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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verankerung zum
Einsatz in einem Bohrgestänge.
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Bohrgestänge unterliegen Schwankungen des Fluiddrucks in dem
Bohrloch. Diese Druckschwankungen können dazu führen, daß an
dem Bohrgestänge angebrachte Werkzeuge sich axial in der
Bohrung bewegen, und diese axiale Bewegung kann die genaue
Funktion des Werkzeugs beeinflussen. Insbesondere leidet, wenn
sich ein Bohrgestänge, das ein Schneidwerkzeug trägt, durch
Veränderungen des Fluiddrucks ausdehnt oder zusammenzieht, die
Genauigkeit des Schneidvorgangs. Jede nicht vorgesehene axiale
Bewegung des Werkzeugs führt dazu, daß die Schneider einen
spiralförmigen Weg in dem Bohrloch beschreiben. Eine Ursache
für unerwünschte Bewegungen des Werkzeugs ist Pulsieren des
Fluiddrucks in dem Bohrgestänge, das durch die Betätigung der
Schlammpumpen verursacht wird.
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Es wäre daher vorteilhaft, das Bohrgestänge an einer
bestimmten Stelle verankern zu können, um axiale Bewegung des
Werkzeugs im Bohrloch zu verhindern.
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Axiale Bewegung, die durch Bohrlochdruckveränderungen
verursacht wird, wird besgnders bei Arbeitsgestängen mit kleinem
Durchmesser und Schlangenrohren spürbar. Im allgemeinen werden
die Auswirkungen um so größer, je kleiner der Durchmesser des
Gestänges ist. Es ist also klar, daß es, um zu gewährleisten,
daß ein Schneidwerkzeug gut und genau schneidet, erforderlich
ist, das Werkzeug gegen axiale Bewegung zu sichern.
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Bohrgestängeverankerungen gemäß dem Oberbegriffsabschnitt des
Hauptanspruchs sind aus US-A-2 546 950, US-A-2 792 063 und EP-
A-477 452 bekannt. Bei derartigen Bohrgestängeverankerungen
ist die gesamte Querschnittsfläche jedes Kolbens permanent dem
Fluiddruck in der Durchgangsbohrung ausgesetzt. Wenn der
Fluiddruck in der Durchgangsbohrung auf einen Wert ansteigt,
der ausreicht, um die Kolben gegen die Kraft der jeweiligen
Rückstellfedern zu verschieben, werden die
Verankerungselemente in Eingriff mit der umgebenden Bohrlochverrohrung bewegt.
Bei Drücken jedoch, die denen entsprechen, die erforderlich
sind, um die Verankerungselemente in Eingriff mit der
Bohrlochverrohrung zu drücken, oder die knapp darüber liegen, ist
das Werkzeug nicht in der Lage, erheblichen
Längsverschiebungskräften zu widerstehen, da die Kraft, mit der die
Verankerungselemente mit der Bohrlochverrohrung in Kontakt kommen,
klein ist.
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Die Verankerung der vorliegenden Erfindung ist entwickelt
worden, um einen Versuch zu unternehmen, jegliche axiale Bewegung
eines Bohrgestänges an der Stelle der Verankerung zu
verhindem, wenn sich der Fluiddruck in dem Bohrgestänge bzw. -ring
ändert. Die Verankerung kann mit jedem anderen Werkzeug
eingesetzt werden, das eine Fixierung in einer bestimmten Tiefe
innerhalb einer Rohrleitung oder Verrohrung eines Bohrlochs
erforderlich macht.
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Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß bei
einer Bohrgestängeverankerung zum Einsatz in einem Bohrloch
die Verankerung umfaßt: einen Körper, eine Durchgangsbohrung
sowie eine Vielzahl von Verankerungsbaugruppen, wobei jede
Baugruppe ein Verankerungselement, einen Kolben, der in dem
Körper gelagert ist, sowie eine Spanneinrichtung umfaßt, wobei
der Kolben in Reaktion auf Fluiddruck in der Durchgangsbohrung
zwischen einer ersten, eingezogenen Stellung und einer
zweiten, ausgefahrenen Stellung, in der die gesamte
Querschnittsfläche des Kolbens dem Fluiddruck in der Durchgangsbohrung
ausgesetzt ist und der Kolben das Verankerungselement in
Kontakt mit der Wand des Bohrlochs drückt, radial bewegt werden
kann und die Spanneinrichtung eine Kraft erzeugt, die den
Kolben in die erste, eingezogene Stellung spannt, dadurch
gekennzeichnet, daß in der ersten, eingezogenen Stellung die Kolben
jeweils abdichtend an einer
Arbeitsflächen-Begrenzungsvorrichtung
anliegen, die die Arbeitsfläche jedes Kolbens, die dem
Fluiddruck in der Durchgangsbohrung ausgesetzt ist, auf eine
Fläche verringert, die kleiner ist als die gesamte
Querschnittsfläche des Kolbens, so daß die Wirkfläche jedes
Kolbens, die dem Fluiddruck in der Durchgangsbohrung ausgesetzt
ist, wenn sich der Kolben in der ersten, eingezogenen Stellung
befindet, kleiner ist als die Wirkfläche des Kolbens, die dem
Fluiddruck in der Durchgangsbohrung ausgesetzt ist, wenn der
Kolben aus der ersten, eingezogenen Stellung verschoben ist.
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Bei diesem Aufbau reicht ein Fluiddruck, der über die
begrenzte Fläche wirkt, die ausreicht, um die Kolben aus den ersten,
eingezogenen Stellungen zu bewegen, wenn er auf die gesamte
Fläche der Kolben wirkt, aus, um zu gewährleisten, daß die
Verankerungselemente sofort mit einer erheblichen Kraft mit
der Bohrlochverrohrung in Kontakt kommen, so daß bei Drücken,
die dem Druck entsprechen, bei dem die Kolben aus der ersten,
eingezogenen Stellung bewegt werden, oder leicht darüber
liegen, die Verankerung erheblicher axialer Belastung widerstehen
kann.
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Vorzugsweise ist die Innenstirnseite des Kolbens dem
Fluiddruck in der Durchgangsbohrung ausgesetzt, und die
Außenstirnseite des Kolbens ist verzahnt und bildet so das
Verankerungselement. Die Spannkraft kann durch jede geeignete Einrichtung
erzeugt werden, so beispielsweise durch eine Spiralfeder oder
Belville-Scheiben (belville washers), und bei der speziell
bevorzugten Ausführung wird sie durch eine Blattfeder erzeugt.
Die Blattfeder kann an dem Körper an einem Ende befestigt
sein, wobei das andere Ende der Blattfeder mit dem Kolben in
Kontakt kommt.
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Vorzugsweise umfaßt jede Verankerungsbaugruppe zusätzlich eine
Anschlageinrichtung, die das radiale Ausfahren des Kolbens
begrenzt. Jede Verankerungsbaugruppe kann darüber hinaus einen
Ablaßkanal zwischen der Innen- und der Außenstirnseite des
Kolbens umfassen, und ein Rückschlagventil kann an dem
Ablaßkanal angebracht sein.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführung der vorliegenden
Erfindung hat die Verankerung zwei axial getrennte Gruppen von
Verankerungsbaugruppen, wobei jede Gruppe drei winkelig gleich
beabstandete Verankerungsbaugruppen umfaßt, wobei die beiden
Gruppen am Umfang um 60º zueinander versetzt sind.
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Die vorliegende Erfindung wird im folgenden ausführlicher
unter Bezugnahme auf die beigefügten zeichnungen beschrieben,
wobei:
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Fig. 1 ein Viertelquerschnitt einer Verankerung der
vorliegenden Erfindung ist, der Einzelheiten einer
Ausführung der Verankerungsbaugruppe zeigt;
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Fig. 2 eine schematische Längsansicht einer bevorzugten
Ausführung der Verankerung ist; und
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Fig. 3 ein Viertelquerschnitt einer Verankerung ist, der
Einzelheiten einer alternativen Ausführung einer
Verankerungsbaugruppe zeigt.
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Wie zunächst in Fig. 1 zu sehen ist, hat eine Verankerung 1
einen Körper 11, eine Mitteldurchgangsbohrung 12 sowie eine
Vielzahl von Verankerungsbaugruppen 13. In Fig. 1 ist
lediglich eine derartige Verankerungsbaugruppe 13 dargestellt. Jede
Verankerungsbaugruppe umfaßt einen Kolben 2, der sich in einer
Kammer 16 bewegt, eine Rückstellfeder 3 sowie einen Anschlag
4. Ein Kanal 5 ermöglicht Verbindung zwischen der
Durchgangsbohrung 12 und der Innenstirnseite 14 des Kolbens. Ein
Sitzelement 6 ist an der Innenstirnseite des Kolbens vorhanden.
Eine Buchse 15 kann als Auskleidung für Kanal 5 vorhanden sein,
und Sitzelement 6 liegt dichtend an der Buchse 15 an, wenn
sich der Kolben 2 in der eingezogenen Stellung befindet.
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In Fig. 1 ist die Rückstellfeder 3 als Blattfeder dargestellt,
deren eines Ende an dem Körper 11 mit jedem beliebigen
geeigneten Mittel, wie beispielsweise Schrauben 9, befestigt ist.
Das andere Ende der Blattfeder liegt an der Vorderfläche 17
des Kolbens 2 an und drückt den Kolben in die eingezogene
Position. Die Stirnfläche 17 ist vorzugsweise konvex gekrümmt,
um Reibung und Verschleiß zwischen dem Kolben und der
Blattfeder zu verringern.
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Ein äußerer Abschnitt 20 erstreckt sich von dem Kolben 2 aus
und weist eine verzahnte bzw. gezackte Außenfläche 21 auf, die
ein Verankerungselement bildet. Ein Austritts- bzw.
Ablaufkanal 8 erstreckt sich von der Innenstirnseite 14 des Kolbens
zur Außenstirnseite 21. Der Kolben ist in der Kammer 16
mittels einer Dichtungsbaugruppe 7, wie beispielsweise einer O-
Ring-Dichtung, abgedichtet.
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Der Anschlag 4 weist einen nach innen gerichteten Vorsprung 18
auf, der mit einem Absatz 19 an dem Kolben 2 in Eingriff
kommt, wenn sich der Kolben in der ausgefahrenen Stellung
befindet, um weiteres Ausfahren des Kolbens zu verhindern.
Anschlag 4 ist an dem Körper der Verankerung mit jedem
beliebigen geeigneten Mittel, wie beispielsweise Schraube 10,
befestigt.
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In Funktion wirkt, wenn Druck in der Durchgangsbohrung steigt,
der Innendruck auf den Sitz 6 von Kolben 2 über Kanal 5. Der
Druck wirkt so gegen die Spannkraft der Feder 3. Der Kanal 5
kann eine veränderliche Größe haben, die durch die Größe der
Öffnung in Buchse 15 bestimmt wird. Die Größe von Kanal 5 wird
so ausgewählt, daß die Spannkraft der Feder 3 bei einem
bestimmten ausgewählten Druck überwunden wird. Der Kolben 2
bewegt sich dann in Kammer 16 radial nach außen, bis die äußere
verzahnte Fläche 21 mit der Innenwand der Bohrlochverrohrung
oder dergleichen (nicht dargestellt) in Kontakt und in
Eingriff kommt. Wenn sich der Kolben 2 von Buchse 15 löst, wird
die gesamte Fläche der Innenstirnseite 14 des Kolbens dem
Innendruck in der Durchgangsbohrung 12 ausgesetzt, so daß die
durch die verzahnte Fläche 21 auf die Innenwand des Bohrlochs
wirkende Kraft zunimmt.
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Die nach außen gerichtete radiale Bewegung bzw. der Hub von
Kolben 2 wird durch Kontakt des Absatzes 19 mit Vorsprung 18
an Anschlag 4 begrenzt.
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Wenn Druck in der Durchgangsbohrung 12 abfällt, führt die
Feder 3 den Kolben in seine eingezogene Stellung zurück, in der
er an Buchse 15 anliegt, indem jegliches Fluid in der Kammer
16 über den Ablaßkanal 8 zur Außenstirnseite 21 des Kolbens
hinter den Kolben verschoben wird.
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Wenn der Kolben nicht vollständig in die eingezogene Stellung
zurückkehrt, wenn Fluiddruck in der Bohrung 12 abnimmt, würde
Bewegung des Werkzeugs nach oben bewirken, daß die Feder den
Kolben ausreichend zurückhebelt, um das Bohrgestänge aus dem
Bohrloch herausziehen zu können.
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Durch Veränderung der Größe von Kanal 5 ist es möglich, den
Öffnungsdruck des Werkzeugs zu regulieren, wobei der Druck von
der Beziehung zwischen Federkraft und der Primärkolbenfläche
abhängt, d.h. der Fläche des Sitzes, die zunächst dem Druck in
Bohrung 12 ausgesetzt ist, wenn der Kolben vollständig
eingezogen ist. Die Sekundärkolbenfläche, d.h. die Fläche der
Innenstirnseite 14 ermöglicht es dem Druck, die nach außen
gerichtete Kraft zu entwickeln, die ausreicht, um das
Bohrgestänge mittels der Zahnstrukturen an der Außenstirnseite 21
gegen axiale Bewegung zu sichern.
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In Funktion läuft das unter Druck stehende Fluid in der
Bohrung 12, wenn der Kolben von seinem Sitz an Buchse 15
weggehalten wird, über Kanal 8 ab, jedoch ist dieser Kanal so
bemessen bzw. verengt, daß der Fluidstrom und der dadurch
entstehende Verlust an Fluid auf ein Minimum verringert werden.
Ein Miniatur-Rückschlagventil (nicht dargestellt) könnte, wenn
gewünscht, angebracht werden, um den Verlust von Fluid über
Kanal 8 dadurch zu beschränken, daß sich das Rückschlagventil,
wenn es unter Überdruck von internem Fluid steht, schließt,
und sich das Ventil bei niedrigerem Druck öffnet, wenn die
Feder den Kolben in seine eingezogene Stellung zurückführt, so
daß Fluid über Kanal 8 aus Kammer 16 austreten kann.
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Eine Verankerung gemäß der vorliegenden Erfindung ist mit
einer Vielzahl von Verankerungsbaugruppen versehen. Die in Fig.
2 dargestellte bevorzugte Ausführung umfaßt eine erste Gruppe
22 von Verankerungsbaugruppen, die axial von einer zweiten
Gruppe 23 von Verankerungsbaugruppen an dem Verankerungskörper
11 beabstandet sind. Jede Gruppe von Verankerungsbaugruppen
22, 23 umfaßt drei Verankerungsbaugruppen 13, die in
Umfangsrichtung um 120º voneinander beabstandet sind. Die erste
Gruppe 22 ist in Umfangsrichtung um 60º von der zweiten Gruppe 23
beabstandet.
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Die Verankerung kann, wie in Fig. 2 dargestellt, als
Unterbaugruppe (sub) zur Anbringung an einem Bohrgestänge ausgebildet
sein, wobei der Verankerungskörper 11 einen Haltebolzen oder
ein API-Mutterngewinde 24 auf beiden Seiten aufweist, das
Bohrgestänge in Verrohrung 25 eingeführt ist und gegen axiale
Verschiebung in Längsrichtung in bezug auf die Verrohrung
verankert wird.
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Fig. 3 zeigt eine Fig. 1 ähnelnde Ansicht, wobei gleiche
Bezugszeichen für gleiche Teile verwendet werden. Bei der
Verankerung 1 in Fig. 3 ist die Blattfeder gegen eine Spiralfeder
26 ausgetauscht worden. Belville-Scheiben könnten anstelle der
Spiralfeder 26 eingesetzt werden. Die Spiralfeder wird mittels
einer Aussparung 27 in dem Kolben 2 gehalten, sowie mittels
eines Führungszapfens 28 an einer Platte 29, die an dem
Verankerungskörper befestigt ist und die Breite bzw. Länge des
Kolbens überspannt. Die Spiralfeder wird zusammengedrückt, wenn
der Kolben unter Fluiddruck in der Bohrung 12 ausgefahren
wird, und wenn der Fluiddruck fällt, führt die Spiralfeder den
Kolben in die eingezogene Stellung zurück.
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Die Platte 29 dient auch als Anschlagelement, das Ausfahren
des Kolbens 2 über die maximale gewünschte Ausfahrstellung
hinaus verhindert.
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Die Verankerung der vorliegenden Erfindung dient insbesondere
dem Einsatz mit Arbeitsgestängen mit kleinem Durchmesser und
in kleinen Verrohrungsgrößen, ihr Einsatz soll jedoch nicht
auf derartige kleinkalibrige Bohrgestänge beschränkt sein.
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Da die Verankerung der vorliegenden Erfindung das Bohrgestänge
hält und es gegen Bewegung in dem Bohrloch verankert, sollte
das Bohrgestänge mit einem Abwärtsbohrlochmotor (downhole
motor) unter der Verankerung betrieben werden, um das
Schneidwerkzeug zu drehen.
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Obwohl die Verankerung in der Ausführung als separate
Unterbaugruppe beschrieben ist, liegt auf der Hand, daß die
Verankerung als Teil eines Werkzeugs, beispielsweise eines
Schneidwerkzeugs, vorhanden sein kann.
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Obwohl bei der bevorzugten Ausführung die Verankerungselemente
durch die radial außen liegenden Enden der Kolben gebildet
werden, liegt auf der Hand, daß separate Verankerungselemente
in direktem oder indirektem Kontakt mit den Kolben eingesetzt
werden können, wenn dies gewünscht wird.