nicht vollkommen beseitigt werden, auch erschweren sie
die Zus:ammen.schnürung der Muffe und demnach die Erzeugung eines hinreichend starken
Dichtungsdrucks.
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Der Bohrlochverschluß gemäß der Erfindung ist nun so ausgebildet,
daß die an ihrer ganzen Außenfläche abgestützte Muffe mit ihrem einen, zweckmäßig
dem unteren Ende ortsfest eingespannt und mit dem anderen Ende an einem gleichachsig
angeordneten und axial bewegbaren Ringkolben befestigt ist, der in Richtung auf
das ortsfest eingespannte Ende der regelbaren Wirkung eines Druckmittels (z. B.
Druckvergaser) ausgesetzt werden kann. Ein solcher Bohrlochverschluß übertrifft
alle bekannten Vorrichtungen der einen oder der anderen Art an Vollkommenheit, da
er ohne deren Nachteile alle auftretenden Anforderungen erfüllt und insbesondere
einen dichten" Abschluß unter Bedingungen erzielen läßt, die gegenüber allem. im
Bohrloch herrschenden Drücken unbedingt aufrechterhalten werden können, gleichgültig
xie groß diese sind. Die Dichtungsmuffe geht ürlich in ihre ursprüngliche Form zurück;
*,'bald der in axialer Richtung wirkende i'reßdruck aufgehoben wird. Da die Gummimuffe
an ihren beiden Enden eingespannt ist, ist auch das Mitreißen der inneren Schicht
in den ringförmigen Zwischenraum nicht möglich. Diese Wirkung wird mit noch größerer
Sicherheit verhütet; wenn eine verhältnismäßig lange, schlanke Muffe benutzt wird,
die sich von den eingespannten Enden aus nach innen allmählich verengert. Gegenüber
den bekannten Muffen mit axialer Stauchung besteht der wesentliche Vorteil, daß
ebenfalls wesentlich höhere Dichtungsdrücke erzielbar sind und daß die Anspannung
in jedem beliebigen Zeitpunkt der Bohrarbeit mit einem den gerade vorliegenden Verhältnissen
angepaßten Dichtungsdruck bewirkt werden. kann: Das ist insbesondere wichtig; weil
der Abschluß mit mehr oder weniger großer Anpressung auch dann schon vorgenommen
werden kann, wenn ein Ausbruch aufzutreten droht. Bei den bekannten Verschlüssen,
die selbsttätig erst durch den Ausbruch selbst in die wirksame Lage gebracht werden
sollen, läßt sich nicht verhindern, daß schon vorher Flüssigkeit in den Raum zwischen
Dichtungsmuffe und Bohrgestänge eingetreten ist; in einem solchen Falle kann eine
wirksame Abdichteng beim Ausbruch kaum noch erzielt werden. Da die gemäß der Erfindung
ausgebildete Vorrichtung eine sehr weitgehende Umformung der Gummimasse gestattet,
ist es möglich, eine Muffe mit solcher lichten Weite zu verwenden, daß auch die
Verdickungen des Bohrgestänges durch die Muffe hindurchgeführt werden können; es
ist also beim Zurückziehen des Bohrgeräts, Einsetzen von Verlängerungsstücken o.
dgl. nicht notwendig, die Abschlußvorrichtung auszubauen. Die Ausbildung gemäß der
Erfindung ergibt ferner die Möglichkeit, auf die Stirnfläche derDichtungsmuffeeinen
Stauchdrwck auszuüben, der größer als derjenige ist, welchen das Druckmittel unmittelbar
erzeugen könnte; als Zylinder für den Ringkolben kann zu diesem Zweck eine Aussparung
'im Abschlußdeckel des Verschlußgehäuses vorgesehen sein, deren Durchmessec größer
als der Außendurchmesser der Dichtungsmuffe ist. Der neue Bohrlochverschluß kann
ferner ebenfalls so ausgebildet werden, daß die Dichtungsmuffe innerhalb eines im
Außengehäuse drehbar gelagerten Innengehäuses angeordnet ist, wobei dann ein dauernder
Abschluß während der ganzen Bohrarbeit innegehalten werden kann. Es ist dann der
Zylinder des gleichfalls drehbaren
Ringkolbens im oberen Teil des
drehbaren Gehäuses ausgebildet; zugleich sind der Ringkolben und sein Zylinder mit
in den Deckel des Außengehäuses hineinragenden und gegeit diesen abgedichteten rohrförmigen
Ansätzen versehen, wobei der Zwischenraum zwischen den Rohransätzen als Druckmittelzuleitung
vom Gehäusedeckel zum Kolben dient.
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Die Erfindung ist in den Zeichnungen; beispielsweise veranschaulicht,
und zwar zeigt-Fig. i einen senkrechten Längsschnitt des Bohrlochverschlusses (Ver
rohrungskopfes) mit ruhend angeordneter Dichtungsmuffe und Fig. 2 ebenfalls im senkrechten
Schnitt eine dazugehörige Einzelheit, betreffend die Manschettendichtung des Kolbens.
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In Fig.4 ist eine Ausführungsform mit drehbar angeordneter Dichtungsmuffe
dargestellt, die zugleich als Doppeldichtung ausgebildet ist, indem unterhalb der
drehbaren Dichtung eine mit Außendruck radial anhreßbare ruhende Dichtung vorgesehen
ist. Die letztere kann auch durch die einfachere Ausführung nach Fig. 3 ersetzt
sein, Die Fig.q. veranschaulicht übrigens den drehbaren Verschluß in. zwei verschiedenen
Betriebsstellungen; in der linken Hälfte ist der Preßkolben in seiner obersten Lage
dargestellt, während er in der rechten Hälfte in derjenigen Lage gezeigt ist, bei
welcher er unter Druck steht und die elastische Muffe gestaucht und einwärts an
das Bohrgestänge angepr eßt ist.
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Zur Ausführung des Erfindungsgedankens dient eine vorteilhaft aus
Gummi bestehende dickwandige elastische Muffe f, wie in Fg. i und q. (oben) dargestellt
ist. Die Muffe f hat eine solche Form, daß der Innendurchmesser nach den beiden
Enden zu allmählich zunimmt, wodurch der einwärts vorspringende Teil f' gebildet
wird.
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Das festsehende Gehäuse c (Fig. i) oder das umlaufende Gehäuse g (Fig,
q), in welchem jeweils die Muffe f gelagert ist, ist an seinem unteren Ende mit
einem Innenflansch h versehen, dessen Öffnung mit der Böhrung des Ringkolbens gleichachsig
und übereinstimmend ist. In den Innenflansch ist eine ringförmige Nut h2 mit Schwalbenschwanzquerscbnitt
zur Aufnahme des unteren Teils der Muffe feingearbeitet. Der obere Teil der Muffe
ist ähnlich geformt und greift in eine ringförmige Nut a2 des Teils a' ein.
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Der Ringkolben a besteht aus einem Stück mit dem Rohr b, das sich
aufwärts erstreckt und an seinem oberen Ende das Gewicht des im Bohrloch hängenden
Bohrgestänges o.dgl. trägt. Der obere Teil des Gehäuses c ist als Zylinder für den
Ringkolben ausgebildet. Doch ist der innere Durchmesser der Aussparung größer als
der Außendurchmesser des Kolbens gehalten,, um den büchsenartigen Ansatz dl des
Deckels d einsetzen zu können., der den hohlen Ringraum e für die Bewegung des Kolbens
umschließt. Der ringförmige Deckel d besitzt eine Aussparung zur Aufnahme .einer
Stopfbüchse d2, die mittels Schraubenbolzen angezogen wird und zum Anpressen der
in der Aussparung untergebrachten Dichtung d3 dient.
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Der Deckel d ist am Gehäuse c durch Verschraubung befestigt, zu welchem
Zweck der Ansatz d' und die obere Öffnung des Gehäuses c mit Gewinde versehen sind;
der nach außen. vorspringende Teil des Deckels oberhalb der Wand d' liegt also mit
Druck an der Stirnfläche dgs Gehäuses c an, wobei eine Abdichtung mittels des in
einer Ringnut. der Stirnfläche angeordneten Dichtungsringes c' erfolgt.
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Ein Verriegelungsstück d5 von rechteckiger Form kann in Aussparungen
gleicher Form und Lage, die am Umfange des Gehäuses c und des Deckels d vorgesehen
sind, eingesetzt sein.
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Der Deckel d enthält .einen Kanal, der aus den, senkrecht zueinander
gerichteten Bohrungen de und d' besteht; der waagerechte Teil d' ist zur Aufnahme
eines zur Verbindung mit einem Flüssigkeitsdruckspeicher dienenden Anschlußstizcks
d8 eingerichtet, der senkrechte Teil d' führt zur Unterseite des Deckels. Auf diese
Weise kann das Druckmittel auf den Kolben a wirken und die Muffe
f
zusammenpressen.
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Damit eine Füllung durch das Druckmittel erfolgen kann, ist im Deckel
d eine Entlüftungsvorrichtung in Form eines Schraubstopfens j (Fig. z) vorgesehen,
der sich in einer zum Kanal de, d' führenden Bohrung d° befindet. Ferner können
die bei d'° (Fig. i) gestrichelt angedeuteten senkrechten, Kanäle in nicht mit dem
Kanal d8, d7 zusammenfallenden Ebenen angebracht sein, die im oberen Teil des Deckels
d durch einen Querkanal d" verbunden sind. Ein Ende dieses Querkanals mündet in
die Außenfläche des Deckels und ist hier mit einem dem Teil j ähnlichen Auslaßstopfen
zur Abführung der Druckmittelmengen versehen, die in den Hohlraum e unterhalb des
Kolbens gelangen könnten.
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Die auf dem Kolbenangeordnete U-förmige Ledermanschette i wird durch
eine Halteplatte i' (Fig. 2) in ihrer Lage gesichert; sie besitzt zu diesem Zweck
einen in die Dichtungsmanschette eingreifenden Flansch i=, der in Abständen mit
Lödhern i3 zur Einführung des Druckmittels in den Manschettenhohlraum versehen ist.
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Unterhalb der beschr iebenen Dichtung kann noch eine zweite Dichtung
bekannter Art, wie in Fig. 3 veranschaulicht, angebracht sein.
Diese
besteht dann zweckmäßig aus einer innerhalb eines Gehäuses m gelagerten vollwandigen
elastischen Muffe 1, die zwischen Endringen m' 'gehalten und zur Aufnahme von Druck
eingerichtet ist, welcher der Außenseite der Muffe zugeführt wird. Diese Muffe i
kann als Hilfsdichtung dienen; sie braucht also beispielsweise nur zur Benützung
zu kommen, um gegebenenfalls eine Auswechslung der Muffe f zu ermöglichen (wobei
eine Ruhedichtung durch die untere Muffe =bewirkt wird), oder sie kann in besonderen
Fällen; wo sehr hohe Drücke im Bohrloch auftreten, zur Unterstützung der oberen
Abdichtung herangezogen werden: Die Muffe 1 kann so ausgebildet sein, d'aß sie gleiche
Anpressung erzeugt und gleich große Drücke abdichtet wie die obere Muffe; sie ist
aber hauptsächlich als eine Dichtung für den Ruhezustand gedacht, während die obere
Dichtung zeitweilig auch während der Arbeit wirken kann.
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Das Druckmittel wird durch Leitungen, die mittels der Ventile n (Fig.
3) regelbar sind, von einer gemeinsamen Druckquelle aus so zugeführt, daß der Druck
auf die Muffe f der. ersten oder oberen Dichtung in axialer Richtung und auf die
Muffe 1 der zweiten oder unteren Dichtung von außen in radialer Richtung gelangt.
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Eine derartige Doppeldichtung ist als Beispiel einer Einrichtung dargestellt,
bei welcher beide Arten elastischer Muffen f und 1
in einem gemeinsamen
Gehäuse oder in aufeinandergesetzten Gehäusen .angeordnet sind.
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Bei dem in Fig.4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden
Endringe m' vom Gehäuse m getrennt ausgebildet; der untere Ring kann eine aufwärts
gerichtete und mit Löchern versehene zylindrische Wand besitzen, auf welcher der
obere Ring aufruht.
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Der Ringkolben a (Fig. 4) kann aus einem Stück mit dem sich nach oben
erstreckenden Rohr b bestehen und in einem drehbaren Innengehäuse g- gelagert sein,
in dessen unteren Teil die Muffe f angeordnet ist. Das Innengehäuse .g ist seinerseits
in einem ruhenden Außengehäuse c gelagert, das auf- dem Gehäuse m der unteren Dichtung
befestigt ist. Das Innengehäuse g ist in axialer Richtung unverschiebbar gehalten
und mit dem darin befindlichen Rohr b verbunden, so daß der Ringkolben a gegenüber
dQm 'Gehäuse g zwar längs verschiebbar; aber nicht drehbar ist.
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Der obere Teil des Auß ngehäuses c besitzt einen größeren Innendurchmesser
als der untere Teil; in diesem Teil ist das Mittelstück g1 des Innengehäuses g;
das einen größeren lichten Durchmesser als der untere Teil g- und der obere Teil
g3 aufweist und dadurch die Kammer e bildet, angeordnet.
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Bei der Ausführung nach Fig.4 ist der zylindrische Teil
d' vorn eigentlichen Deckel d
getrennt. Das untere Ende dieses zylindrischen
Teils wird von einem ringförmigen Hohlraum umgeben, in welchem die U-förmige Ledermanschette
i untergebracht ist.
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Im oberen Teil des drehbaren Gehäuses g können einige axiale Kanäle
oder Nuten g4 an der Innenfläche des Teils g3 vorgesehen sein, von denen eine oder
mehrere als Führungsnoten dienen, während die anderen zur Durchleitung des Druckmittels
bestimmt sind.
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Kugellager p, p1 gestatten eine freie Drehung des Innengehäuses g
trotz des Axialdrucks, der von der Spannung im Bohrloch oder vom Gewicht der drehbaren
Teile, insbesondere von dem Gewicht des Bohr- oder Rohrgestänges, ausgeübt wird,
wenn dieses vom drehbaren Gehäuse in bekannter Weise getragen wird.
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Die Stopfbüchsed' ist vorteilhaft mit einem Flansch d21 versehen,
welcher die Anbringung einerAnzahl im Kreise angeordneter Schraubspindeln q ermöglicht.
Diese Schraubspindeln gehen durch eine ringförmige Packung des Deckels d hindurch
und erzeugen beim Anziehen einen Drück auf den inneren Stopfbüchsenring q1 und auf
die Packung, die in dem Ringraum zwischen dem Gehäuseteil g3 und der 'inneren Fläche
der zylindrischen Wand dl untergebracht ist. Der Druckring q' ist nahe seinem oberen
Ende mit einer Anzahl radialer Bohrungen q2 versehen, welche den Innenraum mit einer
ringförmigen Nut an seiner Außenfläche in Verbindung setzen. Durch radial gerichtete
Kanäle d° kann das Druckmittel in den Zwischenraum zwischen der Unterseite des Deckels
d und der Oberseite des Ringes q1 und durch die Bohrungen q' außerdem in den Innenraum
des Ringes gelangen, von wo es seinen Weg durch die Kanäleg4 in den oberen Teil
des Zylinderraums e nimmt.