DE2021888A1

DE2021888A1 - Stossvorrichtung

Info

Publication number: DE2021888A1
Application number: DE19702021888
Authority: DE
Inventors: Crowe Talmadge Layne; Chenoweth David Victor
Original assignee: Baker Oil Tools Inc
Current assignee: Baker Hughes Oilfield Operations LLC
Priority date: 1969-05-09
Filing date: 1970-05-05
Publication date: 1971-04-29
Also published as: FR2042504A1; FR2042504B1; US3568783A; GB1248895A

Description

PATENTANWÄLTE

DlPL-INS, DR. IUR. DIPL.-IN6.

VOLKER BUSSE DIETRICH BUSSE

45 OSNABROGK den 4. Mai 1970

MDSERSTRASSE2O/24 DB/Kä 202188'

Baker Oil Tools, Inc.

7400 East Slauson Avenue, City of Commerce \

California 90022₃ USA

Stoßvorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stoßvorrichtung, insbesondere zur Verwendung beim Bohren von öl, Gas₉ Wasser und ähnlichen Bohrvorhaben.

Beim Bohren von Bohrbrunnen ist es bekannt, sum Durchdringen harter Formationen Stoßwerkzeuge zu verwenden. Stöße oder Schläge ermöglichen es, auf den Bohrer und damit auf die au durchbohrende harte Formation genügend Kraft auszuüben, am bei einem Minimum an Bohrgestängegewicht bzw, -druck die Formation aufzubrechen. üblicherweise ist der Bohrer direkt oder indirekt mit dem aus Ober- und Untergestänge bestehenden Bohrgestänge verbunden. Da es erwünscht ist, das Bohrgestänge ständig unter Spannung zu halten, wird dieses gewöhnlich nur 'genügend-'ent-.

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spannt, um das verhältnismäßig steife Untergestänge zu veranlassen j eine geeignete Kraft oder Gewicht auf dea Bohre!? saisznüoen. Herkömmliches Bohren kann bei harten Formationen Bolirgewichtein der Größenordnung von 3600 bis 4500 kg pro Zoll Botirerdurchmesser erfordern. So kann beispielsweise beim Bohren eines 9-5/8 Zoll Loelies das auf den Bohrer aufgebrachte Bohrgewicht bei etwa 40 000 kg liegen. Zar Erreichung optimaler Durchdringungsgeschwindigkeiten sind solche Bohrgewichte zu hoch, da hierbei Deviatlonstendensen auftreten. Bei Bohrungen mit einem Stoßboiirer wird das Ausmaß von Deviationen beträchtlich verringert oder diese sogar völlig vermieden, da das Bohrgewicht mehr oder weniger von den erzeugten dynamischen Kräften ersetzt wird. Demzufolge braucht das Untergestänge (collars) und darüber befindliche Obergestänge-nicht unter Druck gesetzt su Werdens sondern kann im wesentlichen voll unter Spannung gehalten werden _s woraus Insgesamt das Bohren eines geraden Loehes resultiert.

Pneumatische Hämmer oder Stoßbohrer sijid zwar la Handel erhältlich j, jedoch können nicht viele Bohrbrunnen isit Luft cc Gas Wirtschaftlieh gebohrt werden» BIe Schwierigkeiten fc sowohl auf dem Eindringen von Wasser als auefe aiii? a®äe Faktoren ο Versuche _s einen hydraulischen StoSbslfePes? %u enteil eks In _s siüd gescheitert.

Di® Erfindung sieht nun ®±ns mediiimb©tätigte StcS^o^pI die verhältnismäßig einfach Im Aufbai£_s blllg Ilq tlsi? ils^sfcallaan

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relativ leicht zu bedienen ist und eine verhältnismäßig lange

Lebensdauer hat. Die Vorrichtung nach der Erfindung kann allge-. ■.

mein zur Erteilung von Stoß-en oder Schlägen Verwendung finden _s '·■

ist jedoch in der in der vorliegenden Anmeldung speziell offen- j

barten Ausführung zur Verwendung beim Bohren von Bohrbrunnen - 1

bzw. Bohrlöchern ausgebildet, · j

Die Stoßvorrichtung nach der Erfindung ist in erster Linie gekennzeichnet durch ein von einem Medium durchströmbares Gehäuse | mit einem mit einem Mediuneinlaß und einem -auslaß versehenen

Stoßdurchlaßa ein mit dem StoMurchlaß in Verbindung stehendes _;

und auf den Druck des Mediums in dem Stoßdurchlaß ansprechendes =

Stoßglied und ein im Strompfad des den Stoßdurchlaß durch- ]

strömenden Mediums vorgesehenes Schaltventil., das durch das in .

dem Stoßdurchlaß strömende Medium in eine den Auslaß schließende \

Stellung bewegbar ist und in dem im Stoßdurchlaß befindlichen i

Medium eine Überdruckimpulswelle erzeugt, welche das Stoßglied |

gegen ein Gegenglied schlägt. ' j λ

Schaltet man eine solche Vorrichtung in ein Bohrzeug mit einem
Bohrgestänge und einem Bohrer ein₃ so kann das die Vorrichtung ■

durchströmende, durch das Bohrgestänge nach unten gepumpte Medium'

j das Stoßglied betätigen ₃ welches seine Stoßkraft dem Bohrer mit- ; teilt. Die Hin- und Herbewegung des Stoßgliedes und die von ; diesem entwickelte kinetische Energie für die Stöße wird von dem I

, I

Medium abgeleitet _s das nach unten durch das Bohrgestänge und die j

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Stoßvorrichtung zirkuliert, durch den Bohrer austritt, um diesen .

in einem sauberen und kühlen Zustand zu halten, sich mit dem i

i Bofarmehl bzw. Gestansbrueh vermischt und mit diesem nach oben um ; die Stoßvorrichtung und das Bohrgestänge herum an die Oberfläche des Bolirforumiens strömt. Da die ausgeübten Stöße recht erheblieh SiEd₉ braucht nur ein Minimum an Bohrgewicht von dem Bohrge- ι sMoge auf den Bohrer aufgebracht zu werden. Das Ergebnis ist die \

j Erhaltung der Spannung im Bohrgestänge und ein Bohren eines ge- ■ rsaen oder vertikalen Bohrloches. Die erf order Ii ehe, in kinetische!

j Energie für das Stoßglied umgewandelte Kraft entsteht als Folge j

eines plötzlichen Anhaltens des durch ein Stoßrohr strömenden j

i Mediusis, Dieses Anhalten der Strömung ruft einen hohen überdruckxEipuls hervor, der das Stoßglied gegen einen mit dem Bohrer verbundenen Amboß oder dgl. treibt. Das Stoßglied oder der Hammer wird angehoben und äußerst schnell ho enge führt,, ohne daß ein Drehen des Bohrgestänges erforderlieh ist«, und swar allein dactarctis daß das Bohrmedium bzw. die Spülflüssigkeit, z.B. Bohrsehlaaim," nach unten durch das Bohrgestänge und die Stoßvorrichtung gepumpt wird. Das drehbare Bohrgestänge kann während des Stoßens rotieren _s so daB. die gesamte Sohle des Bohrloches sowohl als Folge des Brehens öes Bohrgestänges, der Stoßvorrichtung und des Bohrers als auch als Folge der ziemlich schnellen Stoß™ ocer Hammerseliläge auf die Schneidwerkzeuge des Bohrers von dessen Schneidwerkzeugen bestrichen

Ferner kann Medium durch das Bohrgestänge und die Stoßvorrichtung zirkulieren, ohne daß Stöße erzeugt werden. Somit kann eine un-

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gehinderte Zirkulation durch das Bohrgestänge und die Stoßvorrichtung aufgebaut werden, bis ein Stoßen erforderlich, wird. Außerdem kann sich das Bohrgestänge mit dem Medium füllen, während die Stoßvorrichtung in diesem verhältnismäßig unbehindert abgesenkt wird. Während des Hochziehens des Bohrgestänges und der Stoßvorrichtung durch den in dem Bohrbrunnen befindlichen j Bohrsehlamm oder andere Medien können sich das Bohrgestänge { und die anderen Teile frei entleeren, wodurch das Heraus-

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j ziehen des Bohrzeuges aus dem Bohrloch eine "trocksne" Ange-

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legenheit wird.

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Weitere Merkmale, Vorteile und Verwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der Beschreibung in Verbindung' mit der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel des Gegenstands der Erfindung näher veranschaulicht ist, es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise im Längsschnitt dargestellte Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Stoßvorrichtung in Verbindung mit einem Bohrgestänge und einem Bohrer bei in ein Bohrloch abgesenkter Stellung ₃

Fig. 2a, gemeinsam einen Längsschnitt durch die Stoßvorrichtung, 2b u. 2c

wobei Fig. 2b und 2c Jeweils eine untere Fortsetzung von Fig. 2a bzw. 2b bilden,

Flg. 3a den unteren Teil der Stoßvorrichtung bei entgegenge- und 3b

setzt zu der in Fig. 2b gezeigten Stellung geschaltetem Schaltventil, wobei Fig. 3b eine untere Verlängerung

der Fig. 3a bildet,
Fig. 4 ' einen vergrößerten Teillängsschnitt eines der Schalt-

Ventile in der in Fig. 2b gezeigten Stellung und Fig. 5 einen Querschnitt nach Linie 5-5 in ^Ig. 2b.

Die in des? Zeichnung dargestellte Stoß- oder Schlagvorrichtung A kann mit einem Rohrgestänge P sowie mit einem Bohrer B in Zahnrollenbauart verbunden sein. Die Bohrereinheit ist In einem Bohrloch ¥ angeordnet. Der Bohrer wirkt infolge Rotierens des Bohrgestänges P und der Stoßvorrichtung ä bei gleichseitig dem Bohrer äußerst sohneil angeführten haraiierartlgen Schlagen auf die

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Formation an derBohrsohle C des Bohrloches ein.

Die Stoßvorrichtung umfaßt einen unteren Amboß 10 mit einem mit Gewinde versehenen Gehäuse 11, in das der Bolzen 12 des die Schneidrollen 13 aufweisenden Bohrers eingeschraubt ist. Der Bohrer hat in bekannter,nicht dargestellter Weise Zirkulationsöffnungen oder Düsen zum Zuführen von Bohrschlamm oder anderen Medien nach unten zur Bohrsohle oder zu den Schneidwerkzeugen, oder zu beiden* um die Sehneidwerkzeuge zu reinigen und zu kühlen und das den Bohrer, die Stoßvorrichtung und das Bohrgestänge umgebende Bohrmehlj ßebirgsmasse etc. an die Oberfläche zu spülen. Das Bohrgestänge erstreckt sieh in bekannter Weise aufwärts zum Drehgerüst und seine (nicht dargestellte) Mitnehmerstange durch einen (nicht dargestellten) Drehtisch hindurch, der sie in der gewünschten Geschwindigkeit in Umlauf versetzt.

Der Amboß 10 umgreift teleskopisch den unteren Teil 14 des langgestreckten Hauptgehäuses 15 der Stoßvorrichtung. Das Drehmoment vom Sehäuse 15 auf den Amboß 10 wird durch eine zwischen diesen vorgesehene Nut-Feder-Verbindung übertragen. Das dargesteilte Beispiel zeigt am Gehäuse 15 befestigte und entsprechend in Längsrichtung in Innennuten 17 im Amboß gleitende Federn 16. Das untere Ende 18 des Gehäuses 15 kann unmittelbar oberhalb des Gewindebereiches 11 mit einer nach oben gerichteten Anschlagschulter 19 am Amboß in Eingriff kommen. Der Amboß und der Bohrer können sich aufgrund des? Hut-Feder-Verbindung relativ

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zum Gehäuse 15 in einem Umfang absenken, der durch einen Ein-

i griff der Federn 16 am unteren Ende 20 eines Bypass-Schiebe- | ventils 21 begrenzt ist, das am oberen Ende des Ambosses 10 angeschraubt ist. Das Schiebeventil 21 erstreckt sich nach oben und kann die Bypass-Öffnungen 22 schließen, die sich vom Außen- \

umfang des Gehäuses 15 zu einem in diesem vorgesehenen zentralen j Durchlaskanal 23 erstrecken, der mit einem nicht dargestellten zentralen Durchlaß im Bohrer in Verbindung steht. ^:

Bei Bewegung des Bohrers B und des Ambosses 10 in eine untere Stellung, in der das untere Ende 20 des Sehiebeventils 21nit den Federn ±6 in Eingriff gelangt _f liegt das obere Ende 24 des | Schiebers unterhalb der Bypass-Öffnungen 22. Die dabei freige- ι gebenen öffnungen 22 ermöglichen eine durch sie hindurch er- : folgende Zirkulation. An dem Gehäuse 15 sind oberhalb der i Bypass-Öffnungen eine oder mehrere mit der Innenseite des Sehiebeventils 21 in Eingriff stehende Dichtungen 25 vorgesehen. Das Schiebeventil weist an seinem Umfang eine Dichtung 26 aufj die gleitend in Dichteingriff mit der Innenfläche 27 einer Hamraer™ oder Stoßbüchse 28 steht, die das Gehäuse 15 umgibt, entlang diesem hin- und herbeweglich ist und mit seinem unteren Hammerkopf 29 gegen eine nach oben gerichtete Stoßfläche 30 des Ambosses 10 schlägt.

Das obere Ende des Gehäuses 15 ist mit einer Verlängerung 31 verschraubt (Fig. 2a) _a die aus einem Zwischenpaßstück mit einem oberen Gewindeteil 32 besteht, der den Gewindebolzen 33 eines

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Bohrkragens oder Bohrgestängeabsehnitts 34 aufnimmt, der Teil des .Bohrgestänges P bildet. Das Gehäuse 15 der Stoßvorrichtung A weist parallele erste und zweite Durchlässe 35,36 auf, die sich vom oberen Gehäuseende nach unten zu einem Schaltventilbereich

37 der Stoßvorrichtung erstrecken, der die Strömung eines Mediums vom unteren Ende des Durchlasses 35 in den zentralen Durchlaßkanal 23 im unteren Ende des Gehäuses oder vom anderen Durchlaß % in den zentralen Durchlaßkanal 23 bestimmt. Der erste Durchlaß. 35 hat eine Seitenöffnung 38, die mit einem Ringzylinderraum 39 in Verbindung steht, der zwischen einem ringförmigen Kolbenteil 40 des Gehäuses 15 und einem darunterliegenden Zylinderkopf 41 ausgebildet ist, der Bestandteil eines Zylinderbereiches 42der Hammer- oder StoSbüehse 28 bildet. Der obere Teil dieser Büchse bildet einen Außenzylinder, der aus dem Zylinderkopf 41 und einem oberen Zylindermantel 43 besteht, dessen oberes Ende mit dem unteren Ende 44 des Zwischenpaßstücks 31 in Eingriff kommen kann, welches dessen Aufwärtsbewegung entlang des Gehäuses 15 begrenzt. Der Zylinderkopf 4l trägt einen oder mehrere Dichtungsringe 45, die unterhalb der öffnung

38 gleitend in Dichteingriff mit der ümfangsflache des Gehäuses stehen, während der Zylindermantel 43 einen oder mehrere Efchtungsringe 46 aufweist, die in Dichteingriff mit dem einen größeren Durchmesser aufweisenden Teil des Gehäuses 15 oberhalb der öffnung 38 stehen. Ein unter Druck befindliches Medium strömt von dem ersten Durchlaß 35 durch dessen Söitenöffnung 38 in den ringförmigen Zylinderraum 39 hinein und wirkt auf den

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OÖÖ

- ίο - :

Zylinderkopf 4l ein, um die Stoßbüchse 28 nach unten zu drücken

! und mit ihrem Hammerkopf 29 auf das obere Ende 30 des Ambosses

aufzuschlagen.

Eine Austrittsöffnung 47 von dem zweiten Durchlaß 36 mündet in einen Ringzylinderraum 48, den die Stoßbüchse 28 und das Gehäuse 15 unterhalb des Zylinderkopfes 41 zwischen sich begrenzen, wobei das in diesem Ringzylinderraum unter Druck stehende Medium nach oben gegen den Zylinderkopf 41 drückt, um die Stoßbüchse 28 in einem Umfang nach oben entlang des Gehäuses 15 zu bewegen, den dessen Eingriff mit dem unteren Ende 44 des Zwischenpaßstücks zuläßt.

Die Stoßvorrichtung umfaßt zwei Stoß- bzw. Rückstoßrohre 50,51, j

i die Stoßdurchlässe 52,53 bilden, die jeweils mit einem der i beiden Durchlässe 35»36 im Gehäuse 15 in Verbindung stehen. Hier-j zu ist ein mit dem ersten Durchlaß 35 in Verbindung stehendes am oberen Ende des Gehäuses 15 angeschraubtes Verbindungsstück 54 vorgesehen, das einen nach oben gerichteten Gewindeteil 55 aufweist, der zentrisch zum Zwischenpaßstück 31 angeordnet ist und an den ein Zwischenstück 56 angeschraubt ist. Dieses ist durch Schweißen oder in anderer Weise mit dem Stoßrofir 50 verbunden, das sich mittig nach oben in gewünschter Länge durch das Rohrgestänge erstreckt. Dieses innere Stoßrohr 50 kann eine geeignete Länge von z.B. 9 m (30 Fuß) haben und ist an seinem oberen Ende offen, so daß es nach unten durch das Bohrgestänge F gepumptes Medium aufnehmen kann.Der zweite Stoßdurchlaß 53 wird von dem inneren Stoßrohr 50 und dem Gestängerohr 51 selbst be-

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grenzt und steht mit dem zweiten Durchlaß 36 in Verbindung. /Seine Querschnittsfläche kann mit derjenigen des inneren Durchlasses 52 übereinstimmen oder iron diesem abweichen. Diese Ausgestaltung der Stoßrohre und -durchlässe ist einfach und billig in der Herstellung, da es unnötig ist, zwei getrennte Stoßrohre vorzusehen, von denen das eine mit dem ersten Durchlaß 35 und das andere mit dem zweiten Durchlaß 36 in Verbindung steht.

Wäre kein Schaltventil 37 vorhanden, um den Strom des Mediums von den unteren Enden der Durchlässe 35,36 zu steuern, so würde Medium lediglieh frei durch solche parallelen Durchlässe und in den zentralen Durchlaßkanal 23 des Gehäuses 15 und alsdann naeh untendurch den Bohrer B zirkulieren. Der Abwärtsstrom des Mediums durch einen Durchlaß wird jedoch plötzlich gebremst, während Medium den anderen Durchlaß durchströmt, um eine Druckstoßwelle in dem geschlossenen Durchlaß 35 oder 36 zu erreichen, die einen HochdruckimpiUls herbeiführt, welcher die öffnung 38 oder 4? passiert und auf den Zylinderkopf kl in einer Richtung einwirkt, Das öffnen des geschlossenen Durchlasses für den Eintritt des Mediumstromes und das plötzliche Schließen des anderen Durchlasses gegen den Eintritt des Mediumstromes veranlassen die Bildung einer Druckstoßwelle in dem zweiten Durchlaß, die auf den Zylinderkopf der Stoßbüchse in entgegengesetzter Richtung wirkt. Auf diese Weise wird durch abwechselndes plötzliches Sperren des Mediumstromes durch einen der beiden Durchlässe 35*3'6 eine Druckerhöhung in dem jeweiligen Durchlaß erzeugt, welche die Stoßbüchse oder den Hammer in die eine oder die andere Richtung bewegt.

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Das dargestellte Schaltventil 37 zum Steuern des Mediumstromes nach unten durch die Durchlässe 35,36 und in den darunterliegenden Strömungskanal 23 besteht aus einem Ventilpaar, um eine angemessene kombinierte Durchströmungsfläche zu schaffen.-In der Zeichnung sind obere und untere Schaltventile 37a,37b dargestellt. Ein oberes Ventilgehäuse 58 ist quer in das Hauptgehäuse 15 der Stoßvorrichtung eingeschraubt und hat einen ersten und einen zweiten Ventilsitz 59,6O₃ die entsprechend mit ersten und zweiten Ventilgliedern 61 bzw. 62 in Eingriff stehen. Diese bewegen sich quer im Ventilgehäuse hin- und her, um abwechselnd mit ihren Ventilsitzen in Eingriff zu kommen und dadurch einmal zu verhindern, daß Medium von dem einen Durchlaß in das Ventilgehäuse 58 und von dort durch dieses hindurch in den Durchflußkanal 2.3 strömt, oder andernfalls zu verhindern, daß Medium von dem anderen Durchlaß in das Ventilgehäuse und dann in den zentralen Durchflußkanal 23 strömt. Wenn ein Ventilglied mit seinem Sitz in Eingriff kommt, befindet sich das andere Ventilglied außer Eingriff von seinem Sitz, da sich,die beiden Ventilglieder gemeinsam bewegen. Hier- , zu ist zwischen den Ventilgliedern 61,62 eine Buchse 63 ange- ^: ordnet, die mit dem Ventilgehäuse einen ringförmigen Raum Gk begrenzt. Jedes Ventilglied ist durch eine in die Buchse eingeschraubte und mit ihrem Kopf gegen das Ventilglied drückende Schraube 65 an seinem Ende der Buchse festgelegt. Die Schrauben 65, die Buchse 63 und die Ventilglieder 61,62 bewegen sich als Einheit quer zum Hauptgehäuse 15 der Stoßvorrichtung und axial im oberen Ventilgehäuse 58 und werden bei dieser Bewegung durch :

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. eine Mehrzahl von am Umfang des Ventilgehäuses in gleichmäßigen ^: Abständen angeordneten Fingern 66 geführt.

[ Das untere Schaltventil 37b weist die gleichen Teile und die

^; gleiche Anordnung auf wie das obere Schaltventil. Es bildet zu diesem ein reines Duplikat. Im einzelnen kann das Medium gleichzeitig von einem Durchlaß, beispielsweise 35, zu den inneren ringförmigen Räumen 64 des oberen und des unteren Ventilgehäuses strömen, wobei das Medium von dem oberen Ventilgehäuse durch eine öffnung 67 in einen Zwischenverbindungsdurchlaß 68 in dem Gehäuse I5 der Stoßvorrichtung und von dort durch eine obere öffnung 69 in dem unteren Ventilgehäuse in dessen Inneres strömt, von wo sowohl in das obere als auch in das untere Ventilgehäuse strömende vereinigte Mediumstrom durch eine untere öffnung 70 im unteren Ventilgehäuse in den unteren Durchflußkanal 23 des Hauptgehäuses 15' der Stoßvorrichtung gelangt, der mit dem Durchlaß und den Düsen mit dem Amboß 10 verschraubten Bohrers B in Verbindung steht. Wenn sich die oberen und unteren Schaltventile 37a,37b in der den anderen Durchlaß, beispielsweise 36, öfffienden Stellung befinden, dann strömt Medium von diesem anderen Durchlaß in den ringförmigen Raum zwischen der Stoßbüchse 28 und dem Hauptgehäuse 15 und in die oberen und : unteren Ventilgehäuse, von wo es in den Durchlaßkanal 23 gelangt.'

Die Schaltventile 37 arbeiten zusammen, wobei sie durch das in ι den Durchlässen 35,36 und den Stoßrohren 50,51 unter Druck stehende Medium in eine Stellung bewegt werden, in der die

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zweiten Ventilglieder 62 mit ihren zugehörigen Ventilsitzen in Eingriff kommen, um das Einströmen von Medium aus dem Durchlaß 36 in den Durchlaßkanal 23 (Pig. 2b und 4) zu verhindern, oder in die in Fig. 3a dargestellte Stellung bewegt werden, in der das von dem Durchlaß 36 in das Ventilgehäuse strömende Medium gesperrt wird. Wenn ein Strömungsdurchlaß geschlossen ist, ist der andere offen, so daß durch das Bohrgestänge nach unten gepumptes Medium abwechselnd durch den ersten Durchlaß

35 und den zweiten Durchlaß 36, durch die Schaltventile 37 und in den unteren Durchlaßkanal 23 der Vorrichtung strömt. Wenn es durch den Durchlaß 35 hindurchströmt, ist der Durchlaß'36 geschlossen und wenn der Durchfluß durch den anderen Durchlaß

36 durch die Schaltventile 37 gesperrt ist, kann der Durchfluß durch den ersten Durchlaß 35 erfolgen.

Die U.S. Patentanmeldung Serial No. 810 536 vom 26. 3. I969 des Anmelders betreffend "Mediumstoßwellenerzeuger und Mediumpumpe" ' offenbart und beschreibt einen Überdruckimpulserzeuger für Druckmedien, der das plötzliche Sperren von einen Durchlaß durch- , strömenden Medien ausnutzt, um den Druck im Medium zu erhöhen oder zu verstärken. Bei dieser Vorrichtung ist ein Paar Stoßrohre oder -durchlässe angemessener Länge dargestellt. Das sich abwechselnde und unvermittelte Sperren des Mediumstromes durch das jeweilige Rohr erhöht den Druck des darin vorhandenen Mediums in einer Zeit von T = 2L/C, wobei T = die Zeit, L = die Länge des Stoßdurchlasses, und zwar den Abstand zwischen dem

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offenen Ende des Stoßdurchlasses und dem Schaltventil, und C = die Wellengeschwindigkeit, d.h. die Schallgeschwindigkeit durch das Medium in dem Stoßdurchlaß, bedeuten.

Unter der Annahme, daß das durch das Bohrgestänge P und die Stoßdurehlässe 52,35 und 53,36 gepumpte Medium (Pig. 2a und 2b) ein Sperren des zweiten Stoßdurchlasses 53,36 bewirkt, wird im vorliegenden Fall die Geschwindigkeitsenergie des Mediums, das nach unten durch den zweiten Durchlaß 36 strömt,in Druck umgewandelt, wobei .die Druckwelle von dem: Schaltventil 37 nach oben zu dem oberen Ende71 des zweiten Durchlasses 53 wandert. Dieses obere Ende 71 des zweiten Durchlasses 53 endet an dem ob eren Ende des inneren Stoßrohres 50. Das Andauern einer solchen Druckwelle entspricht der Zeit, welche die Welle braucht um von dem geschlossenen Schaltventil 37 durch den zweiten Stoßdurchlaß 36,53 zu dessen oberen Ende (dem oberen Ende des inneren Stoßrohres) nach oben und dannnach unten durch den Durchlaß im inneren Stoßrohr zu wandern, d.h. sie läuft über einen Zeitraum von 2L/C_t Wenn der Druckimpuls zu dem Schaltventil 37 zurückkehrt, fällt sein Druck unter denjenigen des durch das innere Stoßrohr 50 und den ersten Durchlaß 35 strömenden Mediums ab, der dann das Ventil nach rechts (Fig. 2b und 3a) umschaltet, um den ersten Durchlaß 52,35 für den Mediumstrom zu sperren und den zweiten Durchlaß 53 ■>36 für dessen Zutritt zu öffnen. Das unvermittelte Anhalten des mit einer bestimmten Geschwindigkeit durch den ersten Durchlaß strömende

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Meium erzeugt eine Drucksteigerung in dem ersten Durchlaß, wobei die Impulswelle nach -oben durch den ersten Stoßdurchlaß und das innere Stoßrohr 50 zu dem oberen Ende des letzteren und dann wieder nach unten zurückwandert. Bei Rückkehr der Impulswelle zum Schaltventil 37 hat sie einen niedrigeren Druck als der des durch den zweiten Durchlaß 53_S36 strömenden Mediums, und das Ventil wird in seine in Fig. 2b dargestellte Ausgangsstellung zurückgeschaltet. Danach wiederholt sich der ArbeitszjKLus.

Während des Zeitraumes T = 2L/C, in dem der Druckimpuls durch den zweiten Durchlaß 53₃36 wandert, steigt der in diesem, der Öffnung 4? und dem ringförmigen Raum 48 unterhalb des Zylinderkopfes zwischen der Stoßbüchse 28 und dem Gehäuse 15 vorhandene Druck an und treibt die Stoßbüchse 2 8 nach oben in die in Fig. 2b dargestellte Stellung, wobei das Medium durch das Bohrgestänge hinab durch den ersten Stoßdurchlaß 52,35 und das offene Ventil 37 in den Durchlaß 23 gepumpt wird und von diesem durch den Bohrer B in das Bohrloch W strömt. Wenn die Impulswelle in dem zweiten Durchlaß 53,36 zum Schaltventil 37 zurückkehrt und der Druck, verglichen mit demjenigen des den ersten Durchlaß 52,35 durchströmenden Mediums, einen herabgesetzten Wert aufweist, schaltet das Ventil auf die in Fig. 3 a dargestellte Stellung um, wobei der Druckimpuls in diesem Durchlaß 35 alsdann dem j Medium in der Öffnung 38 und in dem ringförmigen Raum 39 unter- j halb des Zylinderkopfes 41 mitgeteilt wird, um über den Zylinderkopf 41 die Stoßbüchse 28 nach unten zu treiben und deren unteres

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Ende 2$ gegen die obere Stoßfläche 30 des Ambosses 10 zu
schlagen. Dieser Schlag wird auf den Bohrer B und dessen
Schneidwerkzeuge 13 übertragen, damit letztere einen Schlag
gegen die Bohrsdie C des Bohrloches ausführen, der genügend starkj sein kann, um die Druckfestigkeit des Gesteins oder anderer
Formationen zur Bildung von Gesteinsbruch zu überwinden. Während des Ausführens eines derartigen Stoßes oder Hammschlages und

Schließens des ersten Durchlasses 52,35 strömt Medium nach unten ] durch den zweiten Durchlaß 53»36 und durch das Schalt- oder Pendelventil 37 in den zentralen Durchlaßkanal 23 in dem unteren Teil | des Gehäuses 15 und von dort durch den Bohrer B in die das j Bohrloch bzw. den Bohrbrunnen.

Nachdem der Druckimpuls nach oben zu dem oberen Ende des inneren Stoßrohres 50 und alsdann wieder nach unten zum Schaltventil 37 \

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- gewandert ist, weist er bei Erreichen des letztgenannten Punktes,

vergleichen mit dem Druck in dem zweiten Durchlaß 53_S36, einen
ι geringeren Druck auf und das Ventil 37 schaltet auf die Ausgangs-!

; j

stellung um. Eine Wiederholung des vorstehend beschriebenen j Arbeitszyklus kann dann erfolgen, wobei die Stoßbüchse 28 entlang dem Gehäuse 15 hin- und herbewegt und abwechselnd nach
! oben und-unten getrieben wird.

Während des Pumpens des Mediums durch das Bohrgestänge oder
-strang P und abwechselnd durch die beiden Stoßrohre 50,51 werden : das Bohrgestänge und die Stoßvorrichtung in Drehung versetzt_s

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wobei das Drehmoment durch die Federn 1β von dem Gehäuse 15 auf den Amboß 10 und von diesem auf den Bohrer B übertragen wird, se daß die'schneidwerkzeuge 13 den gesamten Bereich der Bohrsohle C bestreichen. Durch das Bohrgestänge wird ein gewünschtes Bohrgewicht auf den Bohrer aufgebracht, um dessen Kontakt mit der Bohrsohle sicherzustellen. Dadurch wird erreicht, daß die dem Bohrer mitgeteilten Stöße oder Schläge wirksam zum Brechen des bearbeiteten Gesteins oder anderer harter Schichten genutzt werden. Das Bohrgewicht kann jedoch relativ niedrig sein+z.B. bei 900 kg liegen, obgleich dem Bohrer auf Wunsch eine höhere oder niedrigere Belastung erteilt werden.kann. Bei durchgeführten Versuchen wurde bei einer Druckdifferenz von 21 kg/cm^ eine Stoßkraft von etwa 38 555 kg erzeugt und der Stoßbüchse 28 für ihre Bewegung auf den Amboß 10 erteilt. Diese Stoßkraft übersteigt die Bruchgrenze vieler harter Formationen, welche man bei Brunnenbohrungen antrifft. Bei dem Stoßbohren wird zur Er- j zeugung von Gesteinsbruch die dynamische Kraft nahe dem Bohrer erzeugt und unterscheidet sich von einer bisher notwendigen

statischen Kraft, die durch das Drücken des Gewichtes eines i

I langen, verhältnismäßig geschmeidigen bzw. biegsamen Bohrge- !

stänges auf den Bohrer erzeugt wurde. Dementsprechend steht das Bohrgestänge P fast über seine gesamte Länge voll unter Spannung. Daraus resultiert das Bohren eines geraden Loches mit zudem viel höherer Geschwindigkeit.

Der abwechselnde Druckanstieg in den Stoßdurchlässen 52₃35 und 53,36 richtet sich nach der Schaltzeit der Schaltventile 37 durch +und

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deren Bewegung von einer Stellung in die andere. Je länger die ^;

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Schaltzeit ist,umso hoher ist der in jedem Durchlaß bei . I Schließen seines unteren Endes erzeugte Druck- da das durch I diesen Durchlaß in dessen geöffneter Stellung zirkulierende '·. Medium eine höhere Geschwindigkeit erreicht hat, die bei ^l Schließen des Durchlasses durch das oder die Ventile 37 einen I viel höheren Druck ergibt. Diese höhere Drucksteigerung er- ■ gibt sich daraus, daß die Schaltventile 37 eine Eigerivibration- .! frequenz von im wesentlichen Null haben und die Frequenz der Hin-und Herbewegung völlig von der Zeitspanne abhängig ist, die jeder Druckimpuls benötigt, um seine Rundreise durch jeden Stoßdurchlaß zu machen, sowie von der- Zeit, die erforderlich ist, das Beharrungsvermögen der beweglichen Ventilteile zu überwinden. Die Zeitspanne, welche die Druckimpulswelle für ihre Rundreise durch einen Stoßdurchlaß benötigt, ist naturgemäß von der Länge des Stoßdurchlasses abhängig. Als Beispiel¹" sei genannt, daß bei einer effektiven Länge des inneren Stoßdurch-' lasses und des äußeren Stoßdurchlasses von etwa 9 m (30 Fuß) die Stoßbüchse 28 sich mit einer Frequenz von etwa 8 bis 30 Arbeitsspielen pro Sekunde hin- und herbewegt. Dem Amboß IO und dem Bohrer B werden daher Stöße mit relativ hoher Ge- / j schwindigkeit erteilt, was insgesamt ein verhältnismäßig schnellet

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Bohren des Bohrloches W ermöglicht. L

Wenn der Bohrer B mit der Sohle C des Bohrloches außer Eingriff steht, wie das baspielsweise während seines Hochziehens oder Absenkens im Bohrloch der Fall ist, zieht das Gewicht des

T 0 9 3 18/ 1 15/,

2021008

Bohres B und des Ambosses 10 das 5eJiiete©ventil 21 unter du® häuse 15 der Stoßvorrichtung in eine Stellung* dia äupch Win griff des unteren Indes 20 des Schiebeventil^ »it de» ©toere» Enden der Federn 16 toegrensst ist, wodurch das ©fcere End© des j Schiebers unter die Bypass-öffnungen 22 gelangt. In dieser Stellung Kann Medium naeh unten äureh das Bohrgestänge f und die Stoßvorrichtung A zirkulieren, ohne da® ©in Sebalten ; Sehaltventils 37 and eine Hin- und Bertoeweiimg der ^ 28 entlang dem ßeMiise 15 Jierfeeigefönrt wird ^ da Medium

den zweiten Bnrcnlaß 36 in den lawro zmi&@U@n der . und dem Gehäuse 15 «Ja das «Schaltirentil yj iaerwm wnd dann itmen um? en die Bypass-öffnungen 22 zn desn zentrale» : laßfeanal 23 strömen kann. Wenn das ^etoaltveiatil 3?

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das Medimia amßh durch das offene Ventil in ä@n Bejfe&laifcaaal gelangen. Bsi erfolgtem ^etaließen äes suatere© Indes des . Dajfehlasses 36 durela das B&fo&ltventil ist daii» «Sas isutef des erste» ©ssrc&lass©® 35 ©ffen «ni Ifedimiro kmm v©xi ά&®. gestänge F daarefj den ersten Daar«3alai& 52,35 MfJd das 37 iaa deia zentralen PaärefalaßSsanal 23 str§äi©iii_? laaad ¹Zmm? gleich unit eisae® M&üi.mmi>F©m aweefa de© %w<&%b(&B P8sa?(gäblsi& ^ rand die ©ffeaaeB Bypsss-Sfftaaaaageii 22 in ämm 3m&M&ä$&@ml 23 Bas Selaaltveaatil 3? wi3?d da*»ei mie%% %iw aa©ä ^ 3

BAD ORIGINAL

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BAD ORIGINAL

Claims

1. StößvörrdcMürig, insbesondere fiiif

zeichnet; durch ein von einem Medium dUi*ehströn^i?^SrGre{tstaae.^.^- _Ί (15)mit einem mit einem MMiumeittiä0 und eiöeffi -aüsia^^ei?^ ,_c^_r, sehenen StößdüPöiiiäÄj ein raiii dem StößduPchläß in Verbindung stehendes und auf den Dfiiök des Mediums in deffi StoMu3?chlaß ansprechendes Stöföglied (S8) und ein im Stfompfad des den Sfcoßdurehlaß düreiiStPÖmenden Mediums voi*geSeheneSi Schaltventil (37) ,■ das durch das in deffl SeeßdurchläE strömende Medium in eine den Auslaß sehiießgflde Stellung bewegbar ist und in dem im Stoßdurchlaß befindiiöhen Medium eine überdruckimpulswelle erzeugt, welche das Stößgiigd gegen ein Öegenglieä (10)

2* StoÄvö^3?ieh1jUng nach Anspruch l_s daduröh gekennzeichnet,

daß die tib§Mi*ückimpUiSwelie durch den StoMurchlaß von dem Auslaß züi liftläß kandiert, dann als ünterdruekimpulswelle zu dem Auslaß zurüefckehi?fc und den Antrieb für ein Umschalten der des Schaltventiis (37) in elfte den Auslaß öffnende Schaltstellung bildet» - -

3. Stößvörriehtung nach Ä

keftMeiehnefe-, daß das eine im Abstand ^ g

einiiimmt und bei Sfehiieißelfr getrieben vriM%

i öder a_s dadurch ge-S) vor SchlieBen des Auslasses

Cl^rÖ) befiwdliöhe Stellung gegen das

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4. Stoßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis M₁, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Rückführung des Stollgliedes in seine im Abstand zum Gegenglied (10) befindliche Stoßausgangsstellung nach Ausführung einer Stoßbewegung«

5, Stoßvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche :

1 bis Ji₉ dadurch gekennzeichnet ₉ daß zwei an einem Ende (71) ';"-.: miteinandeip in Verbindung stehende und an ihren gegenüberliegen?* den Enden Auslässe aufweisende StoMurehlässe ί35₉52;36₃53) vor-gesehen sind, die Jeweils mit dem Stoßglied (28) zur Beauf- ^!sehlä.g«iig ^:äesse2l5en init dem in Uineii heirschenden Mediumdruck ;- '_'--■ und- alternierenden Bewegen-'des Stoßgliedes "in entgegengesetzten.'' Hiclitaaißgeia in. Terisimdung stehen«, wobei das Schaltventil £37λ .■Auslassen' im Stroaipfad des -die StoMurchlässe passierenden Mediums maclageordaieifc ist und-mittels quer zft den Auslässen 1be—-weglieheia Feaatilgliedera ζ&₉62} diese. abwechselnd so atowessMselncl 'llibe^aanafelo^ijalswellen im -Hediuia --in; den; iässeaa e2?zeiajgt₃ Ίϊ©1«3ιε dem" StoJSglied seine Bewegung -in', ent—

irerleilieia und es abweehseliad.auf -und. foia dxesem abheben-

1 oder;

slcM am «äas SÄaltweutil-, ί 3T),- stromabwärts -int

der.

7. Stoßvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6_S dadurch gekenn- !

zeichnet, daß der eine Stoßdurchlaß (52) in einem vom anderen ^!

i Stoßdurchlaß (53) umgebenen Stoßrohr (50) ausgebildet Job. _:

8, Bohraeug₉mit einer Stoßvorrichtung nach einem oder mehrere^ der Ansprüche 1 bis 7_S einem von gepumptem Spülmedium durchströmt ens, sich sur Oberfläche eines Bohrbrunnens oder -loches « erstreckenden Bohrrohrgestänge und einem Bohrer₉ dadurch gekenn- . zeichnet₉ daß die Stoßvorrichtung (A) als Bestandteil des Bohr- ^! zeuges zwischen das Bohrgestänge (P) und den Bohrer (B) einge- j

schaltet ist₅ mit seinem Gehäuse (15) einerseits mit dem Bohr- j gestänge und andererseits mit dem einen Amboß (10) als Gegen- ; glied tragenden Bohrer verbunden ist und als Stoßglied eine entlang des Gehäuses verschiebIiehe-Stoßbüchse (28) aufweist _s der Stoßdurchlaß mit seinem Eintrittsende dem Bohrgestänge und mit seinem Auslaß dem Bohrer zugewandt ist und über Verbindungsöffnungen (38_S47) die Stoßbüehse dem in ihm herrschenden Druck des Mediums aussetzt und das dem Stoßdürchiaß zugeordnete₉ seine Sehaltbewsgungen unter der Wirkung des im Stoßdiirchlaß" strömen= äen Mediums ausführende Sehaltventil in Schließstellung'sum Aus-= laß des Stoßdurchlasses in diesen ©inen übeMriiekimpuls erzeugt _s &®ί? öle mittels" einer Sim?iefot«iig vom Amboß abgehobene Stoßbüehse mifcä?<52.bt und auf den ÄMböß" sehlägt _o

9 ο BOiH³SeUg nach Anspruch B₉ g@k©mizsielie@fc" äus?ch eins die StoffeIi©las© (28) "/on Amboß (10) mittels eines öbe im Mecliiiai abhebende Einrichtung„

109818/1TS

10. Bohrzeug nach "Anspruch ,8 oder 9> dadurch gekennzeichnet, daß der Amboß (10) einen zum Bohrer (B) führenden, mit dem Auslaß des Stoßdurchlasses in Verbindung stehenden Durchlaß (23) aufweist. -

11. Bohrzeug nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßvorrichtung (A) zwei im Gehäuse (15) ausgebildete, an ihren oberen Enden miteinander in Verbindung stehende Stoßdurchlässe (35,52;36,53) aufweist, die längs des Gehäuses gleitend verschieblieh geführte Stoßbüchse mit einem einen Ringkolben bildenden Zylinderkopf (4l) versehen ist, dessen eine Druckfläche über die öffnung (38) mit dem Druck des Mediums in dem einen Stoßdurchlaß(35),und dessen andere, entgegengesetzte Druckfläche über die öffnung (47) mit dem Druck des Mediums in dem anderen Stoßdurchlaß (36) beaufschlagbar ist·.

12, Bohrzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis

11, dadurch gekennzeichnet, daß der Amboß (10) auf dem Gehäuse (15) teleskopisch axialbeweglich, jedoch diesem gegenüber unverdrehbar abgestützt ist,

13, Bohrzeug nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis

12, gekennzeichnet durch einen Bypass»Kanal (22) zum Umführen von Medium aus einem der Stoßdurchlässe (36) um das Schaltventil (37) herum^und ein Ventil (21) zum öffnen und Schließen des Bypass-Kanals.

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-zeih. Bohrzeug nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Bypass-Kanal eine den sum Bohrer (B) führenden zentralen Durchlaß (23) im Gehäuse mit dem Ringraum zwischen der Gehäuseaußenseite und der Stoßbüchse (28) im Bereich unterhalb des Schaltventils (37) verbindende öffnung (22) umfaßt und das Ventil aus einem axial mit dem Amboß (10) beweglichen Schieber (21) besteht.

15· Bohrzeug nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (21) den Bypass-Kanal (22) verschließt, wenn sich der Amboß (10) in seiner oberen Stoßausgangslage befindet, und ihn freigibt, wenn der Amboß eine abgesenkte Stoßstellung einnimmt .

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