DE69217956T2

DE69217956T2 - Doppelt wirkender beschleuniger für hydraulische schlagschieber

Info

Publication number: DE69217956T2
Application number: DE69217956T
Authority: DE
Inventors: Robert W. Montgomery Tx 77356 Evans
Original assignee: Dailey Petroleum Services Corp
Current assignee: Dailey International Inc
Priority date: 1991-08-15
Filing date: 1992-07-02
Publication date: 1997-06-12
Anticipated expiration: 2012-07-03
Also published as: US5232060A; WO1993004258A1; DE69217956D1; DK0597885T3; NO940422D0; ES2097916T3; FI940678A0; NO305811B1; EP0597885B1; AU2317792A; JPH06509852A; GR3023665T3; EP0597885A1; ATE149629T1; HK1007787A1; FI940678A; SG49147A1; CA2113458A1; AU656799B2; NO940422L

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Beschleuniger zur Verwendung mit hydraulischen Schlagschiebern bei Bohreinrichtungen und insbesondere auf einen doppelt wirkenden Beschleuniger zur Verwendung mit doppelt wirkenden hydraulischen Schlagschiebern.
Schlagschieber sind seit langen auf dem Gebiet der Bohrausrüstungen zum Wiederbringen von Bohrungen bekannt. Ein Schlagschieber ist ein Werkzeug, das eingesetzt wird, wenn entweder eine Bohrausrüstung oder eine Förderausrüstung in einem solchen Maße stecken geblieben ist, daß sie nicht mehr auf einfache Weise aus der Bohrung entfernt werden kann. Der Schlagschieber wird normalerweise im Bohrstrang in der Zone des steckengebliebenen Gegenstands angeordnet und ermöglicht einer Bedienungsperson an der Erdoberfläche, über eine Betätigung des Bohrstrangs, etwa durch Heben und Senken des Bohrstranges, eine Reihe von schlagartigen Stößen an den Bohrstrang weiterzugeben. Man hofft dann, daß diese schlagartigen Stöße an den Bohrstrang den steckengebliebenen Gegenstand lösen und einen weiteren Betrieb ermöglichen.
Schlagschieber enthalten eine Schiebeverbindung, die eine relative axiale Bewegung zwischen einem inneren Dorn und einem äußeren Gehäuse ermöglicht, ohne eine Drehbewegung dazwischen zuzulassen. Der Dorn ist typischerweise mit einem darauf ausgebildeten Hammer versehen, während das Gehäuse einem Amboß aufweist, der benachbart zum Hammer des Dorns angeordnet ist. Wenn daher der Hammer und der Amboß mit hoher Geschwindigkeit aufeinander geschoben werden, geben sie einen sehr heftigen Stoß an das festsitzende Bohrgestängeweiter, der oft ausreicht, um das Bohrgestänge freizuschlagen.
In manchen Fällen ist es erwünscht, die Kraft der schlagartigen Stöße stark zu vergrößern, so daß eine wesentlich größere hammerartige Schlagkraft auf einen festsitzenden Gegenstand ausgeübt werden kann. Typischerweise wird bisher die Kraft eines Schlagschiebers dadurch vergrößert, daß ein Beschleuniger in das Bohrgestänge eingefügt wird. Der Beschleuniger wird dazu verwendet, Energie aufzuspeichern, bis der Schlagschieber ausgelöst wird. Bei Auslösung des Schlagschiebers gibt der Beschleuniger seine aufgespeicherte Energie rasch frei und beschleunigt den Hammer des Schlagschiebers auf eine sehr hohe Geschwindigkeit. Die Schlagkraft hängt selbstverständlich mit dem Quadrat der Geschwindigkeit zusammen, wodurch die hammerartige Kraft durch den Beschleuniger erheblich vergrößert wird.
In neuerer Zeit sind Schlagschieber entwickelt worden, die in der Lage sind, hammerartige Schläge sowohl nach oben als auch nach unten abzugeben. Beispielsweise beschreibt das am 30. November 1982 an Robert W. Evans erteilte US-Patent 4,361,195 einen derartigen doppelt wirkenden Schlagschieber.
Bislang waren keine doppelt wirkenden Beschleuniger zum Zusammenwirken mit doppelt wirkenden Schlagschiebern verfügbar. Es war daher bislang nicht möglich, verstärkte, nach oben und unten gerichtete hammerartige Schläge mit diesem doppelt wirkenden Schlagschiebern zu erzeugen.
Die vorliegende Erfindung richtet sich darauf, dieses Problem zu überwinden oder zu minimieren.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein doppelt wirkender Beschleuniger geschaffen, umfassend:
ein rohrförmiges Gehäuse (3);
einen rohrförmigen Dorn (2) , der im wesentlichen koaxial zur teleskopartigen Längsbewegung innerhalb des rohrförmigen Gehäuses (3) angeordnet ist;
einen ersten Kolben (89), der radial zwischen dem rohrförmigen Gehäuse (3) und dem Dorn (2) angeordnet ist, wobei der erste Kolben (89) zur Bewegung mit dem Dorn (2) bestimmt ist, ansprechend auf eine Bewegung des Dorns (2) in einer ersten Längsrichtung relativ zu dem Gehäuse (3) bestimmt ist, und dazu bestimmt ist, einer Längsbewegung ansprechend auf eine Bewegung des Dorns (2) in einer zweiten Längsrichtung relativ zu dem Gehäuse (3) zu widerstehen; und
einen zweiten Kolben (111), der radial zwischen dem rohrförmigen Gehäuse (3) und dem Dorn (2) angeordnet ist, wobei der erste (89) und der zweite (111) Kolben eine Kammer (88) dazwischen bilden und der zweite Kolben (111) zur Bewegung mit dem Dorn (2) ansprechend auf eine Bewegung des Dorns (2) in der zweiten Längsrichtung relativ zu dem Gehäuse (3) bestimmt ist, und dazu bestimmt ist, einer Längsbewegung ansprechend auf eine Bewegung des Dorns (2) in der ersten Längsrichtung relativ zu dem Gehäuse (3) zu widerstehen, wobei die Kammer (88) einen Druckanstieg ansprechend auf die Bewegung des Dorns sowohl in der ersten als auch in der zweiten Längsrichtung relativ zu dem Gehäuse (3) erfährt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer im wesentlichen abgedichtet ist, wodurch ein signifikanter Fluidverlust der Kammer (88) lediglich über die Kolben (89, 111) auftreten kann.
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein doppelt wirkender Beschleuniger geschaffen. Der Beschleuniger weist ein rohrförmiges Gehäuse sowie einen rohrförmigen Dorn auf, der im wesentlichen koaxial zur teleskopartigen Längsbewegung innerhalb des rohrförmigen Gehäuses angeordnet ist. Ein erster Kolben ist radial zwischen dem rohrförmigen Gehäuse und dem Dorn angeordnet und zur Bewegung mit den Dorn bestimmt, ansprechend auf eine Bewegung des Dorns in einer ersten Längsrichtung relativ zum Gehäuse. Weiterhin ist der erste Kolben dazu bestimmt, einer Längsbewegung ansprechend auf eine Bewegung des Dorns in einer zweiten Längsrichtung relativ zu dem Gehäuse zu widerstehen. Ein zweiter Kolben ist radial zwischen dem rohrförmigen Gehäuse und dem Dorn angeordnet und bildet zusammen mit dem ersten Kolben eine im wesentlichen abgedichtete Kammer dazwischen. Der einzige nennenswerte Fluidverlust kann über einen Kolben auftreten, was lediglich geschieht, um eine thermische Ausdehnung des Fluids zu ermöglichen. Während des schlagvorgangs geht nur eine sehr geringe Fluidmenge aus der Kammer verloren, was von Bedeutung ist, da die Kompression des Fluids die Energie in dem Beschleuniger speichert. Der zweite Kolben ist zur Bewegung mit dem Dorn ansprechend auf eine Bewegung des Dorns in der zweiten Längsrichtung relativ zu dem Gehäuse bestimmt, und ist dazu bestimmt, einer Längsbewegung ansprechend auf eine Bewegung des Dorns in der ersten Längsrichtung relativ zu dem Gehäuse zu widerstehen. Daher erfährt die Kammer einen Druckanstieg ansprechend auf eine Bewegung des Dorns sowohl in der ersten als auch in der zweiten Längsrichtung relativ zu dem Gehäuse.
Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen deutlich, in denen:
Fig. 1A-C aufeinanderfolgende Abschnitte, im Viertelschnitt, eines doppelt wirkenden Beschleunigers zeigen, der sich in seiner neutralen Betriebsstellung befindet;
Fig. 2A-C aufeinanderfolgende Abschnitte, im Viertelschnitt, des Beschleunigers in seiner nach unten gerichteten Arbeitsstellung zeigen; und
Fig. 3A-C aufeinanderfolgende Abschnitte, im Viertelschnitt, des Beschleunigers in seiner nach oben gerichteten Arbeitsstellung zeigen.
Während die Erfindung unterschiedlichen Modifikationen unterworfen sein kann und in alternativen Formen ausgeführt werden kann, werden spezielle Ausführungsformen beispielhaft in den Zeichnungen gezeigt und werden nachfolgend im einzelnen beschrieben. Es ist allerdings indessen selbstverständlich, daß diese Beschreibung nicht dem Zweck dient, die Erfindung auf die besonderen, hierin offenbarten Ausführungsformen zu beschränken, sondern die Erfindung soll im Gegenteil alle Modifikationen, Aquivalente und Alternativen abdecken, die in den Bereich der Erfindung fallen, wie er durch die beigefügten Ansprüche festgelegt ist.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und insbesondere auf Fig. 1A bis 1G einschließlich ist ein doppelt wirkender Beschleuniger 1 dargestellt, der eine beträchtliche Länge aufweist, weshalb es notwendig ist, daß er in drei in Längsrichtung unterbrochenen Viertelschnitt-Ansichten, nämlich Fig. 1A, 1B und 1C dargestellt ist. Jede dieser Ansichten ist als Längsschnitt gezeigt, der sich von der Mittellinie (als strichpunktierte Linie dargestellt) des Beschleunigers 1 bis zu dessen äußerem Rand erstreckt. Der Beschleuniger 1 beinhaltet im allgemeinen einen inneren rohrförmigen Dorn 2, der teleskopartig verschieblich innerhalb eines äußeren rohrfömigen Gehäuses 3 gehalten ist. Der Dorn 2 und das Gehäuse 3 bestehen jeweils aus einer Anzahl rohrförmiger Segmente, die vorzugsweise durch mit Gewinde versehene Anschlüsse miteinander verbunden sind.
Der Dorn 2 besteht aus einem oberen rohrförmigen Abschnitt 4 mit einem sich in Längsrichtung durch diesen hindurch erstreckenden Durchlaß 5. Das obere Ende des oberen rohrförmigen Abschnitts 4 ist erweitert, wie mit 5a angegeben, und ist mit einem Innengewinde 6 zum Anschluß an einen herkömmlichen Bohrstrang oder ähnlichem (nicht dargestellt) versehen. Das untere Ende des oberen rohrförmigen Abschnitts 4 ist mit einer Ansenkung versehen, die in einem inneren Absatz 7 entdet, und ist mit einem Innengewinde versehen, wie mit 8 angegeben. Ein Zwischenabschnitt des Dorns 2 besteht aus einem rohrförmigen Abschnitt 9, dessen oberes Ende mit Gewinde versehen ist, wie mit 10 bezeichnet, um innerhalb des mit Gewinde versehenen Abschnitts 9 des oberen rohrförmigen Abschnitts 4 angeschlossen zu werden, wobei der obere Endabschnitt gegen den Absatz 7 stößt. Das untere Ende des rohrförmigen Abschnitts 9 ist mit einem Außengewinde 11 versehen und weist eine Innenbohrung bzw. einen Durchlaß 12 auf, der eine Fortführung des Durchlasses 5 im oberen rohrförmigen Abschnitt 4 ist. Das untere Ende des Dorns 2 besteht aus einem rohrförmigen Abschnitt 13, der mit einer Ansenkung versehen ist, welche in einem Absatz 14 endet und mit einem Innengewinde versehen ist, wie mit 15 bezeichnet. Der rohrförmige Abschnitt 13 ist mittels Gewinde mit dem unteren Ende des rohrförmigen Abschnitts 9 verbunden, wobei dessen unteres Ende gegen den Absatz 14 stößt.
Der untere Endabschnitt des rohrförmigen Abschnitts 13 ist mit einem Gewinde 16 versehen. Ein Hülsenteil 17, das mit Innengewinde 18 versehen ist, ist auf das untere Ende des rohrförmigen Abschnitts 13 aufgeschraubt. Der rohrförmige Abschnitt 13 ist mit einem inneren, in Längsrichtung verlaufenden Durchlaß 19 versehen, der eine Verlängerung der Durchlässe 5 und 12 darstellt und in einer mittigen Öffnung 20 des Hülsenteils 17 mündet. Die drei Abschnitte 4, 9 und 13 des Dorns 2 sind wie dargestellt durch Verschrauben zu einem einteiligen, rohrförmigen Dorn 2 zusammengefügt, der in Längsrichtung innerhalb des rohrförmigen Gehäuses beweglich ist.
Das rohrförmige Gehäuse 3 ist aus Gründen des Zusammenbaus in mehrere Abschnitte gegliedert, in gewisser Weise ähnlich dem Dorn 2. Das obere Ende des rohrförmigen Gehäuses 3 besteht aus einem rohrförmigen Teil 21, das eine glatte Innenbohrung 22 aufweist, die durch ein herkömmliches Lager 22a an dessen oberem Ende gebildet wird, in welchem sich die Außenfläche des oberen, rohrförmigen Dornabschnitts 4 zur in Längsrichtung verschieblichen Bewegung befindet. Der untere Endabschnitt des rohrförmigen Teils 21 weist einen Abschnitt mit vermindertem Durchmesser auf, der einen ringförmigen Absatz 23 bildet und einen mit Außengewinde versehenen Abschnitt 24 besitzt.
Das rohrförmige Gehäuse 3 weist einen rohrförmigen Zwischenabschnitt 25 auf, der an seinen oberen Ende mit einem Innengewinde 26 zur Schraubverbindung mit dem Gewindeabschnitt 24 des rohrförmigen Teils 21 versehen ist. Das obere Ende des rohrförmigen Zwischenabschnitts 25 stößt gegen den Absatz 23, wenn die Gewindeverbindung fest angezogen wird. Der untere Endabschnitt des rohrförmigen Teils 25 hat einen Abschnitt mit vermindertem Durchmesser, der einen Absatz 27 bildet und mit Außengewinde 28 versehen ist.
Der untere Abschnitt des rohrförmigen Gehäuses 3 besteht aus einem rohrförmigen Teil 29, das an seinem oberen Ende zur Verbindung mit dem Gewindeabschnitt 28 des rohrförmigen Zwischenteils 25 mit einem Innengewinde 30 versehen ist. Das obere Ende des unteren rohrförmigen Teils 29 stößt gegen den Absatz 27, wenn die Gewindeverbindung fest angezogen wird. Das untere Ende des rohrförmigen Teils 29 ist mit Innengewinde 31 versehen.
Ein rohrförmiges Teil 29a weist einen Abschnitt mit vermindertem Durchmesser auf, der einen Absatz 27a bildet, und ist mittels Gewinde an seinem oberen Ende mit dem Gewindeabschnitt 31 des rohrförmigen Teils 29 verbunden, wobei es gegen den Absatz 27a anstößt. Das untere Ende des rohrförmigen Teils 29a weist einen mit Gewinde versehenen Abschnitt 31a auf, der mit einem rohrförmigen Verbindungsteil 32 in Eingriff gebracht werden kann. Das rohrförmige Verbindungsteil 32 ist an seinem oberen Ende mit einem Außengewinde 33 versehen und weist einen Absatz 34 auf, gegen den das untere Ende des rohrförmigen Teils 29a anstößt, wenn die Gewindeverbindung 31a, 33 fest angezogen wird. Das rohrförmige Verbindungsteil 32 hat einen inneren, in Längsrichtung verlaufenden Durchlaß 35, der eine Fortsetzung der Durchlässe 5, 12, 19 durch den Dorn 2 darstellt. Das untere Ende des rohrförmigen Verbindungsteils 32 weist einen verkleinerten Durchmesser auf und ist mit einer mit Außengewinde versehenen Oberfläche 32a zur Verbindung mit dem unteren Abschnitt eines Bohrstrangs versehen bzw. zur Verbindung mit einem im Bohrloch verlorengegangenen Teil oder ähnlichem (nicht dargestellt), wenn die Vorrichtung als Schlagschieber zum Erfassen eines solcheh Teils eingesetzt wird.
Wie bereits ausgeführt, sind der Dorn 2 und das Gehäuse 3 zum Zwecke des Zusammenbaus in Abschnitten ausgebildet. Der Dorn 2 ist zur verschieblichen Bewegung innerhalb des Gehäuses 3 angeordnet. Eine zwischen dem Dorn 2 und dem Gehäuse 3 ausgebildete Kammer ist mit einer geeigneteh Arbeitsflüssigkeit gefüllt, die kompressibel ist, beispielsweise Silikonöl, und es ist daher notwendig, Dichtungen gegen eine Leckage aus den Gewindeverbindungen vorzusehen, die an den verschiedenen Abschnitten des Dorns 2 und des Gehäuses 3 ausgebildet sind, und auch aus den Bereichen des verschieblichen Zusammenwirkens zwischen dem Dorn 2 und dem Gehäuse 3.
Wie vorstehend beschrieben, weist die Außenfläche des oberen Dornabschnitts 4 einen Schiebesitz in der Bohrung 22 des oberen rohrförmigen Teils 21 des Gehäuses 3 auf. Das rohrförmige Teil 21 ist mit wenigstens einer inneren, ringförmigen Aussparung 38 versehen, in der wenigstens eine Dichtung 39 angeordnet ist, welche den Schiebesitz gegen eine Leckage des Hydraulikfluids abdichtet. In ähnlicher Weise ist die Gewindeverbindung zwischen den rohrförmigen Gehäuseteilen 21, 25 mittels eines O-Rings 40 oder ähnlichem, der sich in einer äußeren, auf dem Umfang liegenden Nut 41 in unteren Ende des rohrförmigen Gehäuseteils 21 befindet, gegen Leckage abgedichtet. Die Gewindeverbindung zwischen den rohrförmigen Gehäuseteilen 25, 29 ist in ähnlicher Weise mittels eines O-Rings 42, der sich in einer auf dem Umfang liegenden Nut 43 im unteren Endabschnitt des rohrförmigen Gehäuseteils 25 befindet, gegen Fluidleckage abgedichtet. In entsprechender Weise ist die Gewindeverbindung zwischen den rohrförmigen Gehäuseteilen 29, 29a mittels eines O-Rings 42a, der sich in einer auf dem Umfang liegenden Nut 43a im unteren Endabschnitt des rohrförmigen Gehäuseteils 29a befindet, gegen Fluidleckage abgedichtet.
Schließlich ist die Schraubverbindung zwischen dem oberen Ende des rohrförmigen Gehäuseteils 29a und dem aus mehreren Teilen bestehenden Verbindungsteil 32 in ähnlicher Weise mittels eines O-Rings 46, der in einer auf dem Umfang befindlichen Nut 45 im oberen Ende des aus mehreren Teilen bestehenden Verbindungsteils 32 angeordnet ist, gegen Fluidleckage abgedichtet. Ähnliche Dichtungen sind vorgesehen, um eine Leckage durch die Schraubverbindungen zu verhindern, die die verschiedenen Abschnitte des Dorns 2 miteinander verbinden.
Der Bereich zwischen der Innenbohrung der verschiedenen Teile des Gehäuses 3 und der Außenfläche des Dorns 2 bildet eine umschlossene Kammer sowie Durchlässe für die Strömung des Arbeitsfluids, etwa Silikonöl, durch den Beschleuniger 1 hindurch.
Am oberen Ende des rohrförmigen Gehäuseteils 21 bildet der Bereich zwischen dessen Innenbohrung 50 und einer Außenfläche 51 des rohrförmigen Abschnitts 4 des Dorns eine Kammer 52. Das obere Ende der Kammer 52 ist mit einer mit Gewinde versehenen Öffnung 53 versehen, in die ein mit Gewinde versehenes Stopfenteil 54 eingeschraubt ist. Die Gewindebohrung 53 ermöglicht die Einleitungdes Arbeitsfluids.
Die Außenfläche des rohrfömigen Dornabschnitts 4 hat an dessen unterem Endabschnitt 55 einen geringfügig verminderten Durchmesser und ist mit einer Anzahl von sich in Längsrichtung erstreckenden Nuten 56 versehen, die dazwischen Federn bilden. Der untere Endabschnitt des rohrförmigen Gehäuseteils 21 ist mit einer Innenbohrung 57 versehen, die eine Anzahl von sich in Längsrichtung erstreckenden Nuten 59 darin aufweist, die auf dem Umfang verteilt sind, so daß sie dazwischen eine Anzahl von Federn bilden, die mit den Nuten und Federn 56 im oberen rohrförmigen rohrförmigen Dornabschnitt 4 zusammenwirken. Die Nuten 56, 59 im rohrförmigen Gehäuseteil 21 und im rohrförmigen Dornabschnitt 4 haben eine Tiefe, die größer ist als die Höhe der in diesen Nuten 56, 59 angeordneten, gegenüberliegenden Federn. Als Ergebnis hiervon werden in Längsrichtung verlaufende Durchlässe längs der jeweiligen Nuten 56, 59 im Dornabschnitt 4 und im Gehäuseteil 21 gebildet. Die durch das Spiel bzw. den Abstand zwischen den Nuten und Federn 56, 59 gebildeten Durchlässe ermöglichen, daß Arbeitsfluid zwischen der Kammer 52 und den unteren Bereichen des Beschleunigers 1 strömen kann, wie dies nachfolgend beschrieben wird.
Weiterhin bildet die Anordnung von sich in Längsrichtung erstreckenden Nuten und Federn 56, 59 im rohrförmigen Gehäuseteil 21 und auf dem rohrförmigen Dornabschnitt 4 eine Führung für eine Längsbewegung des Dorns 2 im Gehäuse 3, ohne eine Drehbewegung dazwischen zuzulassen.
Der Spielraum zwischen dem rohrförmigen Gehäuse 25 und den Dornabschnitten 4, 9 ist so bemessen, daß eine Hydraulikkammer 63 mit wesentlich vergrößerten Abmessungen bezogen auf die Hydraulikkammer 52 gebildet wird.
In der erläuterten Ausführungsform wirkt diese vergrößerte Kammer 63 als Fluidspeicher für eine Hauptarbeitskammer, wie nachfolgend im einzelnen beschrieben.
Der rohrförmige Dornabschnitt 9 ist mit einer Anzahl von in Längsrichtung verlaufenden Nuten 76 versehen. Die Nuten 76 bilden Strömungsdurchlässe für die strömung eines Arbeitsfluids, wie nachfolgend noch beschrieben wird. Ein Abstandsring 77 sitzt auf dem rohrförmigen Dornabschnitt 9 und hat eine Innenfläche 78, die von der Außenfläche des Dornabschnitts 9 einen Abstand aufweist, um einen ringförmigen Strömungsdurchlaß 79 zu bilden.
Der Abstandsring 77 ist mit Öffnungen 80 versehen, die von dem Durchlaß 79 her in die Hydraulikkammer 63 münden. Das untere Ende des Durchlasses 79 überlappt auch mit dem oberen Ende der Nuten oder Durchlässe 76, um eine durchgehende Strömungsverbindung zwischen der Hydraulikkammer 63 und den Nuten 76 zu bilden. Das obere Ende des Abstandsrings 77 stößt gegen das untere Ende des rohrförmigen Dornabschnitts 4. Gegen das untere Ende des Abstandsrings 77 stößt seinerseits das obere Ende eines ersten rohrförmigen Abschnitts 82a, der auf die Außenfläche des Dornabschnitts 9 aufgepaßt ist, in dem die Nuten 76 ausgebildet sind. Der rohrförmige Abschnitt 82 umschließt daher die Nuten 76 und bildet eine Anordnung von sich in Längsrichtung erstreckenden Durchlässen. Das untere Ende des rohrförmigen Abschnitts 82 stößt gegen einen ringförmigen Abstandsring 83, der mit einer Anzahl von Öffnungen 84 versehen ist, die in die Endabschnitte der Nuten bzw. Durchlässe 76 münden.
Eine Innenfläche 86 des Gehäuseteils 29 und eine Außenfläche 87 des rohrförmigen Abschnitts 82 weisen einen gegenseitigen Abstand auf 1 um eine Hydraulikkammer 88 zu bilden. Im allgemeinen widersteht die Hydraulikkammer 88 einer Relativbewegung zwischen Dorn 2 und Gehäuse 3. Das bedeutet, daß eine Relativbewegung zwischen Dorn 2 und Gehäuse 3 das Volumen der Kammer 88 verkleinert, wodurch eine bedeutende Erhöhung des Innendrucks in der Kammer 88 hervorgerufen wird, wodurch eine Kraft erzeugt wird, um dieser Relativbewegung zu widerstehen. Dieser Widerstand gegenüber einer Relativbewegung ermöglicht den Aufbau einer großen statischen Energie.
Wenn daher die auf das Gehäuse 3 einwirkende Kraft plötzlich nachläßt, etwa durch Auslösen des zugehörigen Schlagschiebers, wird die statische Energie in kinetische Energie umgewandelt, wodurch der Dorn 2 und das Gehäuse 3 zu einer schnellen Bewegung veranlaßt werden und einen Hammer innerhalb des zugehörigen Schlagschiebers (nicht dargestellt) beschleunigen, der dann mit großer Kraft auf eine Amboßfläche aufschlägt. Es ist wichtig, daß dieser Aufbau von statischer Energie durch eine Bewegung des Dorns 2 relativ zum Gehäuse 3 in jeder der beiden Längsrichtungen erfolgt.
Die Arbeitsflüssigkeit wird vorzugsweise aus einer Gruppe ausgewählt, die relativ kompressibel ist. Beispielsweise wird flüssiges Silikonöl bevorzugt, da es wesentlich stärker konpressibel ist als herkömmliches Hydraulikfluid. Es ist wichtig, daß die Kompression des Fluids die Energie in dem Beschleuniger speichert. Auch könnte jegliches kompressibles Gas, beispielweise Stickstoff, als konpressibles Fluid verwendet werden, ohne den Zweck und den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Demgemäß sind Mittel vorgesehen, um die Kammer 88 im wesentlichen abzudichten, damit darin ein Druckaufbau möglich ist. Die Oberflächen 86, 87 der Kammer 88 sind glatte zylindrische Flächen, die eine freie Bewegung eines Paars von Druckkolben ermöglichen, die dazwischen gehalten sind und die Kammer 88 bilden. Am oberen Ende der Hydraulikkammer 88 ist ein ringförmiger Druckkolben 89 zwischen den Oberflächen 86, 87 zur verschieblichen Bewegung dazwischen angeordnet. Der Kolben 89 ist durch O-Ringe 90, 91, die sich in ringförmigen Nuten 92, 93 befinden, gegen Fluidleckage abgedichtet. Eine Bewegung des Kolbens 89 wird durch Zusammenwirken mit dem Dorn 2 und insbesondere mit einem Absatz bewirkt, der durch das Ende des Abstandsrings 87 gebildet wird. Das bedeutet, daß eine Abwärtsbewegung des Dorns 2 und des Abstandsrings 87 den Kolben 89 erfassen und ihn nach unten drücken. Alternativ bildet das untere Ende des rohrförmigen Gehäuseteils 25 einen Absatz, der eine nach oben gerichtete Bewegung des Kolbens 89 verhindert. Dadurch wird die Längsbewegung des Kolbens 89 durch eine Bewegung des Dorns 2 lediglich in Abwärtsrichtung beeinflußt.
In einer Ausführungsform ist der Kolben 89 mit wenigstens einem Durchlaß 94 versehen, um eine kleine Leckströmung der Arbeitsflüssigkeit durch diese Öffnung hindurch zu ermöglichen. Diese Leckströmung aus der Kammer 88 in die Kammer 63 tritt bei thermischer Ausdehnung der Arbeitsflüssigkeit auf, wenn der Beschleuniger 1 in die Bohrung abgelassen wird. Bei einem Schlagvorgang tritt allerdings nur eine sehr kleine Menge Arbeitsflüssigkeit durch den Durchlaß 94 hindurch.
Das untere Ende der Kammer 88 ist in ähnlicher Weise durch einen ringförmigen Druckkolbeh 111 verschlossen, der im wesentlichen entsprechend dem Kolben 89 aufgebaut ist. Der Kolben 111 ist durch ein herkömmliches Einwege-Rückschlagventil 112 gegenüber einer Strömung aus der Kammer 88 heraus abgedichtet. Der Kolben 111 kähnweiüerhin durch Zusammenwirken mit dem ringförmigen Abstandsring 83 während einer Bewegung des Dorns 2 nach oben und aus dem Gehäuse 3 heraus aufwärts bewegt werden. Das obere Ende des rohrförmigen Gehäuseteils 29a bildet einen Absatz, der mit dem Kolben 111 zusammenwirkt und dessen Abwärtsbewegung verhindert. Das Rückschlagventil 112 ermöglicht, daß die sehr kleine Fluidmenge, die durch den Durchlaß 94 während einer vorausgehenden Schlagwirkung hindurchgeleckt ist, ersetzt wird. Das heißt, daß der Druck in der Kammer 110 nach einem Schlagvorgang Druck den in der Kammer 88 übersteigt. Daher strömt Fluid aus der Kammer 110 durch das Rückschlagventil 112 in die Kammer 88 hinein, wodurch das Fluidvolumen in der Kammer 88 auf seinen Wert vor dem Schlagvorgang aufgefüllt wird.
Der Dorn 2 und das Gehäuse 3 werden durch ein Paar Spiralfedem 118, 119 zum Verbleib in der zentralen oder neutralen Stellung gedrückt, wie in Fig. 1A bis C dargestellt ist. Die Spiralfedern 118, 119 sind um den rohrförmigen Abschnitt 82 innerhalb der Kammer 88 koaxial angeordnet und erstrecken sich jeweils zwischen den Druckkolben 89, 111 und einem Paar sich radial erstreckender Flansche 120, 121. Die Flansche 120, 121 bilden hierbei Absätze 122, 123, gegen die die Spiralfedern 118, 119 anliegen. Die Federn 118, 119 wirken weiter dahingehend, daß sie die Kolben 89, 111 in Richtung auf die Endabschnitte der Kammer 88 drücken und den Beschleuniger 1 in seiner zentralen oder neutralen Betriebsstellung halten.
Ein schwimmend gelagerter Kolben 109 befindet sich in abdichtender Beziehung zwischen dem Dornabschnitt 13 und dem rohrförmigen Teil 29a, um eine hydraulisch gefüllte Kammer 110 vom inneren Durchgang 35 zu -isolieren. Die Kammer 110 ist hydraulisch mit den Nuten 76 über die Anzahl von Öffnungen 84 verbunden. Daher steht die Kammer 110 in hydraulischer Verbindung mit den Kammern 52, 63, wobei sie einen wesentlichen Fluidspeicher für die Arbeitskammer 88 bildet. Der schwimmende Kolben 109 bewegt sich in Längsrichtung innerhalb der Kammer 110, um Druckänderungen zwischen den Kammern 52, 63, 110 und dem inneren Durchlaß 35 aufzunehmen. Diese Druckänderungen sind normalerweise Temperaturveränderungen der Einsatzumgebung zugeordnet.
Ein besseres Verständnis der Arbeitsweise des Beschleunigers 1 ergibt sich unter Bezugnahme auf Fig. 2A-C, in denen einen Querschnitt des Beschleunigers 1 in seiner nach unten wirkenden Stellung dargestellt ist. Die Interaktion und die Bewegung der unterschiedlichen Teile des Beschleunigers 1 ergeben sich am besten anhand einer Beschreibung seiner Funktionsweise während eines Beschleunigungsvorgangs nach unten und nach oben. Daher wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 2A-C die Bewegung der unterschiedlichen Teile des Beschleunigers 1 während eines abwärts gerichteten Beschleunigungsvorgangs dargestellt und erläutert.
Es ist von Bedeutung, daß ein wesentlicher Vorgang, der sich in dem Beschleuniger 1 abspielt, die Funktion und das Zusammenwirken der Kolben 89 und 111 ist. Demgemäß wird die Arbeitsweise der Kolben 89 und 111 im einzelnen zusammen mit den in Fig. 2A-C dargestellten Zeichnungen erläutert. Eine Beschreibung des Beschleunigers 1 in seiner neutralen Stellung ist bereits vorstehend in Bezug auf Fig. 1A-C gegeben worden.
Der Beschleuniger 1 wirkt so, daß er die hammerartige Wirkung eines Schlagschiebers dadurch verstärkt, daß darin eine beträchtliche Energiemenge aufgespeichert wird, die ansprechend auf das Auslösen des Schlagschiebers freigesetzt wird. Demgemäß ist es erforderlich, bevor ein nach unten gerichteter Schlagvorgang eingeleitet werden kann, daß der Beschleuniger 1 zunächst "geladen" wird, indem ein Teil des Gewichts des Bohrstrangs auf den Beschleuniger 1 und den Schlagschieber gelegt wird. Fig. 2A-C zeigen den Dorn 2 und folglich den Abstandsring 77 in einer relativ zu dem Gehäuse 3 und insbesondere zu dem rohrförmigen Teil 29 abwärts bewegten Stellung. Diese Abwärtsbewegung wird ersichtlich durch das Gewicht des darauf lastenden Bohrstrangs verursacht.
Der Dorn 2 hat sich genügend weit abwärts bewegt, so daß sich der Abstandsring 77 in Längsrichtung in die Kammer 88 hinein bewegt hat, wobei er den oberen Kolben 89 mitnimmt. Der Abstandsring 77 hat den Kolben 89 in die Kammer 88 hinein bewegt, wodurch das Fluid in der Kammer 88 zusammengedrückt wird. Der untere Kolben 111 ist allerdings mit dem oberen Ende des rohrförmigen Gehäuseteils 29a in Kontakt getreten, wodurch seine weitere Bewegung in Längsrichtung verhindert wird. Es ist von Bedeutung, daß in dem Fall, wenn ein relativ inkompressibles Hydraulikfluid in der Kammer 88 eingesetzt würde, lediglich eine relativ geringfügige Bewegung auftreten würde.
Die Spiralfeder 118 ist relativ wenig zusammengedrückt, wie dargestellt, was an dem Fehlen einer Bewegung in Längsrichtung zwischen dem Kolben 89 und dem Flansch 120 liegt. Andererseits ist die Spiralfeder 119 in hohem Maße zusammengedrückt, was an der Bewegung in Längsrichtung zwischen den Kolben 111 und dem Flansch 121 liegt.
An diesem Punkt ist der Beschleuniger 1 vollständig "geladen" und steht bereit, den Hammer des Schlagschiebers ansprechend auf ein Auslösen des Schlagschiebers zu beschleunigen. Bei dieser Abwärtsbetätigung ist der Dorn 2 in das Gehäuse 3 hineingedrückt worden, indem das Gewicht des Bohrstrangs auf den Beschleuniger 1 gelegt wurde. Wenn der Schlagschieber auslöst, wird der Halt des Gehäuses 3 entfernt, und das Gehäuse 3 kann sich zusammen mit dem Hammer des Schlagschiebers frei abwärts bewegen. Der Beschleuniger 1 verstärkt indessen nun diese Abwärtsbewegung. Da der darunter befindliche Schlagschieber einer Abwärtsbewegung des Gehäuses 3 nicht mehr widersteht, kann sich das unter Druck stehende Fluid in der Kammer 88 frei entspannen und das Gehäuse 3 zusammen mit dem Hammer des Schlagschiebers nach unten drücken. Diese erzwungene Ausdehnung bzw. Entspannung verstärkt die hammerartige Wirkung des Schlagschiebers erheblich.
Nunmehr auf Fig. 3A-C Bezug nehmend, wird eine nach oben gerichtete Betätigung des Beschleunigers 1 beschrieben. Dieser nach oben gerichteten Betätigung geht wiederum voraus, daß der Beschleuniger 1 in seiner Neutralstellung, die in Fig. 1A-C gezeigt ist, positioniert ist. Eine nach oben gerichtete Betätigung beginnt dadurch, daß der Dorn 2 nach oben und aus dem Gehäuse 3 gezogen bzw. herausgezogen wird. Eine Aufwärtsbewegung des Dorns 2 veranlaßt den Abstandsring 83 dazu, den unteren Kolben 111 zu erfassen und den Kolben 111 mit dem Dorn 2 nach oben zu bewegen.
Eine Bewegung des Kolbens 111 verkleinert natürlich das Volumen der Kammer 88, da der obere Kolben 89 aufgrund des Zusammenwirkens mit dem unteren Ende des rohrförmigen Gehäuseteils 25 daran gehindert ist, sich nach oben zu bewegen. Diese Bewegung beginnt daher, den Druck darin erheblich zu erhöhen. Wie zuvor erläutert, kann eine kleine Menge Hydraulikfluid aus der Kammer 88 durch den oberen Druckkolben 89 herauslecken, wodurch eine allmähliche Bewegung des Dorns 2 nach oben und aus dem Gehäuse 3 heraus ermöglicht wird.
Die Spiralfeder 119 ist relativ schwach zusammengedrückt, wie dargestellt, was an der fehlenden Längsbewegung zwischen Kolben 111 und Flansch 121 liegt. Die Spiralfeder 118 ist allerdings aufgrund der Längsbewegung zwischen dem Kolben 89 und dem Flansch 120 stark zusammengedrückt
An diesem Punkt ist der Beschleuniger 1 vollständig "geladen" und steht bereit, den Hammer des Bohrschiebers ansprechend auf eine Auslösung des Bohrschiebers in Aufwärtsrichtung zu beschleunigen. Bei dieser Aufwärtsbetätigung ist der Dorn 2 durch Anheben des Bohrstrangs aus dem Gehäuse 3 herausgedrückt worden. Wenn der Bohrschieber auslöst, wird das Gehäuse 3 nicht mehr durch den Bohrschieber und den darunter befindlichen Bohrstrang unten gehalten. Daher kann sich das Fluid in der Kammer 88 frei entspannen und den Hammer des Bohrschiebers rasch nach oben drücken. Diese zwangsläufige Entspannung verstärkt die nach oben gerichtete, hammerartige Wirkung des Bohrschiebers erheblich.
In einer alternativen Ausführungsform des Beschleunigers 1 ist die Kammer 88 von den Kammern 52, 63, 110 getrennt, so daß in der Arbeitskammer 88 ein anderes Arbeitsfluid verwendet werden kann als das, welches in den Kammern 52, 63 und 110 zum Einsatz kommt. In der ersten, vorstehend beschriebenen Ausführungsforrn ist das im gesamten Beschleuniger 1 verwendete Arbeitsfluid vorzugsweise Silikonöl, das im Vergleich zu herkömmlichern Hydraulikfluid zu schlechten Schmiereigenschaften neigt, aber aufgrund seiner erheblich größeren Kompressibilität gegenüber der von herkömmlichen Hydrauliköl bevorzugt ist. In dieser alternativen Ausführungsform des Beschleunigers 1 wird die Arbeitskammer 88 daher vorzugsweise mit dem relativ kompressiblen Arbeitsfluid wie etwa Silikonöl gefüllt, so daß der Beschleuniger 1 seine Energie durch Zusammendrücken des Silikonöls speichern kann. Die übrigen Kammern 52, 53, 110 werden dagegen mit dem relativ inkompressiblen, aber gute Schmiereigenschaften aufweisenden herkömmlichen Hydraulikfluid gefüllt. Um eine Vermischung dieser unterschiedlichen Fluidarten zu vermeiden, werden der obere Kolben 89 und der untere Kolben 111 nicht mit dem Durchlaß 24 und dem Rückschlagventil 112 versehen. Wie vorstehend erläutert, können auch andere, relativ kompressible Fluide anstelle von Silikonöl verwendet werden, wie etwa beispielsweise gasförmige Fluide.
Obwohl vorliegend eine spezielle Ausführungsform der Vorrichtung im einzelnen beschrieben worden ist, versteht es sich, daß die Erfindung nicht auf die Einzelheiten der bevorzugten Ausführungsform beschränkt ist, und zahlreiche Veränderungen hinsichtlich Auslegung, Konfiguration und Abmessungen möglich sind, ohne daß der in den beigefügten Ansprüchen festgelegte Schutzbereich der Erfindung verlassen wird.

Claims

1. Doppelt wirkender Beschleuniger, umfassend:

ein rohrförmiges Gehäuse (3);

einen rohrförmigen Dorn (2), der im wesentlichen koaxial zur teleskopartigen Längsbewegung innerhalb des rohrförmigen Gehäuses (3) angeordnet ist;

einen ersten Kolben (89), der radial zwischen dem rohrförmigen Gehäuse (3) und dem Dorn (2) angeordnet ist, wobei der erste Kolben (89) zur Bewegung mit dem Dorn (2) ansprechend auf eine Bewegung des Dorns (2) in einer ersten Längsrichtung relativ zu dem Gehäuse (3) bestimmt ist, und dazu bestimmt ist, einer Längsbewegung ansprechend auf eine Bewegung des Dorns (2) in einer zweiten Längsrichtung relativ zu dem Gehäuse (3) zu widerstehen; und

einen zweiten Kolben (111), der radial zwischen den rohrförmigen Gehäuse (3) und dem Dorn (2) angeordnet ist, wobei der erste (89) und der zweite (111) Kolben eine Kammer (88) dazwischen bilden und der zweite Kolben (111) zur Bewegung mit den Dorn (2) ansprechend auf eine Bewegung des Dorns (2) in der zweiten Längsrichtung relativ zu dem Gehäuse (3) bestimmt ist, und dazu bestimmt ist, einer Längsbewegung ansprechend auf eine Bewegung des Dorns (2) in der ersten Längsrichtung relativ zu dem Gehäuse (3) zu widerstehen, wobei die Kammer (88) einen Druckanstieg ansprechend auf eine Bewegung des Dorns sowohl in der ersten als auch in der zweiten Längsrichtung relativ zu dem Gehäuse (3) erfährt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer im wesentlichen abgedichtet ist, wobei ein signifikanter Fluidverlust der Kammer (88) lediglich über die genannten Kolben (89, 111) auftreten kann.

2. Doppelt wirkender Beschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Spiralfeder (118, 119) in der Kammer (88) angeordnet ist, und sich zwischen dem ersten (89) und dem zweiten (111) Kolben erstreckt, wodurch der erste und der zweite Kolben (89, 111) von der longitudinalen Mitte der Kammer (88) weggedrückt werden.

3. Doppelt wirkender Beschleuniger nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Fluidspeicher (64), wobei der erste Kolben (89) einen verengten Durchlaß (94) bildet, der sich durch diesen hindurch erstreckt und in Fluidverbindung mit der Kammer (88) und dem Speicher (63) steht.

4. Doppelt wirkender Beschleuniger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kolben (111) einen sich durch diesen hindurch erstreckenden Durchlaß bildet, der in Fluidverbindung mit der Kammer (88) und dem Speicher (63) steht, wobei ein Einwegeventil (112) in dem Durchlaß des zweiten Kolbens (111) angebracht ist und dazu bestimmt ist, eine Fluidverbindung in einer ersten Strömungsrichtung zu ermöglichen, die sich von einer Kammer (110) in die Kammer (88) hineinerstreckt.

5. Doppelt wirkender Beschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abstandsring (77) des Dorns (2) einen ersten Absatz aufweist, der dazu bestimmt ist, mit dem ersten Kolben (89) ansprechend auf eine Bewegung des Dorns (2) in der ersten Längsrichtung relativ zu dem Gehäuse (3) zusammenzuwirken, und daß das Gehäuse (3) einen ersten, auf diesen ausgebildeten Absatz (121) aufweist, der dazu bestimmt ist, mit den zweiten Kolben (111) zusammenzuwirken, um einer Längsbewegung des zweiten Kolbens (111) ansprechend auf eine Bewegung des Dorns (2) in der ersten Längsrichtung relativ zu dem Gehäuse (3) zu widerstehen.

6. Doppelt wirkender Beschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Abstandsring (83) des Dorns (2) einen zweiten Absatz aufweist, der dazu bestimmt ist, mit dem zweiten Kolben (111) ansprechend auf eine Bewegung des Dorns (2) in der zweiten Längsrichtung relativ zu dem Gehäuse (3) zusammenzuwirken, und daß das Gehäuse (3) einen zweiten Absatz (120) aufweist, der dazu bestimmt ist, mit dem ersten Kolben (89) zusammenzuwirken, um einer Längsbewegung des ersten Kolbens (89) ansprechend auf eine Bewegung des Dorns (2) in der zweiten Längsrichtung relativ zu dem Gehäuse (3) zu widerstehen.