DD200907A5

DD200907A5 - Schlageinsatz fuer tiefbohrungen

Info

Publication number: DD200907A5
Application number: DD81234589A
Authority: DD
Inventors: Edward L Briscoe
Original assignee: Dailey Oil Tools Inc
Priority date: 1980-11-03
Filing date: 1981-11-03
Publication date: 1983-06-22
Also published as: WO1982001569A1; IT8149598A0; DE3152495T1; EP0065523A1; NO822161L; JPS57501683A; US4394883A; GB2097452A; CA1167433A; EP0065523A4; NL8120371A

Abstract

Schlageinsatz mit einem langgestreckten Koerper mit einem axialen Durchlass und Gewindeverbindungen zu den Teilen eines Bohrgestaenges. Der Koerper hat einen rohrfoermigen Dorn bzw. ein Innenrohr innerhalb eines Tubus bzw. Aussenrohrs; im Ringraum zwischen den beiden befindet sich im Einsatz Bohrlochfluessigkeit. Dichtungen im Ringraum bilden eine abgeschlossene Kammer, die eine Verriegelung enthaelt, mit der das Innen- und das Aussenrohr wahlweise freigegeben werden koennen, um auf das Bohrgestaenge Schlagimpulse auszuueben. Die Verbesserung dieses Schlageinsatzes besteht in einer Vielzahl langgestreckter elastischer Schwingungsdaempfer, die auf dem Innenrohr befestigt und im Ringraum zwischen Innen- und Aussenrohr in Laengsrichtung ausgerichtet sind. Die daempfungselemente liegen am Aussenrohr entlang dessen gesamten Bewegungshub relativ zum Innenrohr gleitend an. Die Daempfungselemente sind in Umfangsrichtung um das Innenrohr beabstandet angeordnet, wobei die Zwischenraeume im Ringraum Kanaele bilden, durch die die Bohrlochfluessigkeit stroemen kann, wenn das den Schlageinsatz enthaltende Bohrgestaenge in der Tiefbohrung gedreht wird.

Description

Schlageinsatz für Tiefbohrungen

Die vorliegende Erfindung betrifft das Abteufen von Bohrlöchern in die Erde und insbesondere ein Bohrlochwerkzeug bzw. einen Schlageinsatz ("well jar"), der in das Bohrgestänge in einem Bohrloch eingefügt werden kann, um auf den Rohrstrang wahlweise Schlagimpulse auszuüben.

Das Drehbohren zur Herstellung von Tiefbohrungen zwecks Förderung von Erdöl und Erdgas ist seit dem Beginn dieses Jahrhunderts bekannt; die zahlreichen Vorteile dieses Verfahrens haben dazu geführt, daß es sich durchgesetzt hat. Man verwendet hierzu einen Bohrstrang mit einer Bohrkrone einer Bohrstange sowie Stabilisatoren sowie einer Vielzahl von Gestängerohren, die an der Mitnehmerstange des Bohrturms befestigt sind, der sich über dem Bohrloch an

der Erdoberfläche befindet. Bei der Mitnehmerstange handelt es sich um eine im Profil vieleckige Stange aus hochfestem Stahl, die durch den Drehtisch auf dem Turmboden verläuft und mit dem oberen Ende des Rohrgestänges verbunden ist. Der Drehtisch dreht den Rohrstrang über die Mitnehmerstange; auf diese Weise wird das Bohrloch eingebracht. Ein axial durch das Rohrgestänge verlaufender Längskanal erlaubt den Umlauf von Bohrflüssigkeit, die im Rohrgestänge abwärts, durch die Bohrkrone und dann durch den umgebenden Ringraum wieder aufwärts strömt, um das Bohrklein aus der Tiefbohrung an die Erdoberfläche zum schwemmen. Eine Bohrung mit einem Durchmesser von etwa 20,3 cm (8 in.) erfordert die Verwendung einer Bohrkrone von 21,9 cm (8-5/8 in.), mehrere Bohrstangen von 2 0,3 cm (8 in.) sowie Stabilisatoren, die mit dem Mitnehmer über ein geeignetes Bohrrohr verbunden sind, das beispielsweise einen Durchmesser von 11,4 cm (4-1/2 in.) haben kann. Bei einer mittleren Bohrtiefe von 4572 m (15.000 ft.) liegt das Gesamtgewicht des Bohrgestänges (das teilweise von der Bohrflüssigkeit getragen wird) bei etwa 90720 kg (200.OOOlbs.).Die Bohrtrübe strömt durch das Bohrgestänge bei Drücken, die 175 kp/cm² (2500 psi) erreichen können, gewöhnlich aber im Bereich von etwa 105 kp/cm² (1500 psi) liegen bei Bohrungen, bei denen keine wesentlichen Schwierigkeiten - beispielsweise harte

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Formationen - auftreten. Der Drehtisch muß dabei erhebliche Momente aufbringen, um das Bohrgestänge mit den üblichen Geschwindigkeiten zu drehen, die zwischen 35 und 60 U/min liegen können. Obgleich die Bestandteile des Bohrgestänges, wenn an der Erdoberfläche betrachtet, massiv und von erheblicher Festigkeit zu sein scheinen, ist das Bohrgestänge selbst in einen* mäßig tiefen Bohrloch ein sehr biegsames und verhältnismäßig leicht zu beschädigendes Bohrwerkzeug. Der Drehtisch kann beispielsweise an eine Kraftquelle von größenordnungsmäßig 3000 PS angeschlossen sein; dieser Antrieb kann am Drehtisch Drehmomente von mehr als 50400 m.kp (75000 ft.lbs.) aufbringen, um das Bohrgestänge zu drehen.

Unter diesen Bedingungen wird das Bohrgestänge in einer auch nur sehr schwach gekrümmten Bohrung während des Bohrvorgangs' bei jeder Umdrehung seitlich stark ausgebogen. Sehr häufig führt dieseshäufige Ausbiegen zu Schäden selbst an Bohrrohren aus Stahl.

Beispielsweise kann die Bohrkrone aus der gewünschten vertikalen Achse auswandern; man erhält dann eine verzogene Bohrung. Die großdurchmeßrigen Manschetten ("collars") und andere angrenzende Gestängeteile können in solchen ab-

geknickten Bohrungen sich verklemmen. Bringt man trotz einer seitlichen Ausbiegung ein zu hohes Drehmoment auf, können die Verbindungen zwischen den Gestängeteilen oder das Gestängerohr selbst aufreißen. Man muß also vermeiden, auf ein verklemmtes Bohrgestänge einen zu hohes Drehmoment aufzubringen um es freizudrehen.

Es ist bei der Herstellung von Tiefbohrungen üblich, ein Spezialwerkzeug in das Bohrgestänge an dessen unterem Ende, aber über Werkzeugen wie den Manschetten, Räumern, Stabilisatoren usw. einzufügen, die einen größeren Durchmesser als die eigentlichen Gestängerohre haben. Dieses Werkzeug ist als Schlageinsatz {"drilling jar") bekannt. Dabei handelt es sich um ein Werkzeug, das sich verriegeln läßt; sodann kann man das Gestängerohr entweder auf Zug oder auf Druck beaufschlagen. Der Schlageinsatz wird wahlweise freigegeben und seine Bestandteile über einen festen Hub (beispielsweise 20 cm (8 in.)) teleskopartig gegeneinander verschoben, bis der Hammer- und der Amboßteil aufeinanderschlagen und auf das Bohrgestänge einen festen Schlag ausüben. Dieses abwärts oder aufwärts gerichtete Hämmern löst .im allgemeinen die festsitzenden Gestängeteile aus der Bohrung.

Ein solcher Schlageinsatz, der sich in der gesamten Welt durchgesetzt und seit Jahren gute Einsatzergebnisse gezeigt hat, ist unter der Bezeichnung "LI Rotary Drilling Jar" bekannt; er ist nach Aufbau und Funktionsweise in den US-PSn 3 208 541 und 3 233 690 beschrieben. Dieser mechanische Schlageinsatz ist in der Lage, auf- oder abwärts auf ein Bohrgestänge Schläge einstellbarer Stärke auszuüben, die bei einem Bohrgestänge von 10,5 cm (4-1/8 in.) ein Maximum von etwa 168.000 m/kg (250.000 ft. /lbs.) und für ein Gestänge von 19,7 cm (7-3/4 in.) ein solches von etwa 518.000 m/kg (770-805 ft./lbs.) erreichen können. Der Schlageinsatz kann das Bohrgestänge über ausgedehnte Zeiträume wiederholt mit Schlägen beaufschlagen - beispielsweise mehrere Tage. Der Schlacreinsatz wird üblicherweise in jedes Bohrgestänge als eine Sicherheitsmaßnahme aufgenommen, um das teure und zeitraubende^;sowie schwierige Entfernen von verklemmten Gestängeteilen aus einer Tiefbohrung zu vermeiden.

Der Schlageinsatz der oben erläuterten Art muß innerhalb der. Bohrtrübe arbeiten, die Sand, kleine Teilchen von Formationsschutt sowie auch Metallstücke enthalten kann, die während des Bohrens vom Bohrgestänge abgehoben werden. Die herkömmlichen Schlageinsätze weisen durchweg zwei teles-

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kopartig ineinandersitzende Teile auf, die ein- oder ausgeschoben werden können, um Auf- oder Abwärtschlä.ge auszuüben. Die Verriegelung im Schlageinsatz befindet sich dabei innerhalb einer dicht abgeschlossenen und mit Öl gefüllten Kammer. Dichtungen gewährleisten einen stromungsmitteldichten Gleitsitz zwischen den beiden Teilen. Offenbar ist das eine Ende des Ringraums zwischen den beiden Teilen den Flüssigkeiten in der Bohrung um den Schlageinsatz herum ausgesetzt. Das den Schlageinsatz enthaltende Bohrgestänge erfährt, beim Bohren erhebliche seitliche Biegungen, wobei längs und axialgerichtete Kräfte auf den Dichtungen auftreten, infolge deren Bohrlochtrübe in die ölgefüllte Verriegelungskammer einsickern kann.

Weiterhin ist einzusehen, daß die von den Kammer- und Amboßflächen des Schlageinsatzes ausgeübten Schläge zu starken Schwingungen führen, die die Dichtungen beschädigen, das unerwünschte Eindringen von Bohrlochtrübe in die ölgefüllte Kammer verursachen und die Spann- und Auslösemechanik des Schlageinsatzes beschädigen kennen. Bei dem bekannten Schlageinsatz nach der US-PS 3 233 690 sind auf dem äußeren der ineinandergeschobenen Teile eine oder mehrere elastische umlaufende Ringe angeordnet; sie sitzen am offenen Ende des Ringraums und dienen als Dämpfer, um

die seitlichen Biegebewegungen und Schwingungen zwischen den beiden Einsatzteilen zu dämpfen. Diese Ringe schützen die Dichtungen, die die Kammer die Sperrmechanik enthaltende Kammer abschließen. Beispielsweise sind in der genannten Patentschrift im Tubus des Einsatzes innen aufgeweitete Nuten vorgesehen, in die elastische Elemente aus Gummi, Neopren,oder dergleichen eingelegt sind, die mit ihren Innenflächen auf dem Innenrohr des Schlageinsatzes aufliegen und einer seitlichen Bewegung des Innenrohrs entgegenwirken zum Schutz der neben ihnen liegenden Dichtungen. Wie weiterhin einzusehen ist, ist der Ringraum zwischen den Dichtungen bzw. Packungen und den Ringen gegen "das Bohrloch abgeschlossen. Bei der Teleskopbewegung des Außen- und des Innenelements des Schlageinsatzes ändert sich daher das Volumen des Ringraums sehr stark; da dabei die Dichtungen und die Ringe Schaden nehmen können, sind Öffnungen vorgesehen, die eine Strömungsverbindung zwischen dem Ringraum und dem umgebenden Teil der Tiefbohrung herstellen.

Bei den meisten Tiefbohrungen handelt es sich bei der Bohrflüssigkeit um eine Trübe mit thixotropen Eigenschaften, die erlauben, die Trübe mit einer Pumpe frei durch die Bohrung zu fördern. Entfällt die Pumpkraft, nimmt .die

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Trübe den gelartigen Ruhezustand einer nicht newtonschen Flüssigkeit an. Der abgeschlossene Ringraum zwischen der Packung und den Ringen innerhalb des Schlageinsatzes ist also mit einem Bohrschlamm gefüllt, der keiner Umlaufströmung ausgesetzt ist. Der Bohrschlamm im Ringraum des Schlageinsatzes befindet sich also im Zustand eines Gels. Die Teleskopbewegung zv/ischen Innen- und Außenelement des Einsatzes bei der Abgabe von Schlagen erfolgt verhältnismäßig abrupt. Es ist jedoch eine endliche Zeitspanne erforderlich,.damit der Bohrschlamm aus dem Zustand eines Gels erneut in den einer newtonschen Flüssigkeit übergehen und zwischen dem Ringraum und der Tiefbohrung fließen kann. Es kann also unter bestimmten Schlagbedingungen ein Kolbeneffekt auftreten, wenn der Bohrschlamm nicht schnell genug durch die genannten öffnungen strömen kann, um das sich schnell ändernde Volumen des Ringraums zwischen Packung und Dämpfungsringen zu kompensieren, Der Bohrschlamm mit seinem nicht komprimierbaren Volumen kann also die Packungen oder die Dämpfungsringe, die die seitliche Bewegung und Schwingungen zwischen Innen- und Außenteil des Schlageinsatzes dämpfen sollen, stark beschädigen. Dieses Problem des sich schnell ändernden Ringvolumens tritt sowohl bei mechanischen als auch anderen Schlageinsätzen auf - beispielsweise solchen, bei denen das Spannen und das Freisetzen hydraulisch erfolgen.

Ein weiteres Problem existiert hinsichtlich der umlaufenden Ringe wie denen in der US-PS 3 233 690 eingesetzten, die die seitlichen Bewegungen und Schwingungen zwischen dem Innen- und dem Außenelement während der Schlagausübung dämpfen sollen. Beim Aufschlag werden auf diese Elemente erhebliche Energiebeträge aufgebracht, die seitliche und Längsbewegungen oder Schwingungen sowohl harmonischer als auch nichtharmonischer Art erzeugen. Die Dämpfungsringe des in der genannten US-Patentschrift offenbarten Schlageinsatzes haben zu einem erheblichen Schutz und damit einer sehr langen Lebensdauer der Dichtungen bzw. Packungen dieses Schlageinsatzes geführt. Jedoch sind auch diese -Dämpf ungsringe· zuweilen nicht mehr in der Lage, die Dichtungen vor den durch diese Schwingungen verursachten Zerstörungen zu schützen. Eine Erklärung hierfür ist, daß die auf die Innen- und das Außenelement des Schlageinsatzes ausgeübten Schwingungen nicht nur einen quergerichteten Versatz, sondern auch längsgerichtete und zirkuläre Bewegungekomponenten sowie zahlreiche Kombinationen derselben erzeugen. Die Schwingungen zwischen dem Innen- und dem Außenelement des Schlageinsatzes sind besonders heftig, da zum Erzeugen der erwünschten.Schlagkräfte auf das Bohrgestänge das Innenelement gegenüber dem Außenelement in Drehung versetzt wird. Die in der Vergangenheit verwendeten

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Dämpiungsringe können also durchaus versagen, wenn am Innen- und am Außenelement des Schlageinsatzes eine Kombination von axial und zirkulär wirkenden Schwingungen erheblicher Amplitude auftritt.

Ziel der Erfindung^

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Bohrlochwerkzeug in der Art eines Schlageinsatzes für Rotarybohrgestänge anzugeben, das elastische neuartige Dämpfungselemente zwischen den ineinandergesetzten Teile des Einsatzes aufweist, wobei diese Dämpfungselemente so angeordnet sind, daß der Bohrschlamm frei zwischen der Tiefbohrung und dem Ringraum zwischen den Dämpfungselementen und den Packungen strömen kann und das Problem der durch Längsausbiegungen und Schwingungen verursachten Schaden an den Dämpfungselemente oder den Dichtungen bzw. Packungen im Schlageinsatz beseitigt wird.

Darlegung des WeSeQS₁ der Erfindung ^ Die vorliegende Erfindung schafft folglich einen Schlageinsatz zur Verwendung in einer mit Bohrschlamm gefüllten Tiefbohrung mit einem langgestreckten Körper mit einem axialen Kanal zum Durchlassen von Strömungen, wobei der Körper an seinen Enden mit Gewinden versehen ist, um in ein Bohrgestänge eingefügt zu werden, und der Körper ein Innenrohr aufweist, das gleitend verschiebbar in ein Außenrohr eingesetzt ist, wobei zwischen Innen- und Außenrohr

ein Ringraum liegt, in dem sich Bohrschlamm befinden kann, und sich Strömungsmitteldichtungen an einem Ende des Ringraums befinden und eine Kammer bilden, die gegen den Bohrschlamm in der Tiefbohrung abgeschlossen ist und in der sich eine Verriegelung befindet, um das Innen- mit dem Außenrohr zu verriegeln, bis die Verriegelung wahlweise freigegeben wird, um einen Schlag zwischen der Hammer- und der Amboßflache auf dem Innen- und dem Außenrohr auszuüben. Diese Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl langgestreckter elastischer Dämpfungselemente auf dem Innenrohr im Ringraum zwischen Innen- und Außenrohr längsausgerichtet sind, daß die Dämpfungselemente von den Packungen bzw. Dichtungen längsbeabstandet sich an einer Stelle befinden, an der sie sich gleitend an das Außenrohr über dessen gesamten Bewegungshub entlang des Innenrohrs anlegen können, und daß die Dämpfungselemente in Umfangsrichtung beabstandet um das Innenrohr herum angeordnet sind und zwischen sich Strömungskanäle für den Bohrschlamm bilden, durch die dieser fließen kann, wenn das Innen- und das Außenrohr gemeinsam mit dem Bohrgestänge im Bohrloch gedreht werden.

Die Dämpfungselemente sind neuartig konstruiert und lassen sich auch mit anderen Arten von Bohrlochwerkzeugen

verwenden, die teleskopartig ineinandergesetzte Teile aufweisen.

Der hier vorgeschlagene verbesserte Schlageinsatz für das Rotarybohren ergibt für das Bohrgestänge, das gedreht wir, um'die Tiefbohrung einzubringen, eine verlängerte Lebensdauer beim Ausüben von Schlagimpulsen auf das Bohrgestänge. Dieser Schlageinsatz weist neuartige elastische Dämpfungselemente auf, die dauerhaft sind, sich aber auch leicht auswechseln lassen. Diese Dämpfungselemente dämpfen wirkungsvoll die Bewegungen und Schwingungen, die von den bei normalem Bohren und beim Betrieb des Schlageinsatzes zum Aufbringen von Schlagimpulsen auf das Bohrgestänge auftretenden längs- und winkelgerichteten Kräften verursacht werden.

Ausführungsbeispiele: Die Erfindung soll nun an bevorzugten Ausführungsformen unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung ausführlich erläutert werden.

Fig. 1A, 1B sind teilgeschnittene Aufrißdarstellungen eines Schlageinsatzes für das Rotarybohren nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ist ein Längsschnitt des Oberteils des in Fig. IA gezeigten Schlageinsatzes bei gespanntem Innen- und Außenrohr, so daß der Schlageinsatz nach oben oder unten schlagen kann;

Fig. 3 ist ein Schnitt entsprechend der Fig. 2, zeigt jedoch den Einsatz nach dem Ausüben eines Abwärtsschlages;

Fig. 4 ist ein Schnitt entsprechend der Fig. 2, zeigt aber den Schlageinsatz nach einem Aufwärtsschlag;

Fig. 5. ist ein Schnitt auf der Ebene 5-5 der Fig. 2;

Fig. 6 ist eine Perspektivdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines Dämpfungselements, wie es in dem in Fig. 5 gezeigten Schlageinsatz Verwendung findet.

Die Zeichnung zeigt einen Schlageinsatz für das Rotarybohren nach der vorliegenden Erfindung in einer mechanischen Ausführung. Die vorliegende Erfindung läßt sich jedoch auch für Ausführungen derartiger Schlageinsätze ver-

-gewendet, die hydraulisch oder auf andere Weise gespannt und freigesetzt werden, um die gewünschten Schlagimpulse auf ein Bohrgestänge auszuüben. Insbesondere handelt es sich bei dem Schlageinsatz in der Zeichnung um die als "LI Rotary Billing Jar" im Handel befindliche Ausführung, wie sie in den US-PSn 3 208 541 und 3 233 691 beschrieben ist.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen mechanisch betätigten Schlageinsatz 11 für das Rotarybohren. Er weist an seinem unteren Ende einen Gewindeansatz 12 und an seinem oberen Ende ein Innengewinde 13 auf und kann also in ein Bohrgestänge eingeschraubt werden. Der Einsatz 11 hat einen langgestreckten Körper 15 aus einem Dorn bzw. Innenrohr 16, das sich teleskopartig in einem Tubus bzw. Außenrohr 17 hin- und herverschieben kann. Das Innen- und das Außenrohr bilden zwischen sich einen offenendigen Ringraum 18. Eine erste Dichtung oder Packung 19 wirkt mit einer zweiten Dichtung bzw. Packung 21 so zusammen, daß eine Kammer 22 entsteht, die gegen die Bohrlochtrübe abgeschlossen ist. Die Kammer 22 ist üblicherweise mit sauberem Öl gefüllt, um ein einwandfreies Arbeiten der Spann- und Freigabemechanik des Schlageinsatzes 11 zu gewährleisten.

Die Packung 19 kann als Packrincr 23 auf einem inneren Ab-

satz im Außenrohr 17 vorgesehen sein, um ein elastisches Dichtmaterial (Packung) 24 aufzunehmen, das mit einem Druckring 26 so beaufschlagt wird, daß es einen dichten Abschluß herstellt. Der Druckring seinerseits wird mit einer Schraubenfeder 27 beaufschlagt, die von einer Schulter auf dem Außenrohr 17 gedrückt wird. Entsprechend weist die Dichtung 21 einen Ring 2 9 auf, der gegen eine Schulter auf dem Außenrohr 17 gehalten wird. Ein elastisches Pakkungs- oder Dichtungsmaterial 32 wird dicht abschließend mit einem Druckring 33 gegen den Ring 29 gepreßt. Eine Feder 34 zwingt dabei den Druckring auf das Dichtmaterial. Die Feder 34 ihrerseits wird von einer (nicht gezeigten) Schulter auf der Innenfläche des Außenrohrs beaufschlagt. Die Packungen bzw. Dichtungen 19, 21 wirken zusammen mit dem Innen- und dem Außenrohr unter Bildung von dichten Abschlüssen, die die Kammer 22 gegen den den Schlageinsatz 11 umgebenden Bohrschlamm abschließen, wenn dieser sich in der Arbeitslage in der Bohrung befindet. Vorzugsweise hat das Innenrohr innerhalb der Dichtungen 19, 21 einen gleichbleibenden Durchmesser.

Der Schlageinsatz 11 ist mit einer Spann- und Freigabemechanik versehen derart, daß er nach Wunsch der Bedienungsmannschaft Auf- oder Abwärtsschlage ausführen kann.

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Zu diesem Zweck trägt das Innenrohr 16 eine Erweiterung, bzw. einen Hammer 36, der auf eine vorstehende Fläche bzw. einen Amboß 37 auf dem Außenrohr aufschlagen kann. Mit dieser Anordnung läßt sich der Schlageinsatz, wenn festgeklemmt, mit einer Aufwärtskraft beaufschlagen, indem man auf das Bohrgestänge Zug ausübt. Dann wird das Innenrohr freigegeben und der Hammer 36 schlägt auf dem Amboß 37 auf, so daß der Schlagimpuls, auf das mit dem Schlageinsatz 11 verbundene Bohrgestänge übertragen wird. Ähnlich ist der Schlageinsatz zur Abgabe von Abwärtsschlägen eingerichtet. Zu diesem Zweck trägt das Innenohr 16 eine Schulter 38, die einen Hammer 39 bildet, der auf eine Schulter 41 aufschlagen kann, die den Amboß 42 auf dem Außenrohr 11 bildet. Zu diesem Zweck wird der Schlageinsatz gespannt und dann das Bohrgestänge abgesenkt, um den Schlageinsatz mit dem gewünschten Gewicht zu beaufschlagen. Die Spannmechanik wird freigesetzt und der Hammer 39 schlägt auf den Amboß 42 auf; auf diese Weise wird auf das angeschlossene Bohrgestänge ein Abwärtsschlag ausgeübt.

Als Spann- und Freigabemechanik des Schlageinsatzes 11 kann eine beliebige Konstruktion dienen. Die bevorzugte Ausführungsform der Spann- und Freigabemechanik ist eine Anordnung aus Antriebsrollen 46, 47, 4 8 in der Seitenwandung 4 9 des Außenrohrs 17. Die Antriebsrollen wirken zu-

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einer Drehantriebsbewegung zwischen den Gewindeverbindungen des Schlageinsatzes 11. Zusätzlich sind die Nuten 51 mit Fassungen ("jay sockets") 52, 53, 54 auf dem Innenrohr 16 verbunden. Die Antriebsrollen greifen in die Fassungen ein, wenn das Innenrohr 16 gegen den Körper 17 verdreht wird und der Schlageins"atζ 11 sich im verriegelten bzw. gespannten Zustand befindet. Befinden die Antriebsrollen sich in den Fassungen, läßt sich eine (auf- oder abwärts gerichtete) Längskraft zwischen Innenrohr 16 und Körper 17 ausüben. Ist diese hoch genug, rollen die Antriebsrollen von den Fassungen weg und in den Nuten 51 auf- oder abwärts. Befindet der Schlageinsatz sich im freigegebenen Zustand, verschieben das Innenrohr 16 und der Körper 17 sich gegeneinander, bis die Hammer- auf die Amboßfläche schlägt und der Schlagimpuls auf das Bohrgestänge übertragen wird. Dabei kann der Schlageinsatz einen Aufwärtsschlag ausüben, indem der Hammer 36 auf den Amboß 37 schlägt, oder er kann abwärts schlagen, indem der Hammer 39 auf den Amboß 42 schlägt. Es ist einzusehen, daß das Freisetzen der Antriebsrollen aus den Fassungen eine Drehbewegung zwischen dem Innenrohr 16 und dem Außenrohr bewirkt. Die Schwingungen oder einen seitlichen Versatz erzeugenden Kräfte werden also durch die fast

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gleichzeitige Längs-'und Drehiewegung des Innen- zum Außenrohr verstärkt.

Die Freigabe des gespannten Schlageinsatzes ist mit einer Federanordnung 56 einstellbar. Zu diesem Zweck sind Torsionsfedern 57, 58 an einem Ende mit der Seitenwandung 49 des Außenrohrs 17 verstiftet. Die Federn können beispielsweise mit einer Manschettenanordnung 58 miteinander verbunden sein, die mit einem in die Seitenwand 4 9 eingeschraubten Gewindebolzen 59 festgelegt ist. Das andere Ende der Federn sitzt jeweils in einer in der Nut 51 verschiebbaren Rolle. Wenn man also das Innenrohr 16 relativ zum Aüßenrohr 17 dreht, verändert man die Längskraft, die erforderlich ist, um die Antriebsrollen aus den Fassungen herauszubringen. Diese Freigabekraft läßt sich innerhalb bestimmter Grenzen verändern, die bestimmt werden von der Federkonstante der Federn 56, 57. Indem man das Innenrohr 16 in der einen Richtung gegen das Außenrohr dreht, spannt man die Federn stärker an, um die Antriebsrollen in den Fassungen zu halten, und erhöht damit die Längskraft, die erforderlich ist, um diese beiden Sperrkomponenten zu trannen. Alternativ dreht man das Innenrohr 16 in der anderen Richtung gegenüber dem Außenrohr 17 und verringert damit die Längskraft, die erforderlich ist, um die Antriebsrollen

aus den Fassungen herauszubringen und damit den Schlageinsatz auszulösen.

Der Schlageinsatz 11 ist im Sinne eines leichten Zusammensetzens so ausgeführt, daß der Körper 14 mehrere zylindrische und miteinander verschraubte Teile aufweist. Beispielsweise besteht der Körper 14 aus dem Außenrohr 17, den ein oberer Teil 63 bildet, der mit einer Zwischenhülse 64 mittels einer Gewindeverbindung 66 verbunden ist; diese Hülse. 64 ist ihrerseits über das Gewinde 68 mit dem unteren Teil 67 verbunden. Die Gewindeverbindungen 66, 68 erlauben, die verschiedenen Teile des Körpers 14 des Schlageinsatzes 11 ohne Schwierigkeiten nach Wunsch zusammenzusetzen oder auseinanderzunehmen - beispielsweise zum Einführen in das Bohrloch, für Wartungszwecke usw.

Das Außenrohr 17 bildet mit dem Innenrohr 16 zusammen den Ringraum 18, der von der Schulter 41 bis zur Dichtung 19 verläuft. Eine oder mehrere Schlammauslaßöffnungen 69 sind in der Seitenwandung 4 9 enthalten. Die hier verwandte neuartige Konstruktion der Dämpfungselemente erlaubt dem Bohrschlamm, frei durch den Ringraum 18 und die Tiefbohrung zu strömen. Der Schlamm im Ringraum 18 behält also seinen newtonschen Zustand bei und nimmt den eines Gels nicht an.

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Die Außenfläche 71 des Innenrohrs 16 ist ein polierter Abschnitt auf dem Innenrohr. Die Dichtung 19 gleitet strömungsmitteldicht auf dieser glatten Oberfläche 71 entlang. Der untere Teil des Innenrohrs - vergl. Fig. 1B hat ebenfalls einen polierten Oberflächenteil 72. Die Dichtung 21 gleitet auf dieser Oberfläche 72 ebenfalls strömungsmitteldicht entlang. Die Oberfläche 72 befindet sich auf einem Teil des Innenrohrs, der als "wash pipe", bekannt ist. Zusätzlich ist die zylindrische Innenfläche des Außenrohrs 17 ebenfalls geglättet. Die Dämpfungselemente nach der vorliegenden Erfindung werden unter Bezug auf die Fig. 2, 3 und 4 ausführlich erläutert. Die Dämpfungselemente sitzen.auf dem Innenrohr 16 und liegen gleitend an der Oberfläche 73 des Außenrohrs 17 an, um den seitlichen Bewegungen, die durch das Durchbiegen des Schlageinsatzes verursacht werden, wenn das Bohrgestänge in der Tiefbohrung gedreht wird, und auch den starken Schwingungen entgegenzuwirken, die auftreten, wenn der Schlageinsatz 11 Schläge auf das Bohrgestänge ausübt. Diese Dämpfungselemente erlauben ebenfalls eine freie Strömung des BohrSchlamms im Ringraum 18.

Wie die Fig. 5 zeigt, ist das Innenrohr 16 in seiner Außenfläche 71 mit einer Vielzahl von Vertiefungen versehen, in denen die Dämpfungselemente nach der vorliegenden Er-

findung angeordnet sind. Beispielsweise handelt es sich bei der Ausnehmung 76 um eine Nut mit flachem Boden, die parallel zur Längsachse des Schlageinsatzes 11 verläuft. Die Nut hat gegen den Boden scharf abgewinkelt verlaufende Enden, um die Dämpfungselemente 77 gegen eine Längsverschiebung festzulegen. Insbesondere ist die Nut 76 in die Oberfläche 71 des Innenrohrs 16 in einer Länge eingearbeitet, die ausreicht, um ein Dämpfungselement 77 dicht an den Absätzen 78, 79 anliegend aufzunehmen. Das Dämpfungselement hat eine gewölbte Oberfläche 81, die unter Druck auf der Oberfläche 73 des Außenrohres 17 aufliegt, um die Bewegung oder Schwingungen zwischen Außen- und Innenrohr zu dämpfen. Die Dämpfungswirkung der Elemente 77 ist stark genug, daß das Innenrohr 16 sich seitlich nicht so weit auslenken kann, daß die Funktion der Dichtung 19 beeinträchtigt wird - insbesondere während das Innenrohr 16 im Außenrohr 17 verschoben wird.

Das Dämpfungselement 77 ist vorzugsweise in der Nut 76 lösbar so festgelegt, daß es über die Lebensdauer des Schlageinsatzes beliebig oft ausgewechselt werden kann. Zu diesem Zweck ist das Dämpfungselement 77 auf einer dünnen Metallbefestigungsplatte 82 festgelegt (beispielsweise mit einem wärmehärtenden Klebstoff festgeklebt). Das Dämpfungselement 7 7 läßt sich lösbar auf derr. Innenrohr

mit Gewindebefestigern festlegen. Zu diesem Zweck enthält das Dämpfungselement - vergl. Fig. 6 - eine Vielzahl querverlaufender Löcher 83, die sich in Bohrungen verringerten Durchmessers in der Platte 82 fortsetzen. Diese Löcher nehmen Gewindebefestiger wie beispielsweise Bolzen 84 auf, die in Gewindebohrungen im Innenrohr 16 eingeschraubt werden können.

Insbesondere ist das Dämpfungselement 77 aus einem elastischen Werkstoff gefertigt, das den im Einsatzbereich des Schlageinsatzes in einer Tiefbohrung herrschenden physikalischen und chemischen Bedingungen widerstehen und die Bewegungen und Schwingungen zwischen Innenrohr 16 und Außenrohr 17 dämpfen kann. Zu· diesem Zweck ist das Dämpf ungselement 77 mit einem Körper 86 vorzugsweise aus einem elastischen Werkstoff wie beispielsweise synthetischem Polymerisat- oder Gummimaterial hergestellt. Gute Ergebnisse erhält man beispielsweise mit einem Nitril-Buna-A-Kunstgummi mit einer Shore-A-Durometer-Härte von etwa 80. Andere .elastische Werkstoffe, die die gleiche Dämpfungswirkung ausüben können, lassen sich für die Dämpfungselemente 77 ebenfalls ..verwenden.

Obgleich hier-nur ein Dämpfungselerrent 77 beschrieben ist, ist einzusehen, daß mehrere Dämpfungselemente eingesetzt

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und in Umfangsrichtung um das Innenrohr 16 herum verteilt sind. Beispielsweise zeigt die Fig. 5 das Dämpfungselement 77 mit den Dämpfungselementen 87 - 93 gleichbeabstandet um die Außenfläche des Innenrohrs 16 verteilt. Vorzugsweise erzeugt der Abstand zwischen nebeneinanderliegenden Dämpfungselementen einen Strömungsdurchlaß, dessen Querschnittsfläche etwa der eines Dämpfungselements im Ringraum 18 entspricht. Mit dieser Anordnung erhält man einen Durchlaß in Längsrichtung zwischen den Dämpfungselementen, durch den die Bohrlochflüssigkeit ungehindert in den und aus dem Ringraum 18 strömen kann.

Wie am-besten in den Fig. 2-4 ersichtlich sind die Dämpfungselemente auf dem Innenrohr 16 in einem solchen Abstand von der Packung 19 angeordnet, daß sie sich an das Außenrohr 17 über dessen gesamte Hublänge relativ zum Innenrohr 16 anlegen. Beispielsweise zeigt die Fig. 2 den Schlageinsatz im gespannten Zustand, wobei die Antriebsrollen in ihre Fassungen eingreifen. Die Fig. 3 zeigt die teleskopartige Bewegung des Außenrohrs relativ zum Innenrohr, wobei ein Abwärtsschlag auf das Bohrgestänge vom Schlageinsatz 11 ausgeübt worden ist. Die Darstellung der Fig. 4 zeigt das Innen- und das Außenrohr in einer Stellung zur Ausübung eines Aufwärtsschlages auf das Bohrgestänge. Während der in den Fig. 2-4 gezeigten Arbeitsvorgänge bleiben

die Dämpfungselemente 77 in Berührung mit der Oberfläche 73 des Außenrohrs 17 über den gesamten Bewegungshub relativ zum Innenrohr 16. Infolge der zwischen dem Innen- und dem Außenrohr des Schlageinsatzes 17 bei der Drehung des Bohrgestänges und dem Ausüben der Schlagimpulse auftretenden Längs- und Drehkräfte stellt die Bewegung dieser Teile zueinander eine komplizierte Kombination von Längs- und Winkelkomponenten dar. Da die Dämpfungselemente langgestreckt ausgeführt und um das Innenrohr herum verhältnismäßig gleichmäßig beabstandet sind, können sie die Längsund Winkelbewegungen zwischen dem Innen- und dem Außenrohr dämpfen, ohne die Strömung des Bohrschlamms im Ring- , raum 1-8 zu behindern.

Man sollte eine ausreichende Anzahl von Dämpfungselementen vorsehen, um die Bewegungen zwischen Innen- und Außenrohr des Schlageinsatzes stark genug dämpfen zu können. Gewöhnlich setzt man 4 bis 10 gleichbeabstandete Dämpfungselemente ein, wobei die Querschnittsfläche der Dämpfungselemente im Ringraum 18 jeweils im wesentlichen gleich der Querschnittsfläche des Zwischenraumes zwischen nebeneinanderliegenden Dämpfungselementen ist.

Mit der beschriebenen Anordnung der Dämpfungselemente kann der Schlageinsatz über ausgedehnte Zeiträume arbeiten, ohne

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daß er durch den Kolbeneffekt des Schlamms im Ringraum 18 Schaden nimmt oder die Dichtung 19 insbesondere durch seitliche Bewegung zwischen Innen- und Außenrohr beschädigt wird.

Es ist eine wesentliche Besonderheit der vorliegenden Erfindung, daß die Dämpfungselemente 77 sich auf dem Innenrohr 16 leicht montieren und von ihm abnehmen lassen, indem man einfach die Teile des Schlageinsatzes durch die Gewindeverbindungen 66, 68 hindurch voneinander löst. Nach dem Auswechseln der Dämpfungselemente läßt sich der Schlageinsatz dann ohne Schwierigkeiten wieder zusammensetzen und in-, die Tiefbohrung einführen.

Claims

D 1932 A

DAILEY OIL TOLLS, INC.,

Srfindungsanspruch

1. Schlageinsatz für die Verwendung in einem mit Bohrschlamm gefüllten Tiefbohrung, mit einem langgestreckten Körper mit einem axialen Durchlaß für Strömungsmittel, Gewindeverbindungen an den Körperenden zum Einfügen in ein Bohrgestänge, wobei der Körper einen rohrförmigen Dorn bzw. ein Innenrohr aufweist, das gleitend., verschiebbar in einem Tubus bzw. einem Außenrohr angeordnet ist, wobei sich ein Ringraum zwischen Innen- und Außenrohr bildet, in den Bohrlochflüssigkeit eintreten kann, mit Dichtungen an einem Ende des Ringraums, die eine gegen die Flüssigkeit im Bohrloch abgeschlossene

Kammer bilden, und einer Verriegelung in der Kammer, die das Innen- mit dem Außenrohr verriegelt, bis sie wahlweise freigesetzt wird, um einen Schlagimpuls zwischen der Hammer- und der Amboßfläche auf dem Innen- und dem Außenrohr auszuüben, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl langgestreckter elastischer. Schwingungsdämpfer (77, 87 - 93) auf dem Innenrohr (16) befestigt und längsausgerichtet im Ringraum (18) zwischen dem Innenrohr (16) und dem Außenrohr (17) angeordnet ist, daß die Dämpfungselemente (77, 87 - 93) in Längsrichtung von den Dichtungen (19, 21) beabstandet so angeordnet sind, daß sie sich gleitend an das Außenrohr .·( 1 7) über dessen gesamte teleskopartige Bewegung-entlang des Innenrohrs (16) anlegen können, und daß die Dämpfungselemente (77, 87 - 93) in Umfangsrichtung beabstandet auf dem Innenrohr (16) so verteilt angeordnet sind, daß zwischen ihnen im Ringraum (18) Kanäle entstehen, die eine Strömung der Bohrlochflüssigkeit erlauben, während das-Innenrohr (16) und das Außenrohr (17) mit dem Bohrgestänge zusammen in der Tiefbohrung gedreht werden.
2. Schlageinsatz nach Punkt 1, bei dem das Innenrohr gleitend verschieb- und drehbar im Außenrohr gelagert ist, in der Kammer eine Vorrichtung zur Aufbringung von

Drehmoment vorgesehen ist, um die Verriegelung mit einer vorbestimmten Winkelkraft zu beaufschlagen, die die Freigabe der Verriegelung bestimmt, und bei der das Innenrohr und das Außenrohr sich relativ zueinander sowohl axial als auch winklig bewegen, um die Schlagimpulse auszuüben, wobei sie in Längs- und in Drehrichtung Schwingungen an den Enden des Innenrohrs verursachen, die schädlich für die Dichtungen sind, dadurch gekennzeichnet., daß die Dämpfungselemente (77, 8-7 - 93) von den Dichtungen (19, 21) so beabstandet liegen, daß ihre gleitende Berührung mit dem Außenrohr (17) über die gesamte axiale und Winkelbewegung erlativ zum Innenrohr (17)· erhalten bleibt und so-- die längs- und drehgerichteten Schwingungen dämpfen.
3. Schlageinsatz nach Punkt 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungselemente (77, 87 - 93) zwischen sich Zwischenräume belassen, die mindestens 50 % der Fläche im Ringraum (18) zwischen den Dämpfungselementen (77, 87 - 93) als Durchtrittskanäle für Bohrlochflüssigkeit belassen.
4. Schlageinsatz nach Punkt 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungselemente (77, 87 - 93) in Längsnuten (76) im Innenrohr (16) angeordnet sind.

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5. Schlageinsatz nach Punkt 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungselemente (77, 87 - 93) lösbar in den Nuten (76) befestigt sind.
6. Schlageinsatz nach Punkt 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungselemente (77, 8 7 - 93) jeweils auf einer dünnen Metallunterlage (82) befestigt sind, die in der Nut (76) mit lösbaren Befestigern festgelegt werden kann.
7. Schlageinsatz nach einem der Punkte 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungselemente (77, 8 7 - 93) aus einem Polymerisatgummi mit einer Shore-A-Durometer- , Härte von etwa 80 hergestellt sind.
8. Elastisches Schwingungsdampfungselement insbesondere für Schlageinsätze für mit Bohrlochflüssigkeit enthaltende Tiefbohrungen, gekennzeichnet durch eine rechteckige Metallunterlage (82), einen allgemein rechteckigen Körper (86) aus elastischem Polymerisat-Gummimaterial, der auf die Unterlage (82) aufgeklebt ist, wobei die Unterlage

(82) mit Befestigern lösbar in einer Nut (76) auf bzw. in einem Teil des Schlageinsatzes befestigt ist, und wobei der Körper (86) auf der der Unterlage (82) entge-

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gengesetzten Seite eine gewölbte Oberfläche (81) hat, die für eine verbesserte gleitende Berührung der Dämpfungselemente (77, 87 - 93) an der Innenfläche (73) des Außenrohrs (17) sorgt.
9. Dämpfungselement nach Punkt 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage (82) und der Körper (8.6) mit einer oder mehreren querverlaufenden Öffnungen (83) zur Aufnahme von Gewindebefestiger wie beispielsweise Bolzen oder Schrauben (84) versehen sind.
10. Dämpfungselement nach Punkt 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (86) aus synthetischem Gummi mit einer Durometer-Shore-A-Härte von etwa 80 besteht.
11. Dämpfungselement nach Punkt 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (86) aus einem Nitr.it-Buna-A-Synthesegummi besteht.
12. Elastischer Schwingungsdämpfer nach einem der Punkt 8-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (76) einen flachen Boden hat.

Hierzu 3 Seifen Zeichnungen