DE3129480C1 - Ventilkoerper fuer eine hydraulische Schlagschere - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ventilkörper für eine hydraulische Schlagschere gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Beim Niederbringen von Tiefbohrungen können der Bohrmeißel oder Teile des Bohrstranges in der Formation verklemmen. Ein Lösen des Bohrstranges ist mittels einer Schlagschere möglich, die bei zum Verklemmen des Bohrstranges neigenden Formationen vorsorglich in den Bohrstrang eingefügt wird. "Eine Schlagschere ist ein teleskopartig auseinander- oder zusammenschiebbares Werkzeug, prinzipiell bestehend aus einem Dorn und einer Muffe mit stabilen Anschlägen für die Endstellungen der beiden Teile. Sie umfaßt ferner eine mit einer hydraulischen Arbeitsflüssigkeit gefüllte Kammer, die eine Engstelle und Bereiche größeren Durchmessers aufweist. Beim Auseinanderziehen von Dorn und Muffe muß ein in der Kammer befindlicher Ventilkörper die Engstelle passieren, wobei die Arbeitsflüssigkeit gezwungen ist, über enge Kanäle oder einen Ringraum zwischen Ventilkörper und Muffe auszuweichen. Die dazu benötigte Zeit wird ausgenutzt, um durch weiteres Ziehen am Bohrstrang diesen auf Zugspannung zu bringen und Federenergie zu speichern. Hat der Ventilkörper die enge Stelle passiert, kann sich der Bohrstrang entspannen, wobei die Federenergie in kinetische Energie umgewandelt wird, bis die Anschlagflächen von Dorn und Muffe aufeinander prallen. Aufgrund der dabei abgebremsten Masse des Bohrstrangs entstehen starke Schläge, die darunter befindliche festsitzende Teile lösen können.

Es hat sich gezeigt, daß die Zeit, die der Ventilkörper benötigt, um die Engstelle zu passieren, sehr starken Schwankungen unterworfen ist. So wurden einerseits Zeiten ermittelt, bei denen die Bohrmannschaft bis zu 30 Minuten auf die Auslösung des Schlages warten mußte, was wirtschaftlich nicht zu vertreten ist, andererseits gab es Fälle, in denen der Ventilkörper so zügig die Engstelle passierte, daß eine Speicherung von Federenergie nicht möglich war. Die Ursache für die starken Schwankungen der Verzögerungszeit liegt vorwiegend bei der temperaturabhängigen Viskosität der Arbeitsflüssigkeit, wenn die Schlagschere in unterschiedlichen Tiefen eingesetzt wird. Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, einen Ventilkörper für eine hydraulische Schlagschere so auszubilden, daß die Wirkungen der temperaturabhängigen Viskositätsschwankungen der Arbeitsflüssigkeit auf die Verzögerungszeit kompemsiert werden. Diese Aufgabe wird bei einem Ventilkörper gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die im Kennzeichen genannten Merkmale gelöst.

Der Ventilkörper ist hier durch eine auf dem Dorn gelagerte, koaxiale zweiteilige Hülse ausgeführt, die beim Auseinanderziehen von Dorn und Muffe an einer Ventilschulter des Doms abgestützt ist und an der Muffenwand im Bereich einer Engstelle abdichtend anliegt. Eine Durchflußstrecke zum Ausweichen der Arbeitsflüssigkeit ist zwischen den zueinandergewandten Mantelflächen der beiden ineinanderliegenden Teile der Hülse gebildet.

Durch verschiedene Temperaturausdehnungskoeffizienten von Innen- und Außenteil der Hülse wird bei Temperaturerhöhung der für den Durchtritt der Arbeitsflüssigkeit wirksame Strömungswiderstand vergrößert.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel wird nun anhand der Zeichnung erläutert.

F i g. 1 zeigt einen Schnitt durch das gesamte Werkzeug.

F i g. 2 zeigt eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht der Hülse auf dem Dorn im Bereich der Engstelle.

Fig.3 zeigt eine Vergrößerung eines in Fig.2 gekennzeichneten Details.

F i g. 4 zeigt eine Funktion der Verzögerungszeit über

der Temperatur aufgetragene a) für eine Schlagschere mit einer erfindungsgemäßen Anordnung, b) für eine Schlagschere mit einer einteiligen Hülse ohne Temperaturkompensation.

Die in F i g. 1 dargestellte Schlagschere besteht aus einem Dorn 1 und einer Muffe 2 die teleskopartig verschiebbar sind. Dorn und Muffe tragen jeweils am äußeren Ende einen Gewindezapfen 3 und eine Gewindemuffe 4, mittels derer die Schlagschere in einen Bohrstrang eingefügt werden kann. In der Bereitschaftsstellung sind Dorn und Muffe ineinander geschoben. Zur Ausübung eines Schlaghubes gleiten Dorn und Muffe soweit auseinander, bis ein Anschlag 5 auf dem Dorn gegen eine Schlagschulter 6 der Muffe prallt Zwischen dem Dorn und der Muffe ist eine Kammer 8 gebildet, die axial durch eine stationäre Dichtung 9 und eine verschiebbare Dichtung 10 begrenzt wird. Die Kammer 8 ist mit einer hydraulischen Arbeitsflüssigkeit gefüllt und besitzt eine Engstelle 11 sowie obere und untere Bereiche 12, 23 größeren Durchmessers, wobei der obere Bereich 12 eine freie Schlagstrecke bildet und für die Druckverhältnisse der Arbeitsflüssigkeit während der Verzögerungszeit einen Hochdruckbereich darstellt und der untere Bereich 23 einen Niederdruckbereich darstellt Der Dorn trägt eine Ventilschulter 13 zwischen der und dem bereits erwähnten dazu axial versetzten Anschlag 5 eine freibeweglich geführte Hülse 14 angeordnet ist Wenn die Hülse 14 die Engstelle 11 von oben nach unten passiert, liegt sie am Anschlag 5 an und bildet über radial in ihre obere Stirnfläche eingelassene Nuten 15 und einen Zwischenraum zwischen ihrer inneren Mantelfläche und dem Dorn einen Durchfluß. Beim Passieren der Engstelle 11 von unten nach oben wird jedoch dieser Durchfluß durch Anliegen der der Ventilschulter zugewandten Seite der Hülse 14 an die Ventilschulter 13 unterbunden. Der Durchfluß ist dann auf einen Zwischenraum zwischen zwei koaxial ineinanderliegenden Teilen der Hülse 14 beschränkt, wie sie in F i g. 2 dargestellt ist

Während der Verzögerungszeit vor Ausübung eines Schlaghubes liegt die Hülse 14 an der Ventilschulter 13 an und dichtet so den Durchflußweg zwischen Dorn 1 und Hülse 14, der sich aufgrund des kantigen Profils 20 des Dorns im Bereich zwischen Anschlag 5 und Ventilschulter 13 im Vergleich zur zylindrischen Innenwand der Hülse ergibt Die Hülse 14 umfaßt ein Außenteil 16 und ein Innenteil 17, wobei das Innenteil einen größeren Temperaturausdehnungskoeffizienten hat als das Außenteil. Die äußere Mantelfläche 18 des Außenteils 16 ist größtenteils zylindrisch und knickt dann im oberen Teil 19 konisch ab. In diesem Bereich befinden sich auch die radial verlaufenden Nuten 15, welche bei Anliegen der Hülse am Anschlag 5 einen Durchtritt der Arbeitsflüssigkeit zum Raum zwischen Hülse und Dorn ermöglichen. Der zylindrische Bereich des Außenteils 16 ist hinsichtlich seines Durchmessers so auf den Durchmesser der Engstelle 11 abgestimmt, daß ein Durchtritt der Arbeitsflüssigkeit zwischen Hülsenaußenfläche und Engstelle nicht möglich ist oder wenigstens so gering ist, daß er im Vergleich zu der gewünschten Durchlaßmenge vernachlässigbar ist Der untere Bereich des Außenteils enthält eine oder mehrere Bohrungen 21, die in axial verlaufende Nuten 22 übergehen, weiche ihrerseits aus der unteren Stirnfläche des Außenteils austreten und so eine Verbindung zwischen dem Innenraum des Außenteils 16 und dem Niederdruckbereich 23 der Kammer 8 herstellen.

Innerhalb des Außenteils 16 ist koaxial zu diesem das Innenteil 17 angeordnet, welches mit seiner zylindrischen Innenfläche auf dem Dorn geführt ist Im unteren Bereich 24 liegt das Innenteil 17 am Außenteil 16 an und bildet hier eine Preßpassung zur Erzielung einer zuverlässigen Dichtung. Im Bereich der Radialbohrung 21 des Außenteils 16 springt die Mantelfläche des Innenteils zurück und bildet mit dem Außenteil einen Ringraum 25. Weiter oberhalb nähert sich das Innenteil im Durchmesser wieder dem Außenteil an und verjüngt sich schließlich konisch 26 nach oben unter Ausbildung eines sich stetig erweiternden Ringspaltes zum AußenteiL Vom Ringraum 25 angefangen über den konischen Bereich 26 des Innenteils erstreckt sich eine spiralförmige, in die Mantelfläche des Innenteils eingelassene Nut 27, die ähnlich einem Gewinde ausgeführt ist Die Tiefe dieser Nut 27, welche als Detailanschnitt aus Fig.2 in Fig.3 dargestellt ist, verringert sich mit abnehmenden Konusdurchmesser.

Während bei niedrigen Temperaturen ein bis zum Ringraum 25 durchgehender Ringspalt zwischen dem konischen Innenteil 26 und dem Außenteil 16 vorhanden ist, wird dieser bei zunehmender Temperatur durch Ausdehnen des Innenteils verschlossen. Die Arbeitsflüssigkeit muß dann durch den letzten Gewindegang strömen. Bei weiterem Temperaturanstieg kommen immer mehr oberhalb liegende Bereiche des Innenteils zum Anliegen an das Außenteil. Dadurch werden weitere Gewindegänge der spiralförmigen Nut voneinander getrennt, so daß die Arbeitsflüssigkeit gezwungen ist, einen langer werdenden engen Durchflußweg zu durchströmen. Dessen Drosselwirkung, die mit zunehmender Länge steigt, ist der abnehmenden Zähigkeit der Arbeitsflüssigkeit entgegengerichtet Durch die Abnahme der Einlaßtiefe der spiralförmigen Nut wird zusätzlich der Querschnitt des Durchflußweges vermindert, was die Drosselwirkung weiter steigert Durch eine entsprechende Auslegung der Konusform des Innenteils und des Verlaufs der Einlaßtiefe der Nut lassen sich die Auswirkungen der temperaturabhängigen Viskosität der Arbeitsflüssigkeit in einem weiten Bereich kompensieren.

Fig.4 zeigt schließlich die Verzögerungszeit der Auslösung eines Schlaghubes über der Temperatur aufgetragen für a) im Versuchsmuster einer erfindungsgemäßen Anordnung und b) für eine hydraulische Schlagschere ohne Temperaturkompensation. Die Linearisierung des Verhaltens der erfindungsgemäßen Anordnung wird dadurch deutlich.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims (4)

Patentansprüche:

1. Ventilkörper für eine in einen Bohrstrang für Tiefbohrungen einfügbare hydraulische Schlagschere, die aus einer Muffe mit einem darin längsbeweglichen Dorn besteht und eine zwischen Dorn und Muffe gebildete, beidseitig abgedichtete, mit einer Arbeitsflüssigkeit gefüllte Kammer umfaßt, die ihrerseits eine Engstelle und Bereiche größeren Durchmessers aufweist, wobei der Ventilkörper als eine auf dem Dorn geführte Hülse zwischen einer Ventilschulter und einem dazu axial versetzten Anschlag frei beweglich ist, bei Passieren der Engstelle in einer Richtung an der Ventilschulter abdichtend anliegt und einen Übertritt der Arbeitsflüssigkeit durch die Engstelle drosselt und bei Passieren der Engstelle in der anderen Richtung durch Bildung eines Durchflußweges zwischen Dorn und innerer Mantelfläche der Hülse einen Übertritt der Arbeitsflüssigkeit durch die Engstelle freigibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (14) aus wenigstens zwei koaxial ineinanderliegenden Teilen (16, 17) besteht, die unterschiedliche Temperaturausdehnungskoeffizienten besitzen und zwischeneinander eine enge, in ihrer Drosselcharakteristik temperaturabhängige Durchflußstrecke (27) bilden, die über Öffnungen (21) und Vertiefungen (22) im Außenteil (16) der Hülse (14) aus einer außerhalb der Ventilschulter (13) liegenden Stirnfläche austritt, wobei das Außenteil (16) im Bereich der Engstelle (11) abdichtend an der Muffenwand (2) anliegt.

2. Ventilkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenteil (17) der Hülse (14) einen größeren Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweist als das Außenteil (16) und wenigstens eine der einander zugewandten Mantelflächen (26) vom Innen- und Außenteil konisch geformt ist, wobei diese beiden Flächen einen im Querschnitt keilförmigen Spaltraum bilden, der bei zunehmender Temperatur schrumpft.

3. Ventilkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenteil (17) konisch geformt ist und in die dem Außenteil (16) zugewandte konische Mantelfläche (26) eine spiralförmige Nut (27) eingelassen ist, deren einzelne Gewindegänge bei zunehmender Temperatur durch Berührung der einander zugewandten Flächen vom Innen- und Außenteil voneinander getrennt werden.

4. Ventilkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßtiefe der spiralförmigen Nut (27) mit abnehmendem Konusdurchmesser des Innenteils (17) abnimmt, wobei zusätzlich zu einer Verlängerung des Weges der Durchflußstrecke eine Verringerung ihres kleinsten Querschnittes eintritt.