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Bohrlochwerkzeug Die Erfindung bezieht sich auf ein Bohrlochwerkzeug
mit einem am Bohrgestänge anschraubbaren, eine mit der Druckflüssigkeitsleitung
des Bohrgestänges kommunizierende Längsbohrung aufweisend °n länglichen Körper,
an dem Arbeitsarme so befestigt sind, daß sie aus einer innerhalb des Körpers befindlichen
Ruhestellung ausschwenkbar sind, und einer Vorrichtung, die zur Betätigung der Arbeitsarme
und zur Erzeugung von die Stellung der Arbeitsarme anzeigenden Druckschwankungen
der Druckflüssigkeit dient und die einen in der Längsbohrung gleitbaren, in Richtung
auf die Druckflüssigkeitszuführung vorgespannten Kolben mit einem Längsdurchlaß
für die Druckflüssigkeit hat.
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Derartige Vorrichtungen sind z. B. Fräser und Bohrlochvergrößerungsvorrichtungen.
Bei diesen Fräsvorrichtungen werden z. B. die Arme der Vorrichtung in einer bestimmten
Teufe nach außen gestreckt, um durch die Verrohrung des Bohrloches hindurchzuschneiden
und einen Abschnitt der Verrohrung abzufräsen, so daß ein offener Abschnitt oder
Fenster entsteht.
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Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art ist der Längsdurchlaß des
in der Längsbohrung gleitbaren Kolbens mit einer Drosselstelle und der Kolben oberhalb
dieser Drosselstelle mit seine Wandung durchdringenden Kanälen versehen, deren Auslaßenden
in der normalen Ruhestellung des Kolbens einer Buchse gegenüberliegen, die ober-
und unterhalb der Auslaßenden Dichtungen aufweist. Soll durch Erhöhung des Flüssigkeitsdrucks
ein Ausschwenken der Arme herbeigeführt werden, so wird sich oberhalb der Drosselstelle
der Druck so stark erhöhen, daß der Kolben sich nach unten bewegt, wobei die Kanäle
in eine mit Umgehungsleitungen kommunizierende Stellung gelangen. Hierdurch tritt
ein Druckabfall ein, der am überwachungspersonal über Tage den Beginn des Arbeitsvorganges,
beispielsweise des Fräsvorganges, anzeigt.
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Dadurch, daß bei der bekannten Anordnung die die über Tage ablesbaren
Druckschwankungen erzeugenden Kanäle normalerweise geschlossene Sackbohrungen sind
und der Durchflußquerschnitt dieser Kanäle nicht beliebig vergrößert werden kann,
weil die das Ausschwenken der Werkzeuge verursachende, durch die Drosselung bewirkte
Druckerhöhung nicht zu sehr herabgesetzt werden darf, besteht die Gefahr einer Verstopfung
der Kanäle durch sich aus der Bohrflüssigkeit absetzende Verunreinigungen.
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Um zu vermeiden, daß der Betrieb der Vorrichtung durch Verunreinigungen
beeinträchtigt werden kann, wird erfindungsgemäß ein in der Längsbohrung des länglichen
Körpers zwischen dem Bohrgestänge und dem Bewegungsraum des Kolbens befestigter
Stempel vorgesehen, der zur Erzielung der Druckschwankungen ein in den Mündungsteil
des Längsdurchlasses des Kolbens hineinragendes freies Ende aufweist, das mit der
Wandung des Mündungsteils einen bei Bewegung des Kolbens seinen Querschnitt verändernden
Durchflußkanal für die Druckflüssigkeit bildet. Bei der neuen Anordnung liegt die
zum Anzeigen der Druckschwankungen verwendete Vorrichtung im Hauptstrom der Bohrlochflüssigkeit
und ist daher selbstreinigend. Ferner kommen bei der neuen Anordnung im Bereich
der Fräswerkzeuge liegende, den beim Arbeiten dieser Werkzeuge entstehenden hohen
Temperaturen unmittelbar ausgesetzte Dichtungen in Fortfall.
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Vorzugsweise ist der Stempel im wesentlichen zylindrisch und der Längsdurchlaß
des Kolbens sich in Richtung der Einlaßöffnung der Längsbohrung querschnittsmäßig
allmählich erweiternd ausgebildet, so daß eine allm'ä'hliche Druckschwankung erzielt
wird.
Einzelheiten der Erfindung folgen aus der nachstehenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Es zeigen F i g.
1 und 1 a teilweise im Schnitt dargestellte, nebeneinander angeordnete Seitenansichten
des oberen bzw. unteren Abschnittes einer Ausführungsform eines Fräsers nach der
Erfindung, wobei das Werkzeug in Ruhestellung gezeigt ist, und F i g. 2 und 2 a
teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansichten des oberen bzw. unteren Abschnittes
der in den F i g. 1 und 1 a dargestellten Ausführungsform, wobei die Vorrichtung
in Arbeitsstellung gezeigt ist.
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In den F i g. 1 und 1 a ist die Fräsvorrichtung in der eingezogenen
Stellung gezeigt, in der sie durch eine röhrenförmige Leitung oder eine Verrohrung
eingefahren werden kann. Ein oberes Anschlußstück 10 ist mit einem oberen Verbindungsgewinde
12 versehen, mit welchem es an einem Bohrrohr angeschraubt werden kann, welches
das Bohrgestänge bildet, mit welchem der Fräser in das Bohrloch eingefahren wird.
Das Anschlußstück weist auch ein unteres Verbindungsgewinde 14 auf, welches auf
einen rohrförmigen Körper 16 der Vorrichtung nach der Erfindung aufgeschraubt ist.
Ein zentraler Kanal 18 führt in Längsrichtung durch das Anschlußstück hindurch und
ermöglicht den Durchfluß des Strömungsmittels.
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Der rohrförmige Körper 16 ist mit einem durchgehenden axialen Kanal
versehen, der aus einem oberen Kanal 20, einem mittleren Kanal 22 und einem unteren
Kanal 24 besteht. Der Durchmesser des mittleren Kanals ist kleiner als der Durchmesser
sowohl des oberen als auch des unteren Kanals 20 bzw. 24. Eine Schulter 26 ist in
dem rohrförmigen Körper am Übergang zwischen dem oberen und dem mittleren Kanal
und eine Schulter 28 (s. F i g. 1 a) ist am Übergang vom mittleren zum unteren Kanal
ausgebildet.
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Eine Vorrichtung 30 zur Steuerung des Durchflusses ist in dem oberen
Abschnitt des oberen Kanals 20, (s. F i g. 1) angeordnet. Diese Vorrichtung 30 weist
einen Körper 32 auf, der an seineirr Umfang z. B. durch Anschweißen an der den Kanal
20 begrenzenden Innenwand des rohrförmigen Körpers 16 befestigt ist. Während der
Körper 32 der Durchflußsteuerungsvorrichtung auch andere Formen aufweisen kann,
besteht bei der Ausführungsform nach F i g. 1 der Körper 32 aus einem oberen kegelförmigen
Element 34, welches in den Kanal 18 des Anschlußstückes hineinragt, und einem unteren
Teil 35. Eine Bohrung 36 in dem kegelförmigen Element 34 und eine Bohrung 37 mit
verringertem Durchmesser im unteren Teil 35 bilden nach Verbindung der beiden
Teile zusammen eine Schulter 38. Ein Stempel 39 weist einen Kopf 40 auf, dessen
Durchmesser im wesentlichen gleich dem Durchmesser der Bohrung 36 ist, sowie einen
zylindrischen Schaft 41 mit geringerem Durchmesser, der sich vom Kopf 40 abwärts
erstreckt. Der Kopf 40 des Stempels 39 wird von der Schulter 38 innerhalb des Körpers
32 gehalten. Eine dämpfende Spiralfeder 42 ist zwischen dem Kopf des Stempels und
einem Stopper 44 angeordnet, der gegen die obere Innenfläche der Bohrung 36 stößt.
Mehrere Strömungskanäle 46, die aus zueinander passenden Kanälen im Kegel 34 und
im unteren Teil zusammengesetzt sind, erstrecken sich durch den Körper 32 hindurch
und schaffen eine Strömungsverbindung zwischen den über und unter dem Körper der
Durchflußsteuerungsvorrichtung liegenden Abschnitten des Kanals 20.
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Eine Kolbenvorrichtung 48 ist in dem Kanal des rohrförmigen Körpers
angeordnet und weist einen Kolbenkopf 50 und einen Kolbenschaft 52 auf. Der Kolbenkopf
50 ist mit einer oberen Kolbendichtung 54 versehen, die an dem Kopf durch einen
Ring 56 und Halteschrauben 58 befestigt ist. Eine untere Kolbendichtung 59 ist in
einer Randausnehmung 60 des Kolbenkopfes angeordnet. Der Kolbenschaft hat einen
derartigen Durchmesser, daß er innerhalb des mittleren Kanals mit verringertem Durchmesser
im rohrförmigen Körper 16 gleitfähig bewegbar ist. Das obere Ende des Schaftes ist
innerhalb des oberen Kanals am Kolbenkopf befestigt. Das untere Ende des Kolbenschaftes
reicht (s. F i g. 1 a) in den unteren Kanal 24 des rohrförmigen Körpers.
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Eine Druckfeder 61 ist um den Abschnitt des Kolbenschaftes 52 im oberen
Kanal 20 herumgelegt, so daß die Feder zwischen der unteren Fläche des Kolbenkopfes
50 und der in dem rohrförmigen Körper ausgebildeten Schulter 26 zusammendrückbar
ist.
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Ein Nocken 62 (s. F i g. 1 a) ist auf das untere Ende des Kolbenschaftes
aufgeschraubt und wird durch eine Sperrmutter 64 darauf festgehalten. Der Durchmesser
des Nockens ist im wesentlichen gleich dem Durchmesser des unteren Kanals 24, so
daß er darin gleitfähig bewegbar ist. Die Kolbenanordnung weist eine Mittelbohrung
66 auf, die über ihre ganze Länge reicht.
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Am oberen Ende der Kolbenanordnung ist die Bohrung 66 aufgeweitet
und nimmt eine Mündungsanordnung 68 auf. Die Mündungsanordnung enthält eine Buchse
70 und ein Mündungsglied 72, welches einen mittleren Mündungskanal 73 begrenzt.
Der untere Abschnitt des Mündungskanals hat einen Durchmesser, der genau gleich
dem Durchmesser der Bohrung 66 ist, welche sich abwärts von der Mündungsanordnung
in der Kolbenvorrichtung erstreckt. Der Durchmesser des oberen Abschnittes des Mündungskanals
vergrößert sich allmählich in Richtung auf das obere Ende der Kolbenanordnung, da
das Mündungsglied zum oberen Ende hin divergiert. O-Ringe 74 bilden eine Dichtung
zwischen der Buchse 72 und der Kolbenanordnung; O-Ringe 76 dichten den Mündungsabschnitt
72 gegen die Buchse ab.
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Der Durchmesser des unteren Abschnittes des Mündungskanals ist geringfügig
größer als der Durchmesser des zylindrischen Schaftes 41 des Stempels 39 der Durchflußsteuerungsvorrichtung,
so daß der Ringraum zwischen dem Schaft 41 und dem Mündungsglied einen Mündungsquerschnitt
für den Durchfluß von Strömungsmitteln bildet, wenn der Schaft in den unteren Abschnitt
des Mündungskanals eingreift. Der obere divergierende Abschnitt des Mündungsgliedes
liefert einen größeren Ring-. raumquerschnitt zwischen dem Schaft des Stempels und
dem Mündungsglied.
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Mehrere Schneidarme 78 (s. F i g. 1 a, in der zwei von ihnen dargestellt
sind) werden an ihren oberen Enden schwenkfähig auf Scharnierstiften 80 gehalten,
die in dem rohrförmigen Körper 16 durch Schrauben 84 festgehalten sind. Ein Knaggen
82 ist in eine Ausnehmung 86 an der Außenfläche des rohrförmigen
Körpers
16 eingesetzt und wird darin durch eine Schraube 88 gehalten, so daß jeder Knaggen
82 im wesentlichen glatt mit der Außenfläche des Rohrkörpers liegt. Der Knaggen
stellt eine Lagerfläche für das obere Ende des Werkzeugarmes dar, um Stöße und Druck
aufzunehmen. Der von dem Scharnierstift abwärts sich erstreckende Abschnitt eines
jeden Armes wird in einem länglichen Schlitz 90 des rohrförmigen Körpers aufgenommen.
Ein Fräsmesser 92 reicht von der Außenkante eines jeden Armes nach außen und weist
eine Schneidkante 94 und eine Schneidspitze 96 auf. Die Innenkante eines jeden Armes
bildet auf Grund ihrer Form eine Nockenfläche 98. Das untere Ende jedes Armes ist
eingeschnitten, wodurch ein einteilig mit dem Arm ausgebildeter Vorsprung
100 gebildet wird.
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Jeder Werkzeugarm ist in seinen Längsschlitz so eingepaßt, daß trotz
der Beweglichkeit nur eine geringe Menge des Strömungsmittels von dem unteren Kanal
24 nach der Außenseite des rohrförmigen Körpers herausleckt, selbst bei Fehlen irgendeiner
Dichtung. Ein Armanschlag 102 ist in einer Ausnehmung 104 an der Außenfläche
des rohrförmigen Körpers so angeordnet, daß er mit dem Vorsprung 100 des
betreffenden Armes in Eingriff tritt und die radial auswärts gerichtete Bewegung
des Armes beschränkt. Der Anschlag 102 ist an dem rohrförmigen Körper durch Schraubene
108 befestigt.
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Die F i g. 1 und 1 a zeigen den Fräser nach der Erfindung in einer
Stellung, in der die Feder 61 die Kolbenanordnung derart vorspannt, daß die Oberseite
des Nockens 62 gegen die Schulter 28 des rohrförmigen Körpers stößt. Nocken 62 ist
nicht im Eingriff mit den Nockenflächen 98 auf den Fräserarmen, die zurückgezogen
und mit dem Fräsmesser im wesentlichen innerhalb des äußeren Umfanges des rohrförmigen
Körpers liegen. In dieser Stellung der Kolbenanordnung ist die Länge des zylindrischen
Schaftes 41 des Stempels derart, daß sie innerhalb des Mündungskanals in dessen
unteren engeren Abschnitt eingreift.
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Beim Einfahren des Fräswerkzeuges durch die Verrohrung wird kein Strömungsmitteldruck
ausgeübt; die Teile des Werkzeuges bleiben in der in F i g. 1 und 1 a gezeigten
Stellung. Sobald die vorgesehene Teufe erreicht ist, wird ein Strömungsmiteldruck
durch Pumpen an der Oberfläche ausgeübt, die ein Strömungsmittel, z. B. Gas, Wasser
oder Spülung, durch das Bohrgestänge und in den Kanal 18 des oberen Anschlußstückes
pumpen. Das eingepumpte Strömungsmittel geht dann durch die Öffnungen 46 der Durchflußsteuerungsvorrichtung,
den unteren Abschnitt des Kanals 20 und durch den Mündungsquerschnitt im Mündungskanal,
der durch den zylindrischen Schaft 41 des Stempels 39 begrenzt wird. Das durch den
Mündungsquerschnitt hindurchgehende Strömungsmittel fließt dann nacheinander durch
die Bohrung 66 der Kolbenanordnung, den unteren Kanal 24 des rohrförmigen Körpers
und verläßt das Fräswerkzeug durch das offene Bodenende. Der Mündungsquerschnitt
zwischen dem zylindrischen Schaft und dem Mündungskanal erzeugt eine Strömungsdrosselung,
welche zu einem Druckunterschied zwischen der Oberseite und dem Boden der Kolbenanordnung
48 führt. Dieser Druckunterschied erzeugt eine abwärts gerichtete Bewegung der Kolbenanordnung,
wie nachfolgend im einzelnen beschrieben wird. F i g. 2 und 2 a zeigen das Fräswerkzeug
nach F i g. 1 in der Stellung, in der die Messerarme eine voll ausgeschwenkte Stellung
erreicht haben. Die Bestandteile der in F i g. 2 und 2 a gezeigten Vorrichtung sind
mit denen identisch, die mit Bezug auf die F i g. 1 und 1 a beschrieben worden sind.
Zur Bezeichnung dieser Teile werden daher die gleichen Bezugszeichen benutzt.
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Durch Pumpen des Strömungsmittels von der Oberfläche wird, wie beschrieben,
ein Druckdifferential aufgebaut, welches die Kolbenanordnung 48 gegen den Widerstand
der Feder 61 nach unten bewegt. Die Abwärtsbewegung der Kolbenanordnung bringt den
Nocken 62 in Eingriff mit den Nockenflächen 98 der Messerarme. Dadurch werden die
Messerarme radial auswärts von dem Werkzeugkörper wegbewegt und treten mit der Verrohrung
zum Schneiden und Fräsen in Eingriff. In der in F i g. 2 a gezeigten Stellung sind
die Arme voll ausgestreckt und haben die Verrohrung durchschnitten. Eine Drehung
des Bohrwerkzeuges führt zu einer Fräsbearbeitung der Verrohrung. In der in F i
g. 2 a dargestellten Lage sind die Messerarme in ihre äußerste radial auswärst gelegene
Stellung geschwenkt worden und berühren die Anschläge 102, welche eine weitere Auswärtsbewegung
begrenzen.
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Die Abwärtsbewegung der Kolbenanordnung einschließlich der Mündungsanordnung
führt dazu, daß der stationäre zylindrische Schaft des Stempels 39 aus dem unteren
Abschnitt des Mündungskanals herausgezogen wird. Das Ende des zylindrischen Schaftes
erreicht eine Stellung in dem Abschnitt des Mündungskanals, der einen vergrößerten
Durchmesser aufweist (s. F i g. 2). Der Mündungsquerschnitt, der von dem ringförmigen
Raum in der neuen Stellung des zylindrischen Schaftes in dem Mündungsglied gebildet
wird, ist so vergrößert, daß ein größeres Strömungsmittelvolumen durch den Mündungsquerschnitt
hindurchgeht. Dadurch tritt eine Abnahme des Gegendruckes des Strömungsmittels ein.
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Der Abschnitt des Mündungskanals mit verringertem Querschnitt hat
mit Bezug auf die Länge des zylindrischen Schaftes eine solche Länge, daß das untere
Ende des zylindrischen Schaftes sich innerhalb des Abschnittes des Mündungskanals
mit vergrößertem Durchmesser .zu der Zeit befindet, wenn die Messerarme die in F
i g. 2 a dargestellte voll ausgestreckte Lage eingnommen haben. Die Verringerung
des Gegendruckes, welche von der Lageänderung des zylindrischen Schaftes 41 innerhalb
des Mündungskanals nach Übergang von der Lage nach F i g. 1 in die nach F i g. 2
herrührt, wird an der Oberfläche verzeichnet und ist damit ein Signal, daß die Arme
ihre voll ausgestreckte Lage erreicht haben.
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Für die Anwendung auf Frässchneider besteht ein besonderer Vorzug
der Erfindung darin, daß ein größeres Strömungsmittelvolumen für die Entfernung
der Schneidspäne zu der Zeit zur Verfügung steht, wenn das Fräsen der Verrohrung
beginnt. Während das Schneiden des Gehäuses in seitlicher Richtung vor sich geht,
ergibt sich ein höheres Druckdifferential an der Kolbenanordnung zusammen mit einem
geringeren Strömungsmittelfluß durch den Mündungsquerschnitt. Wenn das seitliche
Schneiden der Verrohrung abgeschlossen ist und das Abwärtsfräsen beginnt, fließt
ein größeres Volumen an
Strömungsmittel durch den Mündungsquerschnitt,
so daß sich eine beträchtliche Abnahme des Gegendruckes ergibt.
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Ein weiteres Merkmal der in den Zeichnungen dargestellten Vorrichtung
nach der Erfindung liegt in der Verwendung einer Abplattung 106 auf jedem Messerarm.
Die Länge der Abplattung steht in Beziehung zu der Länge des Mündungskanals mit
dem vergrößerten Durchmesser. Wenn eine Schwankung im Pumpendruck dazu führt, daß
der Nocken 62 von der Abplattung freikommt, und wenn der Nocken angehoben wird und
mit der Nockenfläche 98 in Eingriff tritt, ist die Mündungsanordnung in voll gedrosselter
Stellung. In dieser Stellung befindet sich der zylindrische Schaft 41 des Stempels
in dem unteren Abschnitt des Mündungskanals, und es besteht ein hohes Druckdifferential.
Dieses Merkmal ist deshalb vorteilhaft, da sich dadurch eine korrigierende Wirkung
auf Schwankungen im Pumpendruck ergibt, so daß die Arme in ihrer voll ausgestreckten
Stellung gehalten werden.
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In Abwandlung der dargestellten Vorrichtung kann ein besonderer Mündungsbereich
vorgesehen werden, gegenüber welchem ein umgekehrter Stempel einschließlich eines
zylindrischen Schaftes durch Befestigung an der Kolbenanordnung bewegbar ist.