DD207237A5

DD207237A5 - Bohrlochwerkzeug

Info

Publication number: DD207237A5
Application number: DD83247726A
Authority: DD
Inventors: Chuan Ch Teng
Original assignee: Dailey Oil Tools Inc
Priority date: 1982-02-05
Filing date: 1983-02-04
Publication date: 1984-02-22
Also published as: EP0086101B1; EP0086101A2; CA1185963A; EP0086101A3; NO830378L; JPS58146692A; DE3371664D1; MX156726A; US4443206A; BR8300792A

Abstract

In einem Bohrgestaenge angeordnetes Bohrlochwerkzeug, mit dem sich die Bodenberuehrung sicherstellen laesst, das aber auch vom drehenden Bohrmeissel ausgehende winklige und axiale Stosskraefte aufnimmt. Das Werkzeug hat einen langgestreckten Koerper mit Rohrverbindungen an den Enden und enthaelt einen in einem Tubus dreh-und axialverschiebbar gelagerten rohrfoermigen Dorn. Eine (vorzugsweise wendelfoermige) Nut-Rollen-Verbindung fuehrt den Dorn beim Bohren aus dem Tubus hinaus. Elastische Stossdaempferelemente zwischen Metall-Fuehrungsringen sind zwischen Anschlagelementen auf dem Dorn und dem Tubus eingesetzt. Stosskraefte werden anfaenglich durch die Dreh-und Verschiebebewegung des Dorns im Tubus, darueber hinausgehende Kraefte von den elastischen Elementen unter der Wirkung von Anschlaegen bei der weiteren Ein/Auswaertsbewegung des im Tubus drehenden Dorns aufgenommen. Neuartige Uebergangsringe aus graphitgefuelltem PTFE sorgen fuer eine federnde Uebertragung der von den Metall-Fuehrungsringen ausgehenden Stoesse auf die elastischen Elemente.

Description

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Bohrlochwerkzeug

' Anwendungsgebiet der Erfindung Die vorliegende Erfindung betrifft Bohrlochwerkzeuge zum Einbringen von Bohrlöchern und insbesondere eine Bodenkontakt- und Stoßdämpfer-Vorrichtung für Bohrmeißel.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Beim Bohren eines Bohrlochs dient ein Bohrmeißel zum Durchbohren der Formationen. Dabei ist der Bohrmeißel an einem Bohrgestänge angebracht, das sehr lang& sein kann - beispielsweise 8000 m (25ooo ft.). Obgleich der Meißel verhältnismäßig langsam dreht, kann er das Bohrgestänge mit sehr hohen Stoßkräften sowohl winklig als auch axial belasten; diese Stoßkräfte können sowohl das Gestänge als auch den Meißel erheblich beschädigen. Weiterhin verhindern diese Stoßkräfte, daß der Meißel durchweg auf dem Boden des Bohrlochs aufsitzt; die Wirksamkeit des Bohrvorgangs selbst kann bereits bei geringem axialen Abheben (beispielsweise ca. 1cm (1/2 in.)) des Bohrmeißels von der durchbohrten Formation er-

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heblich leiden. Auch winklige Stöße ergeben starke Schwankungen des auf den Meißel aufgebrachten Drehmoments, so daß fieser die Formation ungleichmäßig durchdringt. Es sollte daher verhindert werden, daß der Meißel Winkel- oder Axialstoßkräfte auf das Bohrgestänge überträgt oder diese Kräfte den Bodenkontakt des Meißels beeinträchtigen.

Man hat zahlreiche Bohrlochwerkzeuge vorgeschlagen, die entweder als Bodenkontakthalter oder als Stoßdämpfer arbeiten; man hat auch Werkzeuge vorgeschlagen, die diese beiden Funktionen vereinigen. Im allgemeinen verwenden diese Kombinationswerkzeuge eine Wendelverbindung im Bohrlochwerkzeug und einen Fluid-Stoßdämpfer oder ein hydraulisches Polster. Daher sind diese Kombinationswerkzeuge im Aufbau und der Funktion sehr komplex, so daß ihre nutzbare Lebensdauer sehr kurz ist, die Wartung und Reparaturen im Feld sich schwierig gestalten und man andere unerwünschte Folgen hinnehmen muß.

Ziel der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft ein Bohrlochwerkzeug, das die Bodenkontakthaltung und die -Stoßdämpferfunktion vereinigt, aber mit einem verhältnismäßig einfachen und verhältnismäßig einfachen zusammensetz- und reparierbarem Aufbau auskommt und eine lange Nutzungsdauer aufweist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft ein Bohrlochwerkzeug zur Bodenkontakthaltung und zur Aufnahme winklig und axial gerichteter Stoßkräfte eines drehenden Bohrmeißels am Ende eines Bohrgestänges. Das Werkzeug hat einen langgestreckten

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Körper mit Anschlüssen zur Verschraubung mit einem Bohrloch-Rohrstrang. Ein hohler Dorn ist dreh- und verschiebbar in einem Tubus angeordnet. Eine gegen die Bohrlochflüssigkeit abgeschlossene Ringkammer ist zwischen dem Dorn und dem Tubus gebildet. Elastische Stoßdämpferelemente zwischen Metall-Führungsringen sind in der Kammer zwischen Anschlägen angeordnet. Der Dorn trägt eine Vielzahl von Nuten (vorzugsweise linksdrehende Wendelnuten), in denen auf dem Tubus gelagerte Rollen laufen, so daß die teleskopartige Bewegung des Dorns im Tubus winkelgesteuert verläuft. Übergangsringe ("crossover rings") fangen die elastischen Elemente gegen Dreh- und Axialstöße der Metall-Führungsringe ab. Die Anschläge begrenzen gemeinsam mit den elastischen Elementen die ein- und auswärts gerichtete Verschiebungsbewegung des Dorns im Tubus.

Die über dem Körper auftretenden Stoßkräfte werden anfänglich von der Ein- und Auswärts-Teleskopbewegung des Dorns im Tubus und auch durch die Wirkung der Rollen in den linksgängigen Wendelnuten aufgenommen. Überhohe Stoßkräfte werden von den Anschlägen aufgenommen, die bei einer weiteren Einbzw. Auswärtsbewegung des Dorns im Tubus auf die elastischen Elemente wirken.

Äusführungsbeiapiele Fig. 1 ist ein teilweise vertikalgeschnittener

Aufriß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bohrlochwerkzeugs im : geschlossenen Zustand;

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Fig. 2 ist ein teilweise längsgeschnittener Aufriß des Bohrlochwerkzeuges in der Offenstellung;

Fig. 3 ist eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung, zeigt aber das offene Bohrlochwerkzeug mit abgenutzten elastischen Stoßdämpferelementen;

Fig. 4 ist ein Schnitt auf der Ebene 4-4 des in Fig. 3 gezeigten Bohrlochwerkzeugs;

Fig. 5 ist ein vergrößerter Schnitt durch die Rollen der Fig. 4 auf der Ebene 5-5;

Fig. 6A ist ein vergrößerter Teilaufriß des Dorns mit den linksgängigen Wendelnuten, wie s\e in dem erfindungsgemäßen Bohrlochwerkzeug Einsatz finden;

Fig. 6B ist ein vergrößerter Teilaufriß des Dorns mit gradlinigen Nuten, wie er in dem erfindungsgemäßen Bohrlochwerkzeug eingesetzt wird; und

Fig. 7 und 8 zeigen die aoschließenden Metall-auf-Metall-Anschläge im vollständig geöffneten und vollständig geschlossenen Bohrlochwerkzeug .

In der Zeichnung sind gleiche Teile in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, um die Beschreibung des Bohrlochwerkzeugs nach der vorliegenden Erfindung zu vereinfachen.

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Die Zeichnung zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des Bohrlochwerkzeugs 11 nach der vorliegenden Erfindung. Das Bohrlochwerkzeug 11 ist gewöhnlich in ein Bohrgestänge vorzugsweise an den Bohrstangen und über dem Bohrmeißel angeordnet. Das Werkzeug ist dabei so nahe wie sinnvoll möglich am Meißel angeordnet, um die beim Bohren auftretenden Stoßkräfte aufzunehmen und zu gewährleisten, daß der Meißel in Berührung mit dem Boden der gerade durchbohrten Formation bleibt. Wie in der Fig. 1 zu sehen, weist das Bohrlochwerkzeug 11 einen Körper 12 auf, der mit Gewindeverbindungen wie beispielsweise mit den Muffengewinden 13, 14 in ein Bohrloch-Gestänge eingefügt ist. üblicherweise nimmt das Gewinde 13 den Bohrmeißel auf, während das Gewinde 14 an das darüberliegende Bohrgestänge angeschraubt wird; die Gewindemuffen 13, 14 können jedoch auch als Steckverbindungsteile mit Außengewinde ausgeführt sein. Der Körper 12 hat einen axial zwischen seinen Enden verlaufenden Durchflußkanal 16, der die Bohrtrübe und dergleichen aufnimmt.

Insbesondere besteht der Körper, 12 aus einem rohrförmigen Dorn 17, der in einem außenliegenden Tubus 18 dreh- und axialverschiebbar angeordnet ist. Zu diesem Zweck ist der Dorn 17 in seinem unteren Teil 19 mit einer zylindrischen Lagerfläche versehen, auf der ein Linearrollenlager 21 angeordnet ist, das sich in einer Ausnehmung 22 im unteren Teil 23 des Tubus 18 befindet. Das Lager 21 ist in der Arbeitslage in der Ausnehmung 22 mit einer Haltemutter 24 festgelegt. Vorzugsweise verwendet man Linearlager 21 für

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die Dreh- und Verschiebeverbindung im unteren Teil des Bohrlochwerkzeugs 11. Die Dreh- und Verschiebeverbindung im oberen Teil des Bohrlochwerkzeugs läßt sich mit einer zylindrischen Lagerfläche 26 auf dem oberen Teil 27 des Dorns 17 bewerkstelligen. Zusätzlich kann der obere Teil 27 eine Vielzahl von Fluiddichtungen 28 tragen, die den Dorn gegen den Tubus lecksicher abschließen, aber eine relative Dreh- und Verschiebebewegung zulassen. Der obere Teil 27 ist auf den Mittelteil 29 des Dorns 17 aufgeschraubt. Entsprechend kann der obere Teil 31 des Tubus 18 auf den Mittelabschnitt 32 des Tubus 18 aufgeschraubt sein.

Das untere Ende des Körpers 12 trägt eine schwimmende Dichtung .33, die gleitend verschiebbar in einer Ringkammer sitzt, die von den zylindrischen Wandflächen 34, 36 zwischen Dorn und Tubus eingeschlossen ist. Insbesondere wird die Dichtung 33 von einer ringförmigen Metallhülse 35 gebildet, die eine Vielzahl von Innen- und Außennuten enthält. Dichtringe 37, 38 in den Nuten bieten eine dynamische Abdichtung zwischen der Dichthülse 35 und den angrenzenden Oberflächen 34, 36 des Dorns und des Tubus. Der Ringraum zwischen der Dichtung 33 wird über eine untere Öffnung 39 im unteren Teil 23 des Tubus 18 mit den Bohrlochfluiden beaufschlagt. Der untere Teil 23 ist mit dem Mittelteil des Tubus und der untere Teil 19 mit dem äußeren Teil 29 des Dorns verschraubt. Das Werkzeug 11 läßt sich also auf sehr einfache Weise zusammensetzen.

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Die Dichtungen 28 auf dem oberen Teil 27 des Doms 17 und die schwimmende Dichtung 33 bilden eine Ringkammer 41, die gegen die das Werkzeug 11 umgebenden Bohrlochfluide abgeschlossen ist. Vorzugsweise ist die Kammer 41 mit einem öl gefüllt. Die schwimmende Dichtung 33 hält das öl in der Kammer 41 im wesentlichen auf dem hydrostatischen Druck des das Werkzeug 11 umgebenden Bohrlochfluids. Die oberen und unteren Dichtungen auf dem Körper 12 arbeiten also im wesentlichen ohne Druckdifferenz, so daß sie hinsichtlich der Dreh- und Verschiebebewegung zwischen dem Dorn 17 und dem Tubus 18 eine lange Lebensdauer aufweisen. Die Kammer 41 kann mit öl durch eine Stopfenöffnüng 42 gefüllt werden, die sich im Mittelteil 32 des Tubus 18 be-^ findet. Mit dieser Anordnung der Dichtungen und Drehlager kann der Dorn 17 relativ zum Tubus 18 sowohl Dreh- als auch teleskopartige Axialbewegungen ausführen, während die Kammer 41 ein im wesentlichen konstantes Volumen und im wesentlichen auch den hydrostatischen Druck des Bohrlochfluids beibehält, das das Bohrlochwerkzeug 11 umgibt.

Der Körper 12 des Bohrlochwerkzeugs trägt eine Mechanik, die den Bohrmeißel im wesentlichen in Berührung mit dem Boden der beim Bohren zu durchdringenden Formation hält. Zu diesem Zweck trägt der Mittelteil 29 des Dorns 17 eine Vielzahl von linksgängigen Wendelnuten, die in seiner Außenfläche über eine gewisse Längsausdehnung verlaufen. Der Bereich dieser Wendelnuten ist mit dem Bezugszeichen bezeichnet. Insbesondere die Fig. 6A zeigt denjenigen Teil

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des Doms 17, der diese Wendelnuten enthält. Eine erste Wendelnut 47 verläuft über im wesentlichen die gesamte Länge des Bereichs 46, und ein Teil einer zweiten Wendelnut 48 ist sichtbar. Vorzugsweise ist eine ungerade Anzahl solcher Nuten vorgesehen. Beispielsweise kann der Dorn 17, wie in Fig. 4 gezeigt, die Wendelnuten 47, 38, 49 enthalten, die vorzugsweise eine tangentiale ebene Bodenfläche sowie Seitenwände aufweisen, die parallel zum Durchmesser des Doms verlaufen, der sich mittig durch die Bodenfläche der Nute erstreckt. Die Wendelnut 4 7 ist mit einer ebenen Bodenfläche und den Seitenwänden 51, 52 dargestellt, die parallel zu dem durch die Mitte des Dorns 17 und der Nut erstreckenden Durchmesser verlaufen.

Es ist einzusehen, daß der Bohrmeißel beim Durchdringen unterirdischer Formationen in Rechts- oder Gegenuhrzeigerrichtung gedreht wird (abwärts durch die Bohrung gesehen). Bezüglich dieser Meißeldrehrichtung sind die Wendelnuten in ihrer Anordnung auf dem Dorn linksgängig. Die Ganghöhe bzw. Steigung dieser Wendelnuten ist für ein zufriedenstellendes Arbeiten des erfindungsgemäßen Bohrlochwerkzeugs 11 verhältnismäßig kritisch. Insbesondere ist die Steigung so vorgesehen, daß der Meißel stark genug auf den Boden der Bohrung gedrückt wird, daß seine Bohrwirkung erhalten bleibt, ohne daß jedoch das auf dem Meißel lastende Gewicht unerwünscht ansteigt, so daß eine einwandfreie Durchdringung der Formation gewährleistet ist, durch die die Bohrung geführt werden soll. Gute Ergebnisse sind erreicht

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worden mit Wendelnuten mit einer Steigung von 15° auf dem Dorn 17. Mit anderen Worten: Die Wendelnuten haben eine Steigung von etwa einer Windung auf 1500 nun (60 in.) Dornlänge. Es ist jedoch einzusehen, daß die Längsausdehnung der Wendelnuten entlang des Dorns nur gering ist und beispielsweise nur etwa 250 mm (10 in.) beträgt.

Wie in Fig. 1, 4 und 5 gezeigt, trägt der Tubus 18 im Mittelteil 32 in abgesetzten öffnungen eine Vielzahl von Rollen, die einwärts vorstehen und antrieblich in die Wendelnuten eingreifen. Folglich dreht der Dorn 17 innerhalb des Tubus 18 während der teleskopartigen Verschiebebewegung zwischen diesen Elementen. Vorzugsweise sind mehrere Rollen in jeder der Nuten angeordnet - beispielsweise die Rollen 53, 54 , 56, 57, 58 in der Wendelnut 47. Sämtliche Rollen sind im Tubus 18 identisch gelagert. Es braucht also nur die Rolle 54 beschrieben zu werden. Wie die Fig. 4 zeigt, ist die Rolle 54 von einer abgesetzten öffnung 61 aufgenommen, die im Mittelteil 32 des Tubus ausgebildet ist. Die Rolle 54 hat einen Körper 62, der in der öffnung 61 auf zweckmäßige Weise festgelegt ist - beispielsweise mit einer kleinen Schweißraupe an der Umfangskante in der öffnung 61. Radial einwärts vom Körper 6 2 befindet sich eine Laufrolle 63, die auf dem Lagerzapfen 64 des Körpers 62 läuft, wie deutlicher in Fig. 5 zu ersehen. Es ist einzusehen, daß die Rollen 53 bis 58 an einer der Seitenflächen 51 oder 52 der Nut 47 anliegen. Während normaler Bohrungen laufen die Rollen infolge der Rechts-

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drehung des Bohrgestänges auf der vorderen Flache 52. Folglich wird der Dorn 17 durch die linksgängigen Nuten im Tubus 18 abwärts gedrückt, so daß der Bohrmeißel die Bodenberührung im Bohrloch beibehält. Vorzugsweise ist eine gleiche Anzahl von Rollen im Tubus 18 in jeder der Nuten 47, 48, 49 vorgesehen. Die Anzahl, Anordnung und Symmetrie der Rollen im Eingriff mit den verschiedenen W:endelnuten im Dorn 17 ist also gleichmäßig und symmetrisch und zwischen Tubus und Dorn wird während des Bohrens eine gleichmäßige Antriebskraft übertragen.

Es ist einzusehen, daß die Bewegung des Bohrgestänges bzw. des Bohrmeißels relativ zum Boden des Bohrlochs eine Ein- oder Auswärts-Längsverschiebung des Dorns 17 im Tubus 18 bewirkt. Diese Bewegung des Dorns ist eine Kombination von sowohl Dreh- als auch Axialkomponenten. Die Rollen laufen also abhängig von der Relativbewegung zwischen Dorn und Tubus in den Wendelnuten auf und ab. Es ist jedoch einzusehen, daß wegen der Linksgängigkeit der Wendelnuten die Kraft des drehenden Bohrgestänges den Dorn 17 immer aus dem Tubus 18 hinausdrängt und den Meißel in Berührung mit dem Boden des Bohrlochs hält.

Die beschriebene Anordnung der Wendelnuten und Rollen ermöglicht eine relative Dreh- und Axialbewegung zwischen Dorn und Tubus. Es ist einzusehen, daß die vom Bohrmeißel (oder von anderen Teilen des Bohrlochgestänges) ausgehenden Stoßkräfte mindestens teilweise vom Dorn aufgenommen werden,

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der im Tubus ein- oder auswärts läuft und sich infolge der Wirkung der in den Wendelnuten laufenden Rollen dreht. Beispielsweise stößt eine vom Meißel auf den Dorn ausgeübte auf- oder rückwärts gerichtete Stoßkraft den Dorn im Tubus aufwärts. Die Rollen laufen also auf der Rückseitenfläche der Nuten, so daß ihrer Aufwärts-Linksbewegung die Drehkraft entgegenwirkt, die von der Rechtsdrehung des Tubus 18 relativ zum Dorn 17 ausgeübt wird. Folglich wird die Stoßkraft durch die Rückbewegung der Rollen in der Wendelnut aufgenommen, die abwärts und gegen die Vorderseitenfläche jeder Nut erfolgt. Diese Richtungsumkehr der Stoßkräfte wird ebenfalls aufgenommen durch die Umkehrwirkung der Wendelnuten und Rollen. Beispielsweise wird eine Schwingung, die Stoßkräfte in einer umgekehrten Richtung erzeugt, !

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nur das Ansprechverhalten der Rollen in den Wendelnuten umkehren und diese Stoßkräfte werden ebenfalls von der relativen Dreh- und Axialbewegung zwischen Dorn und Tubus im Bohrlochwerkzeug 11 aufgenommen.

Falls erwünscht, kann der Dorn 17 eine Vielzahl von Nuten enthalten, die anders als wendelförmig angeordnet sind. Wie die Fig. 6B zeigt, trägt der Dorn eine Vielzahl von geradlinigen Nuten 50, obgleich nur eine dieser Nuten gezeigt ist. Die Nuten 50 sind in der Anordnung und Funktion im Bohrlochwerkzeug mit denen der Nuten 4 7 bis 49 identisch, verlaufen aber auf dem Dorn 17 geradlinig. Natürlich wird der Dorn 17 mit den geradlinigen Nuten 50 im Vergleich zu den Wendelnuten 47 bis 49 keine so starke Abwärtskraft auf den

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Bohrmeißel ausüben, daß er auf den Boden der Bohrung gedrückt wird. Weiterhin nehmen die geradlinigen Nuten 50 auch keinen so hohen Anteil vom Meißel ausgehender aufwärts gerichteter Stoßkräfte auf, wie die Wendelnuten 47 bis 49. Das Bohrlochwerkzeug mit einem Dorn 17 mit geradlinigen Nuten 50 kann aber trotzdem bei den meisten Bohrungen ebenfalls mit Vorteil eingesetzt werden. Natürlich müssen die Rollen, damit sie in den geradlinigen Nuten laufen können, im Tubus 18 ebenfalls geradlinig verteilt sein. Zusätzlich trägt das Bohrlochwerkzeug 11 einen elastischen Stoßdämpfer 66 zwischen dem Dorn 17 an dem Tubus 18. Der Stoßdämpfer 66 arbeitet bei sowohl ein- als auch auswärts gerichteten Bewegungen des Dorns 17 im Tubus 18 zwischen bestimmten Längsgrenzen. Die Rollen können also in den Wendelnuten eine vorbestimmte Strecke durchlaufen. Die Relativbewegungen des Dorns 17 im Tubus 18 werden jedoch in weniger als dieser Strecke durch die Wirkung des Stoßdämpfers 66 zum Stillstand gebracht. Als Stoßdämpfer 66 kann jede Anordnung eingesetzt werden, die die ein- und auswärts gerichtete Verschiebebewegung des Dorns im Tubus 18 auf kontrollierte Weise ohne den abrupten Metall-auf-Metall-Kontakt begrenzt, den man bei den herkömmlichen Rüttelwerkzeugen ("jar tools") beim Tiefbohren findet.

Insbesondere kann es sich bei dem Stoßdämpfer 66 um eine Gummihülse in einer Kammer zwischen den zylindrischen Seitenwänden 67, 68 der gegenüberliegenden Flächen des Dorns und des Tubus 18 handeln. Vorzugsweise handelt es sich beim

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Stoßdämpfer 66 um eine Vielzahl von elastischen Ringeleraenten 69, die in dieser Kammer gestapelt sind und sie im wesentlichen ausfüllen. An jedem Ende des elastischen Elements 69 befinden sich neuartige Ubergangsringe ("crossover rings") 71, 72, und Metallringe 73, 74 schließen den Stoßdämpfer 66 ab.

Insbesondere sind die elastischen Elemente 69 aus einem geeigneten stoßdämpfenden Werkstoff wie einem Natur- oder Kunstgummi hergestellt. Die künstlichen Silikon-Gummis leisten im erfindungsgemäßen Bohrlochwerkzeug gute Dienste, wo hohe Bohrlochtemperaturen auftreten. Die Elemente 69 können jedoch auch aus dem in den bekannten Stoßdämpferanordnungen der Tiefbohrindustrie eingesetzten Gummimaterial geformt sein. Die Führungsringe 73, 74 sind aus verhältnismäßig hartem Metallwerkstoff, beispielsweise Stahl oder Messing. Diese Metall-Führungsringe dienen dazu, die ubergangsringe und elastischen Elemente 69 ausgerichtet zu halten, während der Dorn 17 im Tubus 18 ein- und auswärtsläuft. Zuweilen können die elastischen 'Elemente 69 und die zugehörigen Übergangs- und Führungsringe sich trennen und dann wieder aufeinander aufliegen, um axiale und winklige Stoßkräfte aufnehmen zu können. Die Führungsringe müssen daher die Ausrichtung der zueinandergehörigen Teile des Stoßdämpfers 66 bei der Ein- und der Auswärtsbewegung des Dorns im Tubus gewährleisten. .

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Der Stoßdämpfer 66 arbeitet bei der Einwärtsbewegung des Doms 17 im Tubus 18 infolge eines Absatzes 76 im Mittelteil 29 des Dorns und eines Absatzes 77 auf dem Ende des Oberteils 31 des Tubus 18. Während also der Dorn 17 im Tubus einwärts läuft, legen die Absätze sich an die Metall-Führungsringe an und drücken die elastischen Elemente 69 zusammen, bis sie die Stoßkräfte absorbieren. Wie erinnerlich, werden Stoßkräfte zunächst von den Rollen und Wendelnuten aufgenommen. Die elastischen Elemente 69 brauchen daher lediglich jenen Kraftüberschuß aufzunehmen, der aus dem von den Rollen und Wendelnuten aufnehmbaren Kraftbereich herausfällt. Da der Dorn relativ zum Tubus 18 sich erheblich dreht und axial verschiebt, sitzen die elastischen Elemente 69 vorzugsweise verhältnismäßig locker zwischen Dorn und Tubus. Beispielsweise kann das Spiel zwischen den elastischen Ringelementen 69 und den Wandungsflächen 67, 68 0,5 mm (20 χ 10~ in.) oder mehr betragen. Während also die axialen und winkligen Stoßkräfte in den elastischen Elementen 69 absorbiert werden, werden bei ihrer Funktion im Bohrlochwerkzeug 11 die Elemente komprimiert und nach außen ausgepreßt.

Weiterhin ist das öl in der Kammer 41 zwischen den verschiedenen Elementen eingefangen, die den Stoßdämpfer 66 ausmachen. Dieses öl bildet ein hydraulisches Kissen während des Infunktionstretens des Stoßdämpfers 66. Es ist einzusehen, daß beim Einsatz des Bohrlochwerkzeugs 11 sehr hohe Kräfte auftreten; die Bestandteile des Stoß-

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dämpfers 66 nutzen sich daher ab. Diese Abnutzung der elastischen Elemente 69 wird durch die neuartigen Übergangsringe 71, 72 erheblich abgeschwächt, die im Stoßdämpfer 66 Einsatz finden. Insbesondere sind die Übergangsringe aus einem bestimmten Werkstoff ausgebildet, dessen Quetschgrenze zwischen der der elastischen Elemente 69 und der der Metall-Führungsringe 72, 73 liegt. Zu diesem Zweck bildet man die Ubergangsringe bevorzugt aus einem Polymerisatwerkstoff vorzugsweise in einer verstärkten Ausführungsform aus - beispielsweise aus graphitgefülltem PTFE. Ein aus diesem Werkstoff hergestellter Ring kann einen Rechteckquerschnitt haben, um als Drehlager zu dienen, und zeigt weiterhin Quetscheigenschaften, die beim Komprimieren des Stoßdämpfers 66 die elastischen Elemente 69 gegen ein Ausreißen oder andere Schäden durch Stöße in Winkel- und Axialr-ichtung aus den Metall-Führungsringen schützen. Zusätzlich dehnen die Übergangsringe sich unter Druck aus, so daß ein fluiddichter Abschluß zwischen der Wandung 67 und 68 entsteht und das im Stoßdämpfer 66 eingefangene öl nicht an den Führungsringen vorbei in den Ringraum 41 entweichen kann. Die elastischen Elemente 69 bilden also einen Stoßdämpfer 66, der infolge der Dichteigenschaften der Übergangsringe 71, 72 eine hydraulische Federung bietet.

Das Bohrlochwerkzeug 11 ist in Fig. 1 in.seinem geschlossenen Zustand gezeigt, in dem der Stoßdämpfer 66 zwischen den Schultern 76, 77 des Doms bzw. Tubus festgelegt ist.

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Die Fig. 2 zeigt das Werkzeug 11 im ausgefahrenen bzw, offenen Zustand, in dem der Stoßdämpfer 66 durch die Berührung mit einer Schulter 78 auf dem oberen Teil 27 des Dorns 17 und die Rolle 58 auf dem Mittelteil 32 des Dorns 18 druckbeaufschlagt werden. Der Stoßdämpfer 66 arbeitet im offenen Zustand der Fig. 2 auf die gleiche Weise wie im in Fig. 1 gezeigten geschlossenen Zustand.

Die Fig. 3 zeigt den offenen Zustand des Werkzeugs im wesentlichen wie in Fig. 2, wobei jedoch die elastischen Elemente 69 in ihrer Axial- und Radialausdehnung infolge häufiger Belastung durch auf dem Werkzeug lastende Stöße abgenutzt sind. Die Stapelabmessung zwischen den Metall-Führungsringen 73, 74 ist also erheblich geringer als die in Fig. 2 gezeigte. Das Werkzeug arbeitet jedoch auf die gleiche Weise, indem die von der Schulter 78 zusammen mit der Rolle 58 ausgeübten Druckkräfte die elastischen Elemente 69 in ihren stoßdämpfenden Zustand komprimieren. Befindet sich das Werkzeug im geschlossenen Zustand, wie in Fig. 3 gezeigt, werden die. elastischen Elemente 69 zunächst durch die Einwärtsverschiebung des Dorns 17 geringfügig getrennt, bis sie durch die Wirkung der Schultern 76, 77 auf Dorn bzw. Tubus kompriniiert werden.

Es ist einzusehen, daß in der vorgehenden Beschreibung die Schultern 76, 77 eine Gruppe mechanischer Zwangsanschläge für die Erregung des Stoßdämpfers 66 darstellen, während die Schulter 78 im Zusammenwirken mit der Rolle

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im Tubus 18 ein- und auswärtsläuft.

Befindet das Bohrlochwerkzeug 11 sich lange genug im Tiefbohreinsatz, ist einzusehen, daß die elastischen Elemente 69 sich in ihren Axial- und Radialabmessungen erheblich abnutzen. Schließlich wird der Stapel dieser Elemente 69 zwischen den Übergangs- und Führungsringen so kurz, daß das Bohrlochwerkzeug 11 seine Stoßdämpfungsfunktion im wesentlichen verliert. Das Werkzeug 11 kann jedoch keinen Schaden nehmen, wenn der Stoßdämpfer 66 nicht mehr arbeitet. Insbesondere entsteht - vergl. Fig. 7 - bei vollständig offenem Werkzeug 11 und vollständig aus dem Tubus 18 ausgefahrenem Dorn 17 ein Metall-auf-Metall-Zwangsanschlag durch einen Absatz 81 auf dem Mittelteil 29 des Dorns 17, wo dieser mit dem unteren Teil 19 verschraubt ist. Der Absatz legt sich an die schwimmende Ringdichtung 35 an, die ihrerseits auf einem Absatz 82 aufsitzt, der an der Verschraubung zwischen dem unteren Teil 23 des Tubus 18 und dem Mittelteil 32 ausgebildet ist. Das vollständige Öffnen des Werkzeugs wird also durch einen Metall-auf-Metall-Anschlag zwangsweise begrenzt, auch wenn der Stoßdämpfer 66 vollständig ausfällt.

Entsprechend zeigt die Fig. 8 einen mechanischen Metall-auf-Metall-Zwangsanschlag für das Werkzeug in dessen vollständig geschlossenem Zustand, wenn der Stoßdämpfer 66 vollständig ausfällt. Zu diesem Zweck trägt der untere Abschnitt 19 des Dorns 17 an der Muffe 13 einen radial vorstehenden Absatz 83, der sich an das Ende 84 auf dem unteren Teil 23 des Dorns

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anlegt. Wird also das Werkzeug in seinen vollständig geschlossenen Zustand gebracht, in dem der Dorn in den Tubus 18 eingefahren ist, behindert die Berührung Metall auf Metall zwischen den Absätzen 83 und der Stirnfläche 84 Schaden am Bohrlochwerkzeug 11. Es ist aus der Fig. 7 und 8 jedoch ersichtlich, daß die Funktion und Stoßdämpfung der Rollen in den Wendelnuten beim Drehen und Verschieben des Dorns im Tubus 18 noch wirksam ist. Selbst wenn also die elastischen Elemente 69 ausfallen, findet im Bohrlochwerkzeug 11 eine gewisse Stoßdämpfung statt, und es läßt sich feststellen, daß das Bohrlochwerkzeug 11 ausfallsicher ist, da es eine gewisse Stoßdämpfung ausübt, auch wenn der Stoßdämpfer 66 infolge extremer Abnutzung oder Beschädigungen wirkungslos wird.

Das Bohrlochwerkzeug 11 wird auf übliche Weise durch Verschrauben der verschiedenen Teile bzw. Abschnitte des Dorns 17 und des Tubus 18 zusammengesetzt. Falls erwünscht, kann man die Kammer 41 vorzugsweise durch die mit einem Stopfen versehene Öffnung 4 2 bei waagerecht gelegtem Bohrlochwerkzeug füllen. Falls erwünscht, kann man die Kammer 41 durch eine verschließbare öffnung 86 am oberen Teil 31 des Dorns 18 entlüften. Auch andere Zusammensetz- und Füllverfahren lassen sich verwenden, falls erwünscht.

Das Bohrlochwerkzeug 11 ist gut geeignet für die doppelte Funktion des Inberührunghaltens des Drehmeißels mit der zu durchbohrenden Formation und des Absorbierens von wink-

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ligen und axialen Stoßkräften, die vom drehenden Bohrmeißel oder anderen Teilen des Bohrgestänges ausgehen, in das das erfindungsgemäße Werkzeug eingesetzt ist. Es ist einzusehen, daß die Wendelnuten und Rollen eine Doppelfunktion ausüben, indem sie Stoßkräfte aufnehmen, während sie gewährleisten, daß der Bohrmeißel in Berührung mit der zu durchbohrenden Formation bleibt. Zusätzlich werden über die von den Wendelnuten und Rollen aufgenommenen hinausgehende Stoßkräfte in einer elastischen Hülse bzw ο einem elastischen Element aufgenommen, das zwischen mechanischen Zwangsanschlägen eingesetzt ist, die auf dem Dorn und dem Tubus des Werkzeugs vorgesehen sind, und das elastische Element ist für sowohl die Ein- als auch die Auswärts-Verschiebebewegung wirksam. Zusätzlich hält diese bidirektionale Funktion des Stoßdämpferelements im erfindungsgemäßen Bohrlochwerkzeug an, bis die elastischen Elemente im wesentlichen verschlissen oder so stark beschädigt sind, daß sie keine Wirkung mehr haben. Auch in diesem Fall kann das erfindungsgemäße Bohrlochwerkzeug infolge der Wirkung seiner Rollen und Wendelnuten noch auf dem Werkzeug lastende Stoßkräfte aufnehmen.

Wie aus der vorgehenden Beschreibung ersichtlich, schafft die vorliegende Erfindung ein neuartiges Bohrlochwerkzeug, mit dem sich die Bodenberührung des Meißels in der Bohrung aufrechterhalten läßt, das aber winklig und axial gerichtete Stoßkräfte eines drehenden Bohrmeißels am Ende des Bohrgestänges beim Einbringen von Tiefbohrungen in die Erde aufnehmen kann.

Claims

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^: : . . Erfindungsaiispruch: ' ι.

1. Bohrlochwerkzeug zum Aufrechterhalten der Bodenberührung und zum Absorbieren von winklig und axial gerichteten Stoßkräften eines an ein Bohrgestänge angesetzten drehenden Bohrmeißels, gekennzeichnet durch (a) einen langgestreckten Körper mit Gewindeverbindungen an seinen Enden zum Einfügen in ein einen Bohrmeißel tragendes Bohrgestänge, wobei der Körper einen axialen Strömungskanal enthält; wobei (b) der Körper aus einem rohrförmigen Dorn besteht, der gleitend verschiebbar in einem Tubus gelagert ist, und ein zwischen dem Dorn und dem Tubus befindlicher Ringraum mit Bohrflüssigkeit beaufschlagt ist; (c) durch im Ringraum zwischen dem Dorn und dem Tubus angeordnete Fluiddichtungen, die einen gegen die Bohrlochflüssigkeit angeschlossenen ringförmigen Bereich bilden; wobei (d) der Dorn und der Tubus an den Enden eingelassener gegenüber-

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liegender Seitenwände Absätze auf v/eisen, die in dem abgeschlossenen ringförmigen Raum eine zylindrische Kammer bilden; durch (e) eine Lageranordnung, die eine teleskopartige Verschiebe- sowie eine Drehbewegung des Doms im Tubus erlaubt; durch (f) eine Vielzahl von auf dem Dorn in Längsausdehnung angeordneten Nuten; durch (g) am Tubus gelagerte Rollen, die antrieblich in Eingriff mit den Nuten stehen, so daß der Dorn im Tubus bei einer Verschiebung in ihm dreht; durch (h) ringförmige elastische stoßdämpfende Elemente, die in der zylindrischen Kammer als Stapel angeordnet sind, durch (i} zylindrische Metall-Führungsringe an jedem Ende des Stapels elastischer Elemente; durch (j) zylindrische Übergangsringe ("crossover rings" ) zwischen den Führungsringen und dem Stapel elastischer Elemente, so daß die Teleskop- bzw. Verschiebebewegung des Doms im Tubus durch die von den Führungs- und den Übergangsringen beaufschlagten elastischen Elemente begrenzt wird und die Übergangsringe mit Übergangsnachgiebigkeit ("transitional yielding") einen fluiddichten Abschluß zwischen dem Dorn und dem Tubus sowie eine Pufferung und Drehlagerung zwischen den Metall-Führungsringen und den Elementen während der axialen Belastung in der Kammer bieten; und (k) durch Anschlagsanordnungen, um die Ein- und Auswärtsbewegung des Dorns im Tubus bei einer Rechtsdrehung des Bohrgestänges zu begrenzen, die eine Auswärtsbewegung des Dorns im Tubus bewirkt, so daß über dem Körper lastende Stoßkräfte anfänglich von der Ein- und Auswärts-Verschiebebewegung

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des Dorns im Tubus entlang der Nuten und übermäßige Stoßkräfte von dem Elementenstapel in der zylindrischen Kammer bei weiterer Ein- und Auswärtsbewegung des Dorns im Tubus aufgenommen werden.
2. Stoßdämpfer nach Punkt 1/ dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Kammer ölgefüllt ist und die Nuten lingsgängig wendelförmig verlaufen.
3. Stoßdämpfer nach Punkt 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluiddichtung eine schwimmende Dichtung zwischen dem Dorn und dem Tubus ist, wobei der hydrostatische Druck in der Bohrung in der zylindrischen Kammer aufrechterhalten wird.
4.^; Stoßdämpfer nach Punkt 1/ dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsbegrenzung durch eine zwangsweise mechanische Anschlagbewegung der Rollen in den Nuten gegen die Elemente erfolgt.
5. Stoßdämpfer nach Punkt 4, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanische Zwangsanschlag einer der der Führungsringe ist.
6. Stoßdämpfer nach Punkt 1/ dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsringe aus graphitgefülltem PTFE-Polyinerisat mit einer Quetschgrenze zwischen der der Metall-Führungsringe und der der Stoßdämpferelemente bestehen.

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7. Stoßdämpfer nach Punkt 1/ dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten im Querschnitt rechteckig mit ebenen Schultern parallel zum die Nuten schneidenden Durchmesser des rohrförmigen Elements ausgeführt sind und daß die Rollen ebene Umfangsflachen aufweisen, die an den ebenen Schultern anliegen:.
8. Stoßdämpfer nach Punkt 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsringe aus Messing und der Dorn und der Tubus aus Stahl aufgebaut sind.
9. Stoßdämpfer nach Punkt 1/ dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlageinrichtung einen zweiten mechanischen Anschlag enthält, um die Bewegung der Rollen in den Nuten während der Einwärtsbewegung des Dorns im Gehäuse zu begrenzen, wenn die elastischen Stoßdämpferelemente stärker als zu einem vorbestimmten Ausmaß abgenutzt sind.
10. Stoßdämpfer nach Punkt 1 » dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlageinrichtung durch,einen ersten mechanischen Zwangsanschlag mit einem der Führungsringe bei der Bewegung der Rollen in den Nuten während der Auswärtsbewegung des Dorns im Gehäuse sowie einen zweiten zwangsweisen mechanischen Zwangsanschlag gegen eine Bewegung der Rollen in den Nuten während der Einwärtsbewegung des Dorns im Gehäuse gebildet ist.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen