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Diese Erfindung betrifft eine mechanische Überlastschutzvorrichtung der Ausführung, die so
ausgeführt ist, daß sie ausgelöst wird, wenn eine auftretende Kraft einen vorgegebenen Wert übersteigt.
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Es gibt mehrere Ausführungen von Überlastschutzvorrichtungen, die eingesetzt werden, um eine
Ausrüstung gegen Beschädigungen infolge einer mechanischen Überlastung zu schützen. Es ist üblich, daß
sich zwei oder mehrere Teile selbst gegenseitig verschieben, wenn eine Überlastung ausgelöst wird, wobei
diese Verschiebung normalerweise dazu führt, daß die Überlastung aufhört oder harmlos wird.
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Scherstifte, die so ausgeführt sind, daß sie beim Auftreten einer vorgegebenen Scherkraft brechen,
verkörpern eine der ältesten bekannten mechanischen Überlastschutzvorrichtungen, und Scherstifte sind noch
in starkem Umfang in Gebrauch.
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Scherstifte sind ebenfalls als funktionelle Elemente in verschiedenen Vorrichtungen eingeschlossen,
in denen die Scherstifte absichtlich als Teil der normalen Betriebsart der Vorrichtung durchtrennt werden.
In Verbindung mit Erdölbohrungen ist es beispielsweise üblich, Stopfen und andere Bohrausrüstungen in
Scherstiftvorrichtungen zu verriegeln. Beim Auftreten einer darauf angewandten Kraft, typischerweise durch
eine Erhöhung des Druckes in der Bohrflüssigkeit, werden die Scherstifte gebrochen, und eine gewünschte
Funktion wird bewirkt, wie beispielsweise das Öffnen oder Schließen eines Ventils, das Lösen eines
Stopfens, das Entkoppeln einer Rohrschlange aus einem Werkzeug, das darin verkeilt ist, und andere Dinge.
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Beim Auftreten von kurzen und mehr oder weniger zufälligen Überschreitungen der zulässigen
Maximalkraft ist es oftmals wünschenswert, daß die Überlastschutzvorrichtung nicht aktiviert wird, d. h.,
daß die Überlastschutzvorrichtungen in bestimmten Fällen eine gewisse Trägheit haben sollten.
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Die Erfindung betrifft selbst Verwendungen, wo es üblich ist, Scherstifte einzusetzen, und sie kann
in vielen Fällen zum Vorteil Scherstifte ersetzen.
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Ein Nachteil der Scherstifte ist, daß sie oftmals überdimensioniert werden müssen, um zu
vermeiden, daß sie bei einer kurzen zufälligen zusätzlichen Beanspruchung brechen, und das verringert den
Schutz und die Sicherheit. In vielen Beziehungen ist es ebenfalls ein Nachteil der Scherstifte, daß sie
geschwächt werden, sobald wie der Trennvorgang beginnt, eine Tatsache, die zum Bruch der Scherstifte
führt, selbst wenn die Kraft unter den oberen zulässigen Wert reduziert wird.
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Es ist bekannt, daß Scherstifte mit unterschiedlichen Abmessungen oder aus verschiedenen
Materialien kombiniert werden, um ein stufenweises Auslösen einer Schutzvorrichtung zu erreichen. Die
Anzahl der Scherstifte kann ebenfalls verändert werden. Folglich wird ein erster Satz von Scherstiften mit
einer niedrigeren Kraft zerbrochen als ein zweiter Satz von Scherstiften. Das wird ebenfalls in einer
Ausrüstung genutzt, wo Scherstifte als ein Teil der Funktion der Ausrüstung eingeschlossen sind. Eine erste
Funktionsstufe wird aktiviert, beispielsweise indem ein Satz von Scherstiften zerbrochen wird, wobei das
Zerbrechen eines zweiten Satzes von Scherstiften die nächste Funktionsstufe aktiviert. Um eine sichere
Funktion der Ausrüstung dieser Ausführung zu erhalten, ist es erforderlich, daß eine relativ große Differenz
hinsichtlich der Scherkraft zwischen den verschiedenen Sätzen von Scherstiften vorhanden ist. In
Verbindung mit Bohrarbeitsgängen bei Erdölbohrungen kam es vor, daß Scherstifte eine Sperrvorrichtung
zu früh ausgelöst haben, was kostspielige Folgen hatte.
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Ein Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung einer Überlastschutzvorrichtung, die so einfach wie
Scherstifte ist, und die gleichzeitig ein fortgesetztes Funktionieren nach kurzen Überschreitungen eines
vorgegebenen oberen Kraftwertes gestattet. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung einer
Überlastschutzvorrichtung, wo eine mögliche Überlastung über eine vorgegebene Entfernung wirken darf,
bevor die Überlastschutzvorrichtung ausgelöst wird. Ein drittes Ziel der Erfindung ist, daß sie im
wesentlichen mehr Energie aufnehmen sollte als Scherstifte, die beim Auftreten einer entsprechenden Last
ausgelöst werden, und daß die Überlastschutzvorrichtung dadurch in der Lage sein soll, Stöße aufzunehmen
und eine gefährliche Masse in der Bewegung zu verlangsamen. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die
Bereitstellung einer Überlastschutzvorrichtung, wo die zu einem Zeitpunkt zulässige maximale Kraft eine
Funktion einer Entfernung ist, über die eine mögliche vorhergehende Überlastung gewirkt hat.
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Die Ziele werden durch die charakteristischen Merkmale erreicht, die in den folgenden
Patentansprüchen definiert werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung mittels einer allgemeinen Musterausführung beschrieben, und
danach wird die Erfindung beschrieben, die in einer Bohrlochstopfenvorrichtung eingesetzt wird, die beim
Zementieren von Linern in Erdölbohrungen benutzt wird. Es erfolgt eine Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen, die zeigen:
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Fig. 1 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, von einer Überlastschutzvorrichtung, bevor sie einer
Überlastung ausgesetzt wird;
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Fig. 2 die gleiche Überlastschutzvorrichtung wie in Fig. 1, nachdem sie einer kurzen Überlastung
ausgesetzt wurde;
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Fig. 3 die gleiche Überlastschutzvorrichtung wie in Fig. 2, nachdem die Überlastschutzvorrichtung
ausgelöst wurde;
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Fig. 3A eine Schnittdarstellung durch eine Gewindespirale in einem größeren Maßstab;
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Fig. 4 grafisch in Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eine Erdölbohrung mit zwei miteinander
verbundenen Stopfen für eine Verwendung beim Zementieren eines Liners;
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Fig. 5 die gleichen zwei Stopfen wie in Fig. 4 in größerem Maßstab und im Schnitt;
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Fig. 6 die gleichen zwei Stopfen wie in Fig. 5, wobei der untere Stopfen gerade vom oberen
Stopfen getrennt wird;
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Fig. 7 den unteren Stopfen aus Fig. 6 in einer Position dicht am Boden der Erdölbohrung.
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In Fig. 1, 2 und 3 kennzeichnet die Bezugszahl 1 eine Stange, wobei eine Außengewindespirale
2 über einen Abstand von deren Länge vorhanden ist. Eine Buchse 4 mit einem Innendurchmesser, der den
Außendurchmesser der Gewindespirale 2 etwas übersteigt, ist an einem Ende 6 mit einem Abschnitt
versehen, der einen reduzierten Innendurchmesser aufweist, wodurch eine nach innen gerichtete ringförmige
Stirnwand 8 in der Buchse 4 gebildet wird. Wenn die Überlastschutzvorrichtung montiert und einsatzbereit
ist, liegt ein Ende der Gewindespirale 2 an der Stirnwand 8 an, wobei die Stange 1 aus der Buchse 4 an
deren Stirnseite 6 herausragt.
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Wenn die Stange 1 und die Buchse 4 einer Kraft ausgesetzt werden, die in Fig. 2 mit dem
Buchstaben F gekennzeichnet ist, wird das Ende der Gewindespirale 2 gegen die Stirnwand 8 gepreßt.
Infolge des Winkels, den die Gewindegänge der Gewindespirale 2 mit der Längsachse bilden, wird die Kraft
F in einem begrenzten Querschnitt oder der Scherzone der Gewindespirale 2, angrenzend an den
Kontaktpunkt mit der Stirnwand 8, aufgenommen, und es entsteht eine Scherspannung zwischen der
Gewindespirale 2 und der Stange 1. Wenn die Kraft F auf eine vorgegebene Grenze für die Überlastung
ansteigt, wird die Scherfestigkeit des Materials in der Scherzone überschritten, und die Gewindespirale wird
getrennt. Der Winkel der getrennten Gewindespirale 2 verändert sich, und die Gewindegänge werden im
wesentlichen parallel zur Stirnwand. Daher entsteht eine neue Scherzone, wo der Winkel für die
Gewindespirale 2 verändert ist, und so lange wie die Kraft F beibehalten wird, wird sich das Trennen der
Gewindespirale 2 in einer Scherzone fortsetzen, die sich längs der Gewindespirale 2 bewegt.
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Daher wird die Gewindespirale 2 nach und nach von der Stange 1 lose geschnitten, so lange wie
die Kraft F den Überlastungswert übersteigt. Die Gewindespirale 2 wird so zusammengedrückt, daß jede
getrennte Spiralwindung auf der vorhergehend getrennten Spiralwindung aufliegt. Wenn alle
Spiralwindungen getrennt sind, ist die Stange 1 lose und kann nicht mehr die Kraft F aufnehmen. Die
Überlastschutzvorrichtung wird vollständig ausgelöst, siehe Fig. 3.
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Wenn die Kraft F auf einen Wert reduziert wird, der kleiner ist als der Überlastungswert, bevor
alle Windungen der Gewindespirale 2 getrennt sind, wird das Trennen der Gewindespirale aufhören. Daher
kann die Stange 1 noch eine Kraft 1 aufnehmen, die kleiner ist als die vorgegebene Überlastungsgrenze.
Wenn die Kraft F noch einmal die Überlastungsgrenze übersteigt, wird die Gewindespirale 2 weiter
getrennt.
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Durch Verändern der Materialdicke oder der Steigung der Gewindespirale 2 längs der Länge der
Spirale kann die Überlastungsgrenze verändert werden. Ein gewünschter Verlauf der Kräfte kann danach
vorher ausgewählt werden.
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Um eine schräge Position der Stange in Beziehung zur Buchse 4 zu vermeiden, kann die Stange
1 vorteilhafterweise mit einer Gewindespirale 2 versehen werden, die zwei oder mehrere Verläufe aufweist.
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Alternativ kann die Gewindespirale 2 als eine Innenspirale in einer Buchse angeordnet und durch
Ziehen einer Stange mit einem Vorsprung durch die Buchse getrennt werden.
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Eine Überlastschutzvorrichtung entsprechend der Erfindung wirkt infolge deren Fähigkeit, eine
Kraft über eine Entfernung aufzunehmen, stoßdämpfend.
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Der Abstand zwischen der Stange 1 und der Öffnung in der Stirnseite 6 der Buchse sollte klein
sein. Die Scherfläche zwischen der Stange 1 und der Gewindespirale 2 kann bei einigen Materialarten
ungleichmäßig werden, und es besteht eine Gefahr der Rißbildung zwischen der Stange 1 und der Buchse
4 beim Passieren der Scherfläche an der Stirnseite 6 der Buchse 4 vorbei. Eine ungleichmäßige Scherfläche
kann ebenfalls einer Rißbildung unterliegen, wenn sie durch eine vorher getrennte Gewindespirale passiert.
Um dieses Problem zu eliminieren, kann die Gewindespirale 2 vorteilhafterweise mit einer Bruchinitiierung
in der Form einer Nut 9 versehen werden, die sich längs der Seitenflächen der Gewindespirale erstreckt,
vorzugsweise längs des Fußes der Gewindespirale 2, wie es in Fig. 3A gezeigt wird.
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Als Beispiel für eine Verwendung, bei der die Erfindung vorteilhafterweise genutzt werden kann,
wird im folgenden Text eine Stopfenvorrichtung für eine Verwendung beim Zementieren der Liner in
Verbindung mit dem Bohren von Erdöl- und Gasbohrungen beschrieben. In der Stopfenvorrichtung, die in
einer per se bekannten Ausführung vorliegt, ist es üblich, daß Scherstifte verwendet werden, um die
beabsichtigte Funktion zu erreichen.
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Beim Zementieren der Liner wird die Vergußmasse in den Ringspalt zwischen dem Liner und der
Formation gepumpt. Die Vergußmasse wird nach unten durch einen Liner gepumpt, der mit der Oberseite
des zu zementierenden Liners verbunden ist, und weiter nach unten durch den Liner bis zu dessen unteren
Ende und heraus in den Ringspalt hinein. Um zu vermeiden, daß die Vergußmasse mit der Flüssigkeit in
der Bohrung vermischt wird, wird die Vergußmasse mittels zweier Stopfen abgegrenzt, einen vor und einen
hinter der Vergußmasse, die mittels einer Druckflüssigkeit nach vorn getrieben wird. Da der Liner einen
im wesentlichen größeren Durchmesser als das Zuführrohr aufweist, ist es schwierig zu veranlassen, daß
ein und derselbe Stopfen sowohl innen im Zuführrohr als auch innen im Liner abdichtet. Um ein Abdichten
in beiden Rohren zu bewirken, wird eine spezielle Stopfenvorrichtung benutzt.
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Zuerst wird die Stopfenvorrichtung im allgemeinen mit Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben, bei
der eine Erdölbohrung 10 mit einem Futterrohr 12 ausgekleidet wird und ein Liner 14 bereitsteht, damit
er unten am Boden der Bohrung 10 zementiert werden kann. An deren oberen Ende ist der Liner 14 mit
einem Zuführrohr 16 für die Vergußmasse verbunden, das eine Kopplungsvorrichtung 18 aufweist. Im Liner
14 wurde an dessen oberen Ende ein erster ringförmiger Stopfen 20 angeordnet und unterhalb eines zweiten
ringförmigen Stopfens 22 befestigt, der wiederum unterhalb der Kopplungsvorrichtung 18 befestigt ist. Jeder
der ringförmigen Stopfen 20, 22 weist eine mittige durchgehende Öffnung auf, wobei das Zuführrohr 16
mit dem Liner 14 verbunden wird.
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Im Zuführrohr 16 ist ein erster Stopfen montiert, der so ausgeführt ist, daß er gleitend gegen die
Innenwand des Zuführrohres 16 abdichtet, wonach Vergußmasse in das Zuführrohr 16 gepumpt wird, wobei
der erste Stopfen nach vorn getrieben wird.
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Wenn der erste Stopfen den ersten ringförmigen Stopfen 20 erreicht, wird dessen
Durchgangsöffnung blockiert. Durch Erhöhen des Pumpendruckes löst der Arbeiter dann eine
Überlastschutzvorrichtung aus, und der erste ringförmige Stopfen 20 wird vom zweiten ringförmigen
Stopfen 22 getrennt. Danach wird die Vergußmasse durch die Durchgangsöffnung des zweiten ringförmigen
Stopfens gepumpt und treibt den ersten Stopfen und den ersten ringförmigen Stopfen als eine
zusammengefaßte Einheit nach unten längs des Liners 14, bis der erste ringförmige Stopfen 20 auf einer
ringförmigen vorstehenden Fläche 28 dicht am unteren Ende des Liners 14 ankommt und gegen diese
abdichtet.
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Um die Vergußmasse am ersten ringförmigen Stopfen 20 vorbei zu drücken, erhöht der Arbeiter
noch einmal den Pumpendruck und löst eine Überlastschutzvorrichtung aus, mit dem Ergebnis, daß der erste
Stopfen durch den ersten ringförmigen Stopfen 20 gepreßt wird und nach unten durch die ringförmige
vorstehende Fläche 28 fällt, wodurch ein ungehinderter Durchgang zur Bohrung 10 bewerkstelligt wird.
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Nachdem die abgemessene Vergußmasse in das Zuführrohr 16 gekommen ist, wird ein zweiter
Stopfen eingesetzt und mittels der Druckflüssigkeit weiter nach vorn getrieben. Wenn der zweite Stopfen
in den zweiten ringförmigen Stopfen 22 kommt, wird dessen Durchgangsöffnung blockiert, und der
Flüssigkeitsdruck nimmt im Zuführrohr 16 zu. Eine Überlastschutzvorrichtung löst sich aus, und ein zweiter
ringförmiger Stopfen 22 wird von der Kopplungsvorrichtung 18 ausgelöst. Der zweite Stopfen und der
zweite ringförmige Stopfen 22 werden gemeinsam weiter nach unten in den Liner 14 getrieben, bis der
zweite ringförmige Stopfen 22 auf dem ersten ringförmigen Stopfen 20 ankommt und im wesentlichen die
gesamte Vergußmasse aus dem Liner 14 herausgepreßt wurde.
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Im vorangegangenen Text wurde bei mehreren Gelegenheiten erwähnt, wie
Überlastschutzvorrichtungen als ein Teil der Betriebsweise des Stopfensystems eingesetzt werden. Im
Folgenden wird erklärt, wie eine Überlastschutzvorrichtung entsprechend der Erfindung in Verbindung mit
der Freigabe eines ersten Ringstopfens 20 von einem zweiten Ringstopfen 22 verwendet werden kann, und
weiter in Verbindung mit dem Öffnen des ersten Ringstopfens 20, nachdem er auf der vorstehenden Fläche
28 dicht am unteren Ende des Liners 14 angekommen ist.
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Aus Fig. 5 geht hervor, daß der zweite Ringstopfen 22 mit nach unten gerichteten fingerartigen
Fangeinrichtungen 30 versehen ist, die mit einer ringförmigen Nut 32 im ersten Ringstopfen 20 in Eingriff
kommen und daher den ersten Ringstopfen 20 am zweiten Ringstopfen 22 verriegeln. Die Fangeinrichtungen
30 sind elastisch, aber eine Buchse 34, die durch die Fangeinrichtungen 30 umgeben ist, sichert die
Fangeinrichtungen 30 in Eingriff mit der Nut 32. Die Buchse 34 ist mit einer äußeren Gewindespirale 36
versehen, die an einer inneren ringförmigen Stirnwand 38 des ersten Ringstopfens 20 aufliegt. Der obere
Ringstopfen 22 ist an der Kopplungsvorrichtung 18 mittels einer Überlastschutzvorrichtung oder eines
Sperrmechanismus 40 befestigt, der nur in einer vereinfachten Form gezeigt wird. Der Sperrmechanismus
40 wird durch eine axial verschiebbare innere Buchse 42 gesichert, die wiederum mittels eines Sperrstiftes
44 verriegelt ist, wobei der Sperrstift 44 mittels eines ersten Ringstopfens 20 an Ort und Stelle gehalten
wird. Um den zweiten Ringstopfen 22 von der Kopplungsvorrichtung 18 zu trennen, muß daher der erste
Ringstopfen 20 getrennt werden, um den Sperrstift 44 freizugeben, wonach eine Verschiebung der Buchse
42 die Wirkung des Sperrmechanismus 40 aufhebt.
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In Fig. 6 wird ein Stopfen 46 gezeigt, der so ausgeführt ist, daß er innen im Zuführrohr 16
gleitend abdichtet, während er durch die folgende Vergußmasse nach vorn gepreßt wird. Der Stopfen 46
ist im oberen Ende der Buchse 34 angekommen und blockiert den Strom dort hindurch. Wenn der
Pumpendruck erhöht wird, wie es bereits erklärt wird, wird die Gewindespirale 36 von der Buchse 34 lose
getrennt, die nach unten gepreßt wird. Wenn die Buchse 34 nicht mehr durch die Fangeinrichtungen 30
umgeben ist, werden letztere freigegeben und trennen sich von den Nuten 32. Auf diese Weise wird der
erste Ringstopfen 20 vom zweiten Ringstopfen 22 befreit. Das Trennen der Gewindespirale 36 kommt zum
Stillstand, wobei der Stopfen 46 und der erste Ringstopfen 20 mit der Buchse 34 längs des Liners 14 mittels
des Flüssigkeitsdruckes nach unten gedrückt werden.
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Der erste Ringstopfen 20 mit dem Stopfen 46, der abdichtend am oberen Ende der Buchse 34 liegt,
preßt danach den Liner 14 nach unten, bis der erste Ringstopfen 20 auf der ringförmigen vorstehenden
Fläche 28 nahe des unteren Endes des Liners 14 ankommt, wie es bereits mit Bezugnahme auf Fig. 4
erklärt wird. Während der Arbeiter noch einmal den Druck erhöht, wird die Gewindespirale 36 von der
Buchse 34 über deren gesamten Länge lose getrennt, wie es beispielsweise in Fig. 7 gezeigt wird. Daher
fällt die Buchse 34 mit dem Stopfen 46 unterhalb des ersten Ringstopfens 20 heraus, der dann für einen
Strom dort hindurch geöffnet ist.
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Bei entsprechenden Stopfen der bekannten Ausführung ist es üblich, daß zwei Sätze von
Scherstiften verwendet werden. Der erste Satz von Scherstiften ist so ausgeführt, daß er bricht, wenn der
erste Ringstopfen vom zweiten Ringstopfen freigegeben werden soll, während der zweite Satz von
Scherstiften so ausgeführt ist, daß er bricht, wenn der erste Ringstopfen für einen Strom dort hindurch
geöffnet werden soll.
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Danach muß der erste Satz von Scherstiften so ausgeführt werden, daß er beim Auftreten einer im
wesentlichen niedrigeren Last zerbrochen wird als der zweite Satz von Scherstiften. Es geschieht, daß beide
Sätze von Scherstiften beim Freigeben des ersten Ringstopfens vom zweiten Ringstopfen brechen. Ein
angenommener Grund dafür ist, daß der Stopfen und die Buchse zu dem Zeitpunkt, wenn der erste Satz
von Scherstiften zerbrochen wird, so beschleunigt werden, daß die Scherstifte, die einen vorstehenden
Bereich halten, auf dem die Büchse ankommen soll, beim Stoß (beim Ankommen) zerbrochen werden. Die
Scherstifte sind nicht in einer Position, um die kinetische Energie der Buchse aufzunehmen, und sie werden
zerbrochen. Das Ergebnis ist, daß die Buchse und der Stopfen annähernd geradlinig durch den ersten
Ringstopfen geschossen werden, und der Zementiervorgang gelingt nicht.
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Diese Art von Problemen wird vermieden, wenn eine Überlastschutzvorrichtung entsprechend der
Erfindung eingesetzt wird.