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Bohrlochpreventer Die Erfindung betrifft einen Bohrlochpreventer,
dessen feststehendes Gehäuse axial aufeinander ausgerichtete, gegenüberliegende
öffnungen zum Durchführen der Bohrwerkzeuge aufweist und eine elastische Dichtung
enthält, die um eine mittlere öffnung herum angeordnet und durch axial aufwärts
gerichtete Kräfte, die an geneigten Flächen umgelenkt werden, radial nach innen
in eine Schließstellung bewegbar ist.
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Bei einem bekannten Preventer dieser Art besteht die um die zu verschließende
öffnung herum angeordnete Dichtungsvorrichtung aus mehreren in einem elastischen
Dichtungsmaterial eingebetteten Segmenten, die zwischen festen oberen und unteren
waagerechten Flächen beim Schließvorgang radial nach innen bewegt werden. Die von
dem elastischen Dichtungsmaterial gebildeten Außenflächen der Segmente sind Teile
einer Kegelfläche und liegen an der entsprechend kegelförmig ausgebildeten Innenwand
eines Ringkolbens an, der beim Schließvorgang angehoben wird. Beim Schließvorgang
tritt also an den Kegelflächen eine Gleitbewegung zwischen dem elastischen Material
der Segmente und dem nicht elastischen Kolben auf, so daß große Reibungskräfte zu
überwinden sind und vorzeitiger Verschleiß des Dichtungsmaterials eintreten wird.
Auch die zwischen den Segmenten und der oberen waagerechten Fläche auftretenden
Reibungskräfte sind sehr erheblich, da diese Fläche senkrecht zur Bewegungsrichtung
des Kolbens angeordnet ist.
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Durch die Erfindung sollen die Reibungskräfte beim Schließen des Preventers
erheblich verringert werden, so daß dieser im Ernstfall zuverlässig und leicht betätigt
werden kann.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß eine im Gehäuse ausgebildete,
konzentrisch zur Achse liegende gekrümmte Innenfläche, die im wesentlichen
die Form eines Kugelabschnittes hat und mit an der Dichtung vorgesehenen äußeren
gekrümmten Führungsstücken zusarnmenwirkt, die die Cye , krümmte Innenfläche
des Gehäuses zur übersetzung der axial gerichteten Kraft in eine rollende Einwärtsbewegung
der Dichtung gleitend berühren.
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Bei der Erfindung tritt also an die Stelle des bisher üblichen Abgleitens
auf einer im Schnitt geraden, geneigten Linie ein Abrollen der Dichtungsvorrichtung
auf einer im Schnitt gekrümmten Linie. Dies wird mit Hilfe der gekrümmten Führungsstücke
erreicht, die zwar selbst noch auf der gekrümmten Fläche gleiten, jedoch ein Entlanggleiten
der eigentlichen Dichtung auf der gekrümmten Innenfläche verhindern. In den Zeichnungen
zeigt F i g. 1 eine schematische Darstellung einer für das Bohren auf offener
See einzusetzenden Bohranlage, für die der Preventer nach der Erfindung verwendet
werden kann, F i g. 2 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform in der
geöffneten, nicht dichtenden Stellung und mit einem durch den Preventer hindurchgehenden
Bohrgestänge, F i g. 3 einen Querschnitt entlang der Ebene III-111 der F
i g. 2, F i g. 4 einen Längsschnitt der Vorrichtung nach F i
g. 2 in Dichtungsstellung bei eingefahrenem Bohrgestänge, F i g. 5
einen Längsschnitt einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung, bei welcher die
Dichtung in eine Mehrzahl von Abschnitten unterteilt ist und die in einer vollständig
geschlossenen und abgedichteten Stellung ohne Bohrgestänge dargestellt ist, F i
g. 6 einen Schnitt entlang der Linie VI-VI der F i g. 4 zur Darstellung
der Dichtungsstellung mit eingefahrenem Bohrgestänge, F i g. 7 einen Schnitt
entlang der Linie VII-VII der F i g. 5 zur Darstellung der anderen Ausführungsform
der Vorrichtung in Dichtungsstellung ohne Bohrgestänge. .
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F i g. 1 zeigt beispielsweise einen Preventer 10
nach
der vorliegenden Erfindung im Einsatz bei einer auf offenem Meer arbeitenden Bohranlage.
Der Preventer 10 nach der Erfindung kann jedoch auch für andere Bohranlagen
verwendet werden, unabhängig davon, ob sie unter Wasser arbeiten oder nicht.
Der
in F i 2 dargestellte Preventer 10 ist eine bevorzugte Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung und weist ein Metallgehäuse 11 auf, das aus einem
oberen Teil 12 und einem unteren Teil 13 besteht, die durch einen Einspannring
14 abnehmbar aneinander befestigt sind. Die Bolzen 14a können aus dem Ring 14 und
den Gehäuseteilen 12 und 13
entfernt werden, so daß das Gehäuse auseinandergenommen
und die darin befindlichen Dichtungselemente, falls erforderlich, ersetzt werden
können. Das Gehäuse 11 wird in einer Bohranlage, meistens unmittelbar über
dem Bohrloch, angeordnet. In dem oberen Abschnitt 12 und dem unteren Abschnitt
13
des Gehäuses 11 sind axial in Flucht lieaende öffnungen
15 und 16 vorgesehen, durch die hindurch ein Bohrwerkzeug oder Bohrgestänge
17 geführt werden kann, das axial in dem Gehäuse bewegbar ist. Das Gehäuse
11 weist vorzugsweise in seinem oberen Abschnitt 12 eine vergrößerte zylindrische
Bohrung 18 und eine gekrümmte Innenfläche 19 auf, die mit einem kugelflächenförmigen
Abschnitt versehen ist, der von der Öffnung 15 zur Bohrung 18 führt.
Die öffnung 15 und die obere Kante der gekrümmten Innenfläche 19 treffen
an einer ringförmigen Kante 20 in dem Gehäuse 11 aufeinander.
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- Eine elastische Dichtung 21 ist in der vergrößerten zylindrischen
Bohrung 18 angeordnet - und kann wahlweise zwischen einer nicht dichtenden
Stellung (s. F i g. 2 und 3) und einer Dichtungsstellung hin-und herbewegt
werden, bei welcher entweder nach F i g. 4 und 6 das Bohrgestänge
17 eingefahren ist oder nach F i g. 5 und 7 das Bohrgestänge
17 gezogen ist.
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Die Dichtung 21 kann aus einem geschlossenen Ring aus elastischem
Material, wie z. B. natürlichem oder synthetischem Kautschuk, bestehen. Synthetisches
Gummi mit einer Shore-Härte zwischen 50
bis 80 ist besonders gut für
eine derartige Dichtung geeignet. Die ringförmige elastische Dichtung 21 in den
F i g. 2, 3 und 4, 6 weist eine Innenbohrung 22 und eine Außenfläche
23 auf. In der gewöhnlichen, nicht dichtenden Stellung nach F i
g. 2 und 3 ist der Durchmesser der Innenbohrung 22 der Dichtung 21
angenähert gleich dem Durchmesser der öffnungen 15 und 16. Die Dichtung
21 wirkt mit der gekrümmten Innenfläche 19 des Gehäuses 11
zusammen, um zwischen einer dichtenden und einer nicht dichtenden Stellung
hin- und herbewegt zu werden. Mit der gekrümmten, inneren Gehäusefläche
19 und der Dichtung 21 arbeitet eine Übersetzungsvorrichtung zusammen, welche
eine axiale Bewegung oder einen Druck auf die Dichtung in eine einwärts gerichtete
Wälz- oder rollende Bewegung umsetzt, -so daß die ringförmige Dichtung 21 an der
öffnung 15 ein Höchstmaß an einwärts gerichteter Dichtungsbewegung erreicht.
Diese Übersetzungsvorrichtung kann eine Mehrzahl gekrünnnter metallischer Führungsstücke
24 enthalten, die mit der Außenfläche 23 der Dichtung 11 verbunden
sind.
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Jedes metallische Führungsstück 24 ist einteilig mit einem einwärts
vorspringenden Flansch 25 ausgebildet, in welchem Öffnungen 25 a vorgesehen
sind. Die äußeren gekrümmten Flächen eines jeden Führungsstückes 24 entsprechen
in ihrer Form im wesentlichen der gekrümmten Innenfläche 19 des Gehäuses
11. Vorzugsweise sind die Dichtung 21 und die damit verbundenen Führungsstücke
24 als Einheit hergestellt und in dem Gehäuse 11 angeordnet. Im Falle der
Abnutzung kann die ganze aus der ringförmigen Dichtung 21 und den Führungsstücken
24 bestehende Einheit durch eine andere, gleiche Einheit ersetzt werden. Die Führungsstücke
24 sind in der nicht dichtenden Stellung mit Abstand voneinander angeordnet und
werden aufeinander zu bewegt, wenn die Dichtung 21 in die in F i g. 6 und
7 gezeigte Dichtungsstellung bewegt wird.
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Als Betätigungsmittel für die Dichtung dient ein Ringkolben
27, der axial in dem Gehäuse 11 angeordnet ist und eine Innenbohrung
27 a aufweist, die im wesentlichen den gleichen Durchmesser wie die Öffnungen
15 und 16 hat. Die Bewegung des Kolbens kann von einer entfernten
Stelle aus gesteuert werden.
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Der Kolben 27 ist mit einer Ringwand 28 versehen, die
eine mit der Dichtung 21 in Berührung stehende Fläche 28a und eine den Kolben in
der nicht dichtenden Stellung abstützende Anschlagfläche 28 b aufweist.
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Ein in dem Gehäuse 11 vorgesehener Ring 29 dient als
Gleitfährung für den Kolben 27. Der Ring 29
trennt die Bohrung
18 von einer Kammer 30 im unteren Gehäuseteil 13. Der Ring
29 weist eine untere Anschlagfläche 29 a und eine obere Anschlagfläche
29 b auf, die mit der Fläche 28 b in Eingriff treten kann.
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Ein Anschlagflansch 31 ist am Ende des Kolbens 27 vorgesehen
und weist eine Anschlagfläche 31a auf, die mit der unteren Anschlagfläche 29a des
Ringes 29 zur Begrenzung der Kolbenbewegung in Eingriff treten kann.
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Geeignete O-Ringe oder andere zum Abdichten gegen Strömungsmittel
geeignete Vorrichtungen 32
sind auf dem Kolben 27, dem Ring
29 und dem Flansch 31 angeordnet.
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Eine Eintrittsöffnung 33 für das den Kolben betätigende Strömungsmittel
führt durch den unteren Gehäuseabschnitt 13 und den Ring 29 hindurch
und mündet an der oberen Anschlagfläche 29b in die vergrößerte Bohrung
18. Eine Rückströraöffnung 34 kann ebenfalls in dem unteren Gehäuseabschnitt
13
und dem Ring 29 vorgesehen sein und mündet an der unteren Anschlagfläche
29 a in die Kammer 30.
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Der Kolben 27 und die Dichtung 21 können auf verschiedene Weise
bewegungsschlüssig verbunden sein. Nach F i g. 2 und 4 ist ein ringförmiger
Verbindungsring 35 in die Dichtung 21 während der Herstellung eingeformt,
der eine innere, mit Gewinde versehene Fläche 35a aufweist. Der obere Abschnitt
des Kolbens 27 ist mit einem Gewindeabschnitt versehen, der von der Gewindefläche
35a des Verbindungsringes 35 aufgenommen wird. Der Verbindungsring
35 ist vorzugsweise in der Dichtung 21 über den unteren Enden der Führungsstücke
24 und in Berührung mit diesen angeordnet. Die hier beschriebene Verbindungsvorrichtung
stellt eine bevorzugte Ausführungsform dar; andere Möglichkeiten der Verbindung
des Kolbens 27 mit der Dichtung 21 sind denkbar.
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Wenn der Kolben27 aufwärts in die Dichtungsstellung bewegt wird, berührt
er nur den unteren Ab-
schnitt der Dichtung21 und tritt nicht unmittelbar
mit den Führungsstücken 24 in Eingriff.
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F i g. 5 und 7 zeigen eine abgewandelte Ausführungsform
des Bohrlochpreventers nach der Erfindung. Diese Ausführungsform weicht von der
Vorrichtung 10 nach den F i g. 1 bis 4 und 6 hauptsächlieh
in
der Ausführung der Verbindung zwischen dem oberen und dem unteren Gehäuseabschnitt12
und 13 und der Dichtung 21'ab. Gleiche Teile in der Vorrichtung
10' in F i g. 5 und 7 sind mit den gleichen Bezugszeichen wie
in der Beschreibung der Vorrichtung 10 nach den F i g. 1 bis 4 und
6 bezeichnet worden. Abgewandelte Elemente der Vorrichtung 10' in
den F i g. 5 und 7 werden mit den gleichen Bezugsziffern wie in der
F i g. 1 bis 4 und 6
unter zusätzlicher Verwendung eines Apostrophs
bezeichnet.
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Das Gehäuse 11' besteht aus einem oberen Gehäuseabschnitt 12'
und einem unteren Gehäuseabschnitt U', die miteinander verschraubt sind.
Zum Auswechseln oder Ersetzen der Dichtung 21' lassen sich der obere und der untere
Gehäuseabschnitt 12' und 13' leicht voneinander trennen.
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Die Dichtung 21' gleicht im wesentlichen der Dichtung 21. Wie am besten
F i g. 7 zeigt, weist sie jedoch eine Mehrzahl von Abschnitten 2la' und 21b'
auf und besteht demnach nicht aus einem einzigen geschlossenen Dichtungsring. Die
Führungsstücke 24 sind ebenfalls vorzugsweise in jeden der elastischen Abschnitte
21 a' und 21 b' eingeformt.
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Eine unterteile Dichtung 21', die aus einer Mehrzahl von Sektoren
besteht, weist gegen-über einem geschlossenen Dichtungring verschiedene Vorzüge
auf. Falls die Dichtung ersetzt werden muß, obwohl das Bohrgestänge nicht aus dem
Bohrloch herausgezogen werden kann, kann eine unterteilte Dichtung 21' um das Bohrgestänge
herum angeordnet und in das Gehäuse 11' eingesetzt werden. Die Gruppe der
Dichtungssektoren 21 a' und 21 b' ermöglichen, falls sie durch den Kolben
27 in die Dichtungsstellung bewegt werden, die gleiche Dichtungswirkung wie
der geschlossene Dichtungsring 21.
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Die Betätigung der erfindungsgemäßen Bohrlochpreventer 10 und
10' erfolgt durch Druckluft oder unter Druck stehendes Strömungsmittel, das
in die Öffnung 33 eingeführt wird und die Fläche 28 b der Kolbenwand
28 beaufschlagt. Der Kolben 27 wird dadurch axial zur gewölbten Innenfläche
19 des Gehäuses 11 hin bewegt, wodurch ein axial gerichteter Druck
auf die elastische Dichtungsvorrichtung 21 bzw. 21' ausgeübt wird. Die ganze Masse
des elastischen Materials der Dichtungen 21 bzw. 21' wird dadurch aufwärts verschoben,
so daß die Führungsstücke 24 mit der gewölbten Innenfläche des Gehäuses gleitend
in Berührung kommen. Die Führungsstücke 24 bewegen sich an der inneren Gehäusefläche
19 aufwärts und einwärts und übersetzen die axiale Bewegung der Dichtungen
21 bzw. 21' in eine einWärts gerichtete Abwälzbewegung, welche die Dichtungen 21
bzw. 21' in ihre Dichtungsstellungen zwingt.
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Falls die Dichtung in die in F i g. 2 und 3 dargestellte
nicht dichtende Stellung zurückbewegt werden soll, wird unter Druck stehendes Strömungsmittel
durch die Öffnung 34 in die Kammer 30 eingeführt und beaufschlagt die Fläche
31 a des Anschlagflansches, um den Kolben 27 abwärts zu drücken.
Die Öffnung 33 dient dann als Abflußöffnung. Der Preventer 10 bzw.
10' kann demnach ein Bohrloch vollständig abdichten, und zwar mit eingefahrenem
Bohrgestänge 17 oder auch ohne Bohrgestänge. Das Gleiten von Metall auf Metall
zwischen den Führungsstücken 24 und der gewölbten inneren Gehäusefläche
19 übersetzt die axial gerichtete, auf die Dichtungen 21 bzw. 21' ausgeübte
Kraft in eine einwärts gerichtete Wälzbewegung und ermöglicht eine gleichförmige
und zwangläufige übersetzungswirkung. Die Verstärkungswirkung der gebogenen, aus
Metall bestehenden Führungsstücke sorgt für eine größtmögliche Dichtungsfläche unmittelbar
an der das Bohrwerkzeug aufnehmenden Öffnung 15. Bei Abnutzung der Dichtung
21 bzw. 21' wird das innerhalb dieser Vorrichtung befindliche Material auf Grund
der Schmiegsamkeit und der elastischen Eigenschaften einwärts in die Dichtungsstellung
gedrückt. Zusätzlich trägt der nicht metallische Kontakt zwischen dem Kolben
27 und den Führungsstücken dazu bei, das elastische Material der Dichtung
21 bzw. 21" ständig auch bei Abnutzung in die Dichtungsstellung zu drücken.
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Falls außerdem der Druck in dem Bohrloch ansteigt, führt dieser Druckanstieg
zu einer weiteren Betätigung des Kolbens 27 und sorgt für einen zusätzlichen
Druck auf die elastische Dichtung 21 bzw. 21'. Dadurch ergibt sich eine mit Eigendruck
betätigte Vorrichtung, falls ausreichender Druck in dem Bohrloch entwickelt wird.
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Die Dichtung 21 bzw. 21' wird demnach zwischen der dichtenden und
der nicht dichtenden Stellung mit geringstmöglichem Ausmaß an Reibungsberührung
mit den Gehäuseflächen betätigt und daher auch mit geringstmöglicher Abnutzung.
Die Lebensdauer des Dichtungselementes wird dadurch erheblich verlängert, so daß
nur in größeren Zwischenräumen ein Ersatz erforderlich ist. Die Wälzbewegung der
Dichtungsvorrichtung während der Bewegung zwischen der dichtenden und der nicht
dichtenden Stellung fährt zu einer neuartigen Dichtungswirkung, die zuverlässiger
und zwangläufiger ist als bei den bisher benutzten Dichtungen der bekannten Preventer.
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Der Preventer nach der ErfIndung kann Bohrlöcher mit eingefahrenem
Bohrgestänge abdichten, deren Durchmesser zwischen Null und dem Durchmesser der
das Bohrwerkzeug aufnehmenden öffnungen liegen kann. Ebenso können verschieden geformte
längliche Bohrwerkzeuge abgedichtet werden, einschließlich Kelly-Stangen mit quadratischem
oder mehreckigem Querschnitt.