DE60222937T2

DE60222937T2 - Schubsteuervorrichtung

Info

Publication number: DE60222937T2
Application number: DE60222937T
Authority: DE
Inventors: Albert C. Kingwood Odell; Jay M. Spring Eppink
Original assignee: Halliburton Energy Services Inc
Current assignee: Halliburton Energy Services Inc
Priority date: 2001-12-05
Filing date: 2002-10-28
Publication date: 2008-07-24
Anticipated expiration: 2022-10-29
Also published as: AU2002359326A1; MXPA04005496A; CN1599833A; DE60222937D1; EP1485570B1; WO2003050375A3; US6736223B2; AU2002359326B2; BR0214735A; WO2003050375A2; EP1485570A2; CA2469023C; CA2469023A1; EP1485570A4; NO20042819L; NO327434B1; US20030102164A1; JP2005511933A

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Untertagewerkzeuge, die druckgenerierende Elemente steuern. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung, die den von dem Untertagewerkzeug, welches einen Schlammmotor und/oder ein Propulsionssystem besitzt, erzeugten Druck absorbiert.
Beschreibung des Standes der Technik
Es ist bekannt, dass die Ausbeutung von unterirdischen Lagerstätten von Kohlenwasserstoffen Bohrlochkonstruktionen erfordert, die Bohrlöcher mit Hunderten, vielleicht Tausenden, von Fuß Tiefe haben. Ein bekanntes System für Bohrlochkonstruktionsaktivitäten beinhaltet eine Bohrlochsohlenbaugruppe (BHA), die über ein flexibles Versorgungskabel an Übertagehilfsausrüstung angebunden ist. Dieses BHA kann ein selbstangetriebenes System sein, das ein Bohrloch mittels eines Bohrwerkzeuges ausbildet, welches für den Abbau von Erde und Gestein von unterirdischen Formationen geeignet ist. Ein solches System ist in der US 09/081,981 mit dem Titel „Well System", angemeldet am 20. Mai 1998, beschrieben, welches hiermit für die Bezugnahme zu allen Zwecken aufgenommen wird. Dieses System umfasst vorzugsweise ein Bohrwerkzeug, ein Untertagemittel zur Rotation des Bohrwerkzeuges und ein Untertagemittel um das Bohrwerkzeug axial gegen den Boden des Bohrloches zu drücken. Eine exemplarische Anordnung benutzt einen Verdrängermotor (z. B. einen „Schlammmotor") zur Rotation des Bohrwerkzeuges und eine Schubvorrichtung zur Ausübung eines Druckes oder Gewichtes auf das Bohrwerkzeug (WOB). In diesen Systemen wird unter hohen Druck stehender Bohrschlamm durch das Versorgungskabel zur BHA gefördert. Nach dem Passieren der BHA tritt der Bohrschlamm durch im Bohrwerkzeug befindliche Düsen aus und der Bohrschlamm mit dem Ertrag fließt über einen ringförmigen Hohlraum, der zwischen dem Versorgungskabel und der Bohrlochwand gebildet wird, zurück an die Oberfläche. Schlammmotor und Schubvorrichtung benutzen den Strom der Spüllösung durch das Versorgungskabel als ihre Antriebsquelle.
Ein System, bei dem sich zwei oder mehrere Komponenten eine gemeinsame Hydraulikfluidversorgung teilen, hat gewisse Nachteile. In 1 ist ein exemplarischer Hydraulikkreislauf dargestellt, der gegenüber diesen Nachteilen anfällig ist. Der Hydraulikkreislauf umfasst eine Fluidleitung 10, eine Schubvorrichtung 11 mit einer Druckkammer 12 und einem Kolbenkopf 13, einen Schlammmotor 14 mit einer Antriebssektion, enthaltend einen Rotor 15 und einen Stator 19, und ein Bohrwerkzeug 16. Das Bohrfluid fließt durch die Fluidleitung 10 und den Schlammmotor 14 zum Bohrwerkzeug 16. Ein Teil des Bohrfluids wird über eine Leitung 17 zur Schubvorrichtung 11 umgeleitet. Wenn das Bohrfluid in die Druckkammer 12 eintritt, treibt der Kolbenkopf 13 das Bohrwerkzeug 16 in die Formation. Das Bohrfluid fließt durch den Schlammmotor 14, wodurch der Antriebssektionsrotor 15 und das damit verbundene Bohrwerkzeug 16 in Rotation versetzt wird. Folglich nutzt der Schlammmotor 14 den Druckabfall über den Antriebssektionsrotor 15, um das Bohrwerkzeug 16 in Rotation zu versetzen, während die Schubvorrichtung 11 den Druck in der Kammer 12 nutzt, um den Kolbenkopf 13 und das Bohrwerkzeug 16 in die Formation zutreiben.
Da Schubvorrichtung 11 und Schlammmotor 14 von einer gemeinsamen Hydraulikfluidleitung 10 abgehen, kann eine instabile Betriebsbedingung im Schlammmotor 14 eine entsprechende Instabilität in der Schubvorrichtung 11 verursachen und umgekehrt. Beispielsweise kann während des Bohrbetriebes die BHA auf eine Formation aus Erde und Gestein stoßen, die besonders schwer abzubauen ist. Bin Bohrwerkzeug 16, welches gegen diese hart zu durchbohrende Formation gedruckt wird, neigt dazu das Drehmoment, das benötigt wird um das Bohrwerkzeug gegen die Formation zu drehen, zu erhöhen. Die Erhöhung des Bohrwerkzeugdrehmomentes verursacht eine resultierende Erhöhung des Druckabfalls über die Antriebssektion 18 des Schlammmotors 14. Während sich der Druckabfall über den Schlammmotor 14 erhöht, erhöht sich ebenfalls der Druck des Bohrfluids in der Fluidleitung 10 vor dem Schlammmotor 14. Die Schubvorrichtung 11 wird das Bohrfluid mit höherem Druck über die Leitung 17, die mit der Fluidleitung 10 verbunden ist, ausgesetzt. Da Bohrfluiddruck und Schubvorrichtungsdruck direkt miteinander zusammen hängen, führt diese Druckerhöhung dazu, dass das Bohrwerkzeug 16 von der Schubvorrichtung sogar stärker und mit einer höheren Drehzahl gegen die Formation gedrückt wird. Diese Erhöhung der Vortriebsrate der Schubvorrichtung trägt zu einer weiteren Erhöhung des zum Drehen des Bohrwerkzeuges 16 benötigten Drehmomentes bei und erzeugt dadurch einen Rückkopplungseffekt, der letztendlich ein Blockieren des Bohrwerkzeuges oder eine Verkürzung der Standzeit der BHA-Komponenten, z. B. des Schlammmotors 14, verursachen kann.
In manchen Systemen sind Stoßdämpfer oder Dämpfer in den BHAs kurz oberhalb der Schlammotoren eingebaut. Bei diesen Stoßdämpfern oder Dämpfern handelt es sich manchmal um Belleville-Federn, die die Federrate der BHA zwischen dem Motor und den darüberliegenden Werkzeugen verringert. Jedoch fuhrt die Anordnung der Federn oberhalb der Schlammmotoren zu einer Verlängerung des Bohrstranges und erfordert des Weiteren zusätzliche Verbindungen. Ein zusätzlicher Splint zur Drehmomentübertragung wird ebenfalls benötigt. Zusätzlich drückt die Schubvorrichtung das Bohrwerkzeug weiterhin durch Gewichtsausübung auf das Bohrwerkzeug voran und kann die gleichen, bereits angesprochenen Probleme haben. Die Schubvorrichtung, die Dämpfer an jedem Stützanker besitzt, erlaubt dass jeder Dämpfer zurück gesetzt wird, sobald sich sein Stützanker von der Bohrlochwand löst, so dass die zusätzliche Länge der Dämpfungsbewegung der Schubvorrichtung eine Verringerung der Vortriebsrate auf die Bohrrate ermöglicht. Ebenfalls wird aufgrund der verringerten Biegesteifigkeit die Richtungskontrollfähigkeit des darunter befindlichen Bohrwerkzeuges reduziert und auch die periphere Lockerheit der Splintverbindungen.
Die US 4,615,401 offenbart eine automatische hydraulische Schubvorrichtung zum Lochbohren, welche ein Mantelrohr (4) und eine Hülse (1, 2) umfasst, die zwei Ausdehnungskammern (A, B) mit mehrfachen, ringförmig über die Hülse (1, 2) verteilten Wandstützankermitteln (3) bilden, die auf Druckabfälle zwischen einer Kammer (A) und dem Bohrlochdruck reagieren. Zusätzlich gibt es ein Dreiwegeventilmittel zur automatischen Verbindung der Kammern (A, B), jeweils zuerst mit dem Mantelrohrdruck und dem Bohrlochdruck und dann umgekehrt.
Die vorliegende Erfindung berücksichtigt diese und zugehörige Mangel von den zuvor erwähnten, dem Stand der Technik entsprechenden Systemen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckabsorber, der zwischen ein Druckmittel und ein Stützankermittel geschaltet ist. Normalerweise kooperieren Druckmittel und Stützankermittel um ein Rohr axial zu verschieben. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst der Druckabsorber ein Gehäuse, welches an dem Stützankermittel befestigt ist, und einer Halterung zur Verbindung mit dem Druckmittel. Innerhalb des Gehäuses ist ein Vorspannelement angeordnet, welches zur Absorbierung der Druckenergie gestaltet ist, wenn ein vorbestimmter Zustand auftritt. Insbesondere kann das Druckmittel einen Überschiebungszustand vorfinden, wenn das Druckmittel eine Druckkraft auf das Rohr ausübt, das Rohr aber nicht wesentlich axial verschoben wird. Wenn der Überschiebungszustand auftritt, wird das Vorspannelement von dem Rohr zusammengedrückt und absorbiert dadurch den Druck, der sonst auf das Rohr ausgeübt werden würde. Durch die Absorbierung des Drucks wird auch die Druckzunahme erheblich reduziert. Die Reduzierung der Druckzunahme verringert die Vortriebsratenzunahme der Schubvorrichtung, so dass die Schubvorrichtungsrate moduliert wird und das System stabiler macht. Darüber hinaus kann, für eine Bohrlochsohlenbaugruppe mit mehr als einem Druckmittel, ein Druckabsorber für jedes solche Druckmittel zur Verfügung gestellt werden.
In einem ersten und zweiten alternativen Ausführungsbeispiel umfasst der Druckabsorber zusätzlich zwei verschiedene Konfigurationen, welche die Bewegungsgeschwindigkeit des Druckabsorbers begrenzen. Die Druckabsorber sind hauptsächlich dann begrenzt, wenn die äußere Last über den Absorber nachlässt.
In einem dritten alternativen Ausführungsbeispiel umfasst der Druckabsorber zusätzlich ein zweites Vorspannelement, welches im Gehäuse angeordnet ist. Insbesondere begrenzt das zweite Vorspannelement die Bewegung des Druckabsorbers, wenn das Rohr in eine zur beabsichtigten Vorwärtsrichtung der Schubvorrichtung entgegen gesetzten Richtung verschoben wird. Das zweite Vorspannelement ermöglicht die Realisierung des Großteils der Lange des Druckstoßes mittels Vermeidung eines Stoßlängenverlustes durch Bewegung des Druckabsorbers.
Die vorliegende Erfindung umfasst eine Kombination von Eigenschaften und Vorteilen, die das Überwinden zahlreicher Probleme vorheriger Vorrichtungen ermöglicht. Die zahlreichen, zuvor beschriebenen Merkmale, wie auch andere Eigenschaften, sind für Fachleute nach Durchsicht der folgenden detaillierten Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung und durch Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen schnell ersichtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Zur detaillierteren Beschreibung der vorliegenden Erfindung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug benommen, wobei:
1 ein schematisches Diagramm eines dem Stand der Technik entsprechenden Hydraulikkreislaufes, der eine Schubvorrichtung, einen Schlammmotor und ein Bohrwerkzeug umfasst, welches dem bevorzugten Ausführungsbeispiel entspricht, zeigt;
2 ein schematisches Diagramm einer Bohrlochsohlenbaugruppe entsprechend dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, die sich in einem Bohrschacht befindet, zeigt;
3A den Schnitt einer Schubvorrichtung enthaltend einen vorwärts gerichteten Druckregler, der entsprechend dem bevorzugten Ausführungsbeispiel konstruiert ist, zeigt;
3B den Schnitt einer Schubvorrichtung enthaltend einen rückwärts gerichteten Druckregler, der entsprechend dem bevorzugten Ausführungsbeispiel konstruiert ist, zeigt;
4A den Schnitt eines vorwärts gerichteten Druckreglers, der entsprechend dem bevorzugten Ausführungsbeispiel konstruiert ist, zeigt;
4B den Schnitt eines rückwärts gerichteten Druckreglers, der entsprechend dem bevorzugten Ausführungsbeispiel konstruiert ist, zeigt;
5A einen Schnitt der oberen Hälfte eines ersten alternativen Ausführungsbeispiels eines vorwärts gerichteten Druckreglers zeigt;
5B einen Schnitt der oberen Hälfte eines ersten alternativen Ausführungsbeispiels eines rückwärts gerichteten Druckreglers zeigt;
6A einen vergrößerten Schnitt einer Druckreglerhalterungsöffnung in einer ersten Position, die entsprechend dem ersten and zweiten alternativen Ausführungsbeispiel konstruiert ist, zeigt;
6B einen vergrößerten Schnitt einer Druckreglerhalterungsöffnung in einer zweiten Position, die entsprechend dem ersten and zweiten alternativen Ausführungsbeispiel konstruiert ist, zeigt;
7A einen Schnitt der oberen Hälfte eines zweiten alternativen Ausführungsbeispiels eines vorwärts gerichteten Druckreglers zeigt;
7B einen Schnitt der oberen Hälfte eines zweiten alternativen Ausführungsbeispiels eines rückwärts gerichteten Druckreglers zeigt;
8A einen Schnitt der oberen Hälfte eines dritten alternativen Ausführungsbeispiels eines vorwärts gerichteten Druckreglers zeigt; und
8B einen Schnitt der oberen Hälfte eines dritten alternativen Ausführungsbeispiels eines rückwärts gerichteten Druckreglers zeigt.
Detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
Während die vorliegende Erfindung in einer Vielzahl von Situationen genutzt werden kann, kann ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit einem Bohrwerkzeug genutzt werden, das zur Ausbildung eines Bohrschachtes in einer unterirdischen Formation angepasst ist. Es versteht sich jedoch, dass die unten beschriebene Anordnung lediglich eine von vielen ist, für die die vorliegende Anwendung vorteilhaft eingesetzt werden kann.
Mit anfänglicher Bezugnahme auf 2 ist eine Bohrlochsohlenbaugruppe (BHA) 20 dargestellt, die sich in einem Bohrschacht 22 befindet, der in einer Formation 24 ausgebildet ist, wobei der Bohrschacht 22 eine Wand 26 und eine Schachtsohle 28 besitzt. Anordnungen für exemplarische BHAs sind in der US 09/081,981 , angemeldet am 20. Mai 1998 mit dem Titel „Well System", und der US 09/467,588 , angemeldet am 20 Dezember 1999 mit dem Titel „Three Dimensional Steering System", beschrieben, die hiermit beide für die Bezugnahme zu allen Zwecken aufgenommen werden. Die BHA 20 kann ein Bohrwerkzeug 30, Instrumentierung 32, einen Schlammmotor 34, eine Schubvorrichtung 36 und anderes externes Zubehör 38, wie beispielsweise Telemetriesysteme oder Datenprozessoren, umfassen. Ein Versorgungskabel 40 verbindet die BHA 20 mit der Oberfläche. Zur Vereinfachung soll die Bewegung der BHA 20 oder einer ihrer Komponenten in Richtung „D" die Bewegung der BHA 20 in Richtung der Schachtsohle 28 (Bohrloch-abwärts) kennzeichnen. Die Bewegung der BHA 20 oder einer ihrer Komponenten in Richtung „U" soll die Bewegung der BHA 20 in Richtung weg von der Schachtsohle 28 (Bohrloch-aufwärts) kennzeichnen.
Die verschiedenen Vorrichtungen und Einrichtungen der BHA 20 können durch unter hohem Druck stehendes Bohrfluid (d. h. „Schlamm") angetrieben werden, die von der Oberfläche her durch das Versorgungskabel 40 gepumpt wird. Unter normalen Bedingungen fließt dieses Bohrfluid durch das Versorgungskabel 40, die BHA 20 und tritt am Bohrwerkzeug 30 durch Düsen (nicht gezeigt) aus. Das Bohrfluid fließt Bohrloch-aufwärts durch den ringförmigen Hohlraum 25, der von der Bohrschachtwand 26 und dem Versorgungskabel 40 gebildet wird, zurück und führt den Erd- und Gesteinsabtrag mit sich, der durch den Schneidvorgang des Bohrwerkzeuges 30 gegen die Schachtsohle 28 erzeugt wurde. Der Bohrloch-abwärts gepumpte Bohrschlamm steht normalerweise unter hohem Druck. Dieser hohe Druck kann durch BHA-Komponenten, wie beispielsweise die Schubvorrichtung 36 und den Schlammmotor 34, die hydraulisch angetriebene Einrichtungen nutzen, in Energie umgewandelt werden.
Mit Bezugnahme auf 2, 3A und 3B ist eine bevorzugte Anordnung von vorwärts und rückwärts gerichteten Druckreglern 130, 160 dargestellt, die auf jedes Ende der Schubvorrichtung 36 montiert sind. Die Schubvorrichtung 36 ist so gestaltet, dass sie den hydraulischen Druck des Bohrfluids in eine Druckkraft für das gegen die Schachtsohle 28 gedrückte Bohrwerkzeug 30 konvertiert (2). Der von der Schubvorrichtung 36 entwickelte Druck wird von einem vorwärts gerichteten Druckregler 130 und einem rückwärts gerichteten Druckregler 160 kontrolliert. Die Details der Schubvorrichtung 36, des Ventilkontrollkreislaufs (nicht gezeigt) und anderer zugehöriger Einrichtungen sind in der US 6,003,606 , mit dem Titel „Puller-Thruster Downhole Tool", beschrieben, die hiermit für die Bezugnahme zu allen Zwecken aufgenommen wird. Schubvorrichtungsanordnungen sind auch in der US 3,180,437 offenbart, die ebenfalls hiermit für die Bezugnahme zu allen Zwecken aufgenommen wird. Dementsprechend wird nur ein allgemeiner Bezug auf die Struktur und den Betrieb der Schubvorrichtung 36 genommen.
Eine exemplarische Schubvorrichtung 36 kann einen vorwärts gerichteten Stützanker 60, einen rückwärts gerichteten Stützanker 70, eine vorwärts gerichtete Druckvorrichtung 80 und eine rückwärts gerichtete Druckvorrichtung 100 umfassen, die alle auf der Welle oder dem Zentralrohr 50 angeordnet sind. Diese Komponenten werden durch das unter hohem Druck stehende Bohrfluid angetrieben, die mittels des Ventilkreislaufs (nicht gezeigt) und zugehörige Rohrleitungen (nicht gezeigt) durch die Schubvorrichtung 36 geleitet wird. Im Nachfolgenden werden der Ventilkreislauf und die zugehörigen Rohrleitungen allgemein als Ventilkreislauf bezeichnet. Der Ventilkreislauf kann programmiert werden um die Schubvorrichtung 36 dazu zu veranlassen, dass sie eine Druckkraft auf das Bohrwerkzeug 30 ausübt und/oder die BHA durch den Bohrschacht 22 treibt (2).
Das Rohr 50 überträgt den durch die vor- und rückwärtigen Druckvorrichtungen 80, 100 erzeugten Druck an das Bohrwerkzeug 30. Das Rohr 50 umfasst einen Mittelteil 52 und erste und zweite Endteile 56, 58 und eine sich durch diese erstreckende Durchflussbohrung 54. Die ersten und zweiten Endteile 56, 58 umfassen Verbindungsstellen für angrenzende Komponenten in der Bohrlochsohlenbaugruppe 20. Beispielsweise kann das erste Endteil 56 die Schubvorrichtung 36 mit dem Schlammmotor 34 verbinden. Das zweite Endteil 58 kann die Schubvorrichtung 36 mit externem Zubehör 38 verbinden. Die Durchflussbohrung 54 stellt einen Kanal zum Transport des Bohrfluids durch die Schubvorrichtung 36 zum Bohrwerkzeug 30 zur Verfügung. Der Mittelteil 52 bewegt sich teleskopartig innerhalb der Schubvorrichtung 36 hin und her, wenn die vorwärts und rückwärts gerichteten Druckvorrichtungen 80, 100 wechselseitig ihre entsprechende Druckkraft in der nachfolgend beschriebene Weise auf das Rohr 50 ausüben.
Der vorwärts gerichtete Stützanker 60 hält die vorwärts gerichtete Druckvorrichtungsbaugruppe 80 bezüglich der Bohrlochwand 26 ortfest, während die vorwärts gerichtete Druckvorrichtung 80 das Rohr 50 und die rückwärts gerichtete Druckvorrichtungsbaugruppe 100 Bohrloch-abwärts gegen die Schachtsohle 28 (d. h. in Richtung „D") drängt. Der vorwärts gerichtete Stützanker 60 umfasst Bohrlochaufrechterhaltungsbaugruppen 62 und ein Gehäuse 64. Der Ventilkreislauf der Schubvorrichtung 36 leitet das unter hohem Druck stehende Bohrfluid in die Antriebsbaugruppen, die ein Teil der Bohrlochaufrechterhaltungsbaugruppen 62 sind, hinein bzw. heraus. Die Bohrlochaufrechterhaltungsbaugruppen 62 können Keilelemente, die sich radial erstrecken, oder spreizbare blasenähnliche Greifer umfassen. Die Einbringung von Bohrfluid verursacht eine Expansion/Aufblähung der Bohrlochaufrechterhaltungsbaugruppen 62 und ein in Kontakt treten mit der Bohrlochwand 26. Die Bohrlochaufrechterhaltungsbaugruppen 62 lösen ihren Kontakt mit der Bohrlochwand 26, wenn der Ventilkreislauf das Bohrfluid in den ringförmigen Hohlraum 25 abfließen lässt. In einer gleichen Weise tritt der rückwärts gerichtete Stützanker 70 mit der Bohrlochwand 26 in Kontakt, während die rückwärts gerichtete Druckvorrichtung 100 das Rohr 50 Bohrloch-abwärts gegen die Schachtsohle 28 drängt. Wie der vorwärts gerichtete Stützanker 60, umfasst der rückwärts gerichtete Stützanker 70 Bohrlochaufrechterhaltungsbaugruppen 72 und ein Gehäuse 74.
Die vorwärts gerichtete Druckvorrichtung 80 erzeugt eine Druckkraft, die das Bohrwerkzeug 30 Bohrloch-abwärts gegen die Schachtsohle 28 drangt. Die vorwärts gerichtete Druckvorrichtung 80 umfasst einen Zylinder 82, einen Kolbenkopf 90, ein Verschlusselement 92 und eine Ventilbaugruppe (nicht gezeigt). Das Zylinderelement 82 umgibt und gleitet frei entlang des Rohres 50 und ist ein fassförmiges Element, welches ein vorwärts gerichtetes Ende 83, eine Innenkammer 84 und ein rückwärts gerichtetes Ende 85 enthält. Das Verschlusselement 92 wird innerhalb des vorwärts gerichteten Endes 83 des Zylinderelementes 82 aufgenommen, um die Innenkammer 84 abzudichten. Der Kolbenkopf 90 ist auf dem Rohrmittelteil 52 befestigt und ist so innerhalb der Kammer 84 positioniert, dass die Kammer 84 in einen Antriebsbereich 86 und einen Rückstellbereich 88 unterteilt wird. Der Kolbenkopf 90 beginnt seinen Hub innerhalb der Kammer 84 nahe dem rückwärts gerichteten Zylinderende 85 und beendet seinen Hub nahe dem vorwärts gerichteten Zylinderende 83. Der Ventilkreislauf initiiert einen Hub durch das Einbringen oder „plötzliche Hineinschießen" von vorbestimmten Mengen an Bohrfluid in den Antriebsbereich 86 für eine fein kontrollierte Vortriebsrate. Wenn der Kolbenkopf 90 seinen Hub beendet, d. h. das vorwärts gerichtete Ende 83 erreicht, leitet der Ventilkreislauf das Bohrfluid in den Rückstellbereich 88, um den Kolbenkopf 90 in seine ursprüngliche Position zurück zudrängen.
Die rückwärts gerichtete Druckvorrichtung 100 erzeugt, in gleicher Weise wie die vorwärts gerichtete Druckvorrichtung 80, eine Druckkraft, die das Bohrwerkzeug 30 Bohrloch-abwärts gegen die Schachtsohle 28 drängt. Die rückwärts gerichtete Druckvorrichtung 100 umfasst einen Zylinder 102, einen Kolbenkopf 110, ein Verschlusselement 112 und eine angeschlossene Ventilbaugruppe (nicht gezeigt). Das Zylinderelement 102 umgibt und gleitet frei entlang des Rohres 50. Das Zylinderelement 102 ist ein fassförmiges Element, welches ein vorwärts gerichtetes Ende 103, eine Innenkammer 104 und ein rückwärts gerichtetes Ende 105 enthält. Das Verschlusselement 102 wird vom rückwärts gerichteten Ende 105 des Zylinderelementes 102 aufgenommen, um die Innenkammer 104 abzudichten. Der Kolbenkopf 110 ist direkt auf dem Rohrmittelteil 52 montiert und ist so innerhalb der Kammer 104 positioniert, dass die Kammer 104 in einen Antriebsbereich 106 und einen Rückstellbereich 108 unterteilt wird. Der Kolbenkopf 110 beginnt seinen Hub innerhalb der Kammer 104 nahe dem rückwärts gerichteten Zylinderende 105 und beendet seinen Hub nahe dem vorwärts gerichteten Zylinderende 103. Der Ventilkreislauf initiiert einen Hub durch das Einleiten des Bohrfluids in den Antriebsbereich 106. Wenn der Kolbenkopf 110 seinen Hub beendet hat, d. h. das vorwärts gerichtete Ende 103 erreicht hat, leitet der Ventilkreislauf das Bohrfluid in den Rückstellbereich 108, um den Kolbenkopf 110 in seine ursprüngliche Position zurück zudrängen.
Mit Bezugnahme auf 3A und 4A regelt der vorwärts gerichtete Druckregler 130 den durch die vorwärts gerichtete Druckvorrichtung 80 erzeugten Druck. Der vorwärts gerichtete Druckregler 130 umfasst ein Gehäuse 132, eine Arretierung 134 und mindestens eine Feder 136. Das Gehäuse 132 umfasst ein erstes Ende 138, eine hintere Schulter 140, die eine ringförmige Fläche 142 mit dem Rohr 50 bildet, und einen Hohlraum 144. Der Hohlraum 144 ist nicht abgedichtet und, obwohl er anfänglich vorzugsweise ein Hochtemperaturschmierfett enthält, können Fluide, wie beispielsweise Ringbohrungsfluide, während des Betriebs in den Hohlraum 144 eindringen. Das erste Ende 138 des Gehäuses ist mit dem Gehäuse 64 des vorwärts gerichteten Stützankers (3A) über eine Verschraubung oder ein anderes geeignetes Mittel verbunden. Die Arretierung 134 überträgt den Druck zwischen der vorwärts gerichteten Druckvorrichtung 80 und der Feder 136. Die Arretierung 134 umfasst eine Hülse 146 und eine Manschette 148, die um das Rohr 50 und innerhalb des Gehäusehohlraumes 144 in einer Kolben-Zylinder-Weise verteilt sind. Die Hülse 146 ist im Allgemeinen ein flaches Element mit einem ersten Ende 143 und einem zweiten Ende 145, welches eine Manschette 148 besitzt. Die Hülse 146 bietet eine äußere Oberfläche 151, die an die Sitzfeder 136 angepasst ist. Das erste Ende 143 der Hülse 146 erstreckt sich durch die ringförmige Fläche 142 der hinteren Schulter 140 hindurch und ist mit dem Verschlusselement 92 der vorwärts gerichteten Druckvorrichtung 80 verbunden. Die Feder 136 auf der Hülse 146 ist zwischen der hinteren Schulter 140 und der Manschette 148 angeordnet.
Wenn hydraulischer Druck auf den Kolbenkopf 90 im Antriebsbereich 86 gegeben wird, bewegt sich das Rohr 50, welches mit dem Kolbenkopf 90 verbunden ist, innerhalb der Druckvorrichtung 80. Das Zylinderelement 82, welches mit dem vorwärts gerichteten Stützanker 60 über den vorwärts gerichteten Druckregler 130 verbunden ist, bleibt ortsfest, wenn sich das Rohr 50 innerhalb der Druckvorrichtung 80 bewegt. Sollte das Bohrwerkzeug 30, welches mit dem Rohr 50 verbunden ist, beispielsweise durch einen Drehmomentbedarf am Bohrwerkzeug und Schlammmotor blockieren, stoppt das Rohr 50 seine Vorwärtsbewegung. Ebenso kann das Rohr 50 seine Vorwärtsbewegung infolge einer übermäßigen Menge an Zugkraft in „U"-Richtung von der Bohrlochwand 26 auf das Rohr 50 stoppen. Weil sich der Kolbenkopf 90 nicht langer bewegen kann, verursacht der hydraulische Druck eine Bewegung des Zylinderelementes 82 in eine Richtung allgemein weg vom Bohrwerkzeug 30. Da sich das Zylinderelement 82 relative zum vorwärts gerichteten Stützanker 60 bewegt, gleitet die Manschette 148 auf der Hülse 146 in Richtung der hinteren Schulter 140 und drückt die Feder 136 zwischen der hinteren Schulter 140 und der Manschette 148 zusammen.
Die Feder 136 absorbiert die Energie, die mit einer ungewünschten Zunahme in dem von der vorwärts gerichteten Druckvorrichtung 80 erzeugten Druck verbunden ist. Die Feder 136 ist um die Hülse 146 herum angeordnet und wird durch die Manschette 148 gegen die hintere Schulter 140 zusammengedrückt. Die Kapazität der Feder 136 zur Enegieabsorption hängt teilweise von der Federkonstante des Federmaterials, der Anzahl der Federn und dem Durchmesser der Federn ab. Es versteht sich, dass Federn, wie beispielsweise Belleville-Federn, eine relativ verlässliche und preiswerte Vorspanneinrichtung sind, die Spitzen von erhöhtem Druck absorbieren können. Andere Methode, die gewendelte Federn, kompressible Fluide oder andere Mittel verwenden, können ebenfalls in anderen Fällen genutzt werden.
Es ist ersichtlich, dass eine elastische Verbindung zwischen der vorwärts gerichteten Bohrlochaufrechterhaltungsbaugruppen 62 und dem Zylinderelement 82 hergestellt wird. Unter normalen Betriebsbedingungen besitzt diese Verbindung einen ersten Zustand, bei dem eine im Wesentlichen feste Verbindung zur Verfügung gestellt wird. Unter Überdruckbedingungen wird diese Verbindung elastisch und ermöglicht es dem Zylinderelement 82 relative zur vorwärts gerichteten Bohrlochaufrechterhaltungsbaugruppen 62 axial zu gleiten, vorausgesetzt die Federkraft der Feder 136 wird überwunden.
Mit Bezugnahme auf 3B und 4B moduliert der rückwärts gerichtete Druckregler 160 den durch die rückwärts gerichtete Druckvorrichtung 100 erzeugten Druck. Ähnlich der Konstruktion des vorwärts gerichteten Reglers 130, umfasst der rückwärts gerichtete Druckregler 160 ein Gehäuse 162, eine Arretierung 164 und mindestens eine Feder 166. Das Gehäuse 162 umfasst ein erstes Ende 167, welches eine erste Schulter 168 bildet, und ein zweites Ende 169, welches eine zweite Schulter 170 bildet, die eine ringförmige Fläche 171 mit dem Rohr 50 bildet, und einen Hohlraum 172. Der Hohlraum 172 ist nicht abgedichtet und, obwohl er anfänglich vorzugsweise ein Hochtemperaturschmierfett enthält, können Fluide, wie beispielsweise Ringbohrungsfluide, während des Betriebs in den Hohlraum 172 eindringen. Das erste Ende 167 des Gehäuses ist mit dem Gehäuse 74 des rückwärts gerichteten Stützankers (3B) über eine Verschraubung oder ein anderes geeignetes Mittel verbunden. Die Arretierung 164 überträgt den Druck zwischen der rückwärts gerichteten Druckvorrichtung 100 und der Feder 166. Die Arretierung 164 umfasst eine Hülse 174 und eine Manschette 176, die um das Rohr 50 und innerhalb des Gehäusehohlraumes 172 in einer Kolben-Zylinder-Weise verteilt sind. Die Hülse 174 ist im Allgemeinen ein flaches Element mit einem ersten Ende 178 und einem zweiten Ende 180, welches eine Manschette 176 besitzt. Die Hülse 146 bietet eine äußere Oberfläche 151, die an die Sitzfeder 136 angepasst ist. Das erste Ende 178 der Hülse 174 erstreckt sich durch die ringförmige Fläche 171 hindurch und ist mit dem Verschlusselement 112 der rückwärts gerichteten Druckvorrichtung 100 verbunden.
Wenn hydraulischer Druck auf den Kolbenkopf 110 im Antriebsbereich 106 gegeben wird, bewegt sich das Rohr 50, welches mit dem Kolbenkopf 110 verbunden ist, innerhalb der rückwärts gerichteten Druckvorrichtung 100. Das Zylinderelement 102, welches mit dem rückwärts gerichteten Stützanker 70 über den rückwärts gerichteten Druckregler 160 verbunden ist, bleibt ortsfest, wenn sich das Rohr 50 innerhalb der rückwärts gerichteten Druckvorrichtung 100 bewegt. Sollte das Bohrwerkzeug 30, welches mit dem Rohr 50 verbunden ist, beispielsweise durch das Antreffen einer Langsambohrformation oder einer Formation, die ein höheres Drehmoment für die Drehung des Bohrwerkzeuges oder eine übermäßigen Menge an Zugkraft erfordert, blockieren, stoppt das Rohr 50 seine Vorwärtsbewegung. Weil sich der Kolbenkopf 110 nicht langer bewegen kann, verursacht der hydraulische Druck eine Bewegung des Zylinderelementes 102 in eine Richtung allgemein weg vom Bohrwerkzeug 30. Da sich das Zylinderelement 102 relative zum rückwärts gerichteten Stützanker 70 bewegt, gleitet die Manschette 176 auf der Hülse 174 in Richtung der ersten Schulter 168 und drückt die Feder 166 zwischen der ersten Schulter 168 und der Manschette 176 zusammen.
Die Feder 166 ist im Wesentlichen in der gleichen Weise wie die Feder 136 des vorwärts gerichteten Reglers 130 ausgebildet und wird nicht eingehender diskutiert.
Es ist ersichtlich, dass eine elastische Verbindung zwischen der rückwärts gerichteten Bohrlochaufrechterhaltungsbaugruppen 72 und dem Zylinderelement 102 hergestellt wird. Unter normalen Betriebsbedingungen besitzt diese Verbindung einen ersten Zustand, bei dem eine im Wesentlichen feste Verbindung zur Verfügung gestellt wird. Unter Überdruckbedingungen wird diese Verbindung elastisch und ermöglicht es dem Zylinderelement 102 relative zur rückwärts gerichteten Bohrlochaufrechterhaltungsbaugruppen 72 axial zu gleiten, vorausgesetzt die Federkraft der Feder 166 wird überwunden.
Mit erneuter Bezugnahme auf die 2, 3A und 3B treibt der Ventilkreislauf in einem Betriebsmodus die Komponenten der Schubvorrichtung 36 sequentiell an, um einen Druck auf das Rohr 50 weiterzugeben. Die Sequenz dieser Druckeinwirkung hat eine ersten Schritt, bei dem der vorwärts gerichtete Stützanker 60 und die Duckvorrichtung 80 angetrieben werden, und einen zweiten Schritt, bei dem der rückwärts gerichtete Stützanker 70 und die Duckvorrichtung 100 angetrieben werden.
Während des ersten Schrittes leitet der Ventilkreislauf Bohrfluid in den vorwärts gerichteten Stützanker 60, um die Bohrlochaufrechterhaltungsbaugruppe 62 anzutreiben. Solange der vorwärts gerichtete Stützanker 60 mit der Bohrlochwand 26 (2) in Kontakt steht, injiziert der Ventilkreislauf Bohrfluid in den Antriebsbereich 86 der vorwärts gerichteten Druckvorrichtung 80. Unter normalen Bedingungen arbeitet der hydraulische Druck im Antriebsbereich 86 gegen den Kolbenkopf 90 um den Kolbenkopf 90 und das damit verbundene Rohr 50 Bohrloch-abwärts in Richtung „D" zu bewegen. Sobald der Kolbenkopf 90 seinen Hub in der Kammer 84 vollendet hat, setzt der Ventilkreislauf die vorwärts gerichtete Bohrlochaufrechterhaltungsbaugruppe 62 außer Betrieb und leitet das Bohrfluid in den Rückstellbereich 88, um den Kolbenkopf 90 in der Kammer 84 zurückzusetzen.
Der zweite Schritt, der mit der Beendigung des ersten Schrittes überlappen kann, beginnt mit dem Antreiben des rückwärts gerichteten Stützankers 70, was ein in Kontakt treten der Bohrlochaufrechterhaltungsbaugruppe 72 mit der Bohrlochwand 26 bewirkt. Zur gleichen Zeit injiziert der Ventilkreislauf Fluid in den Antriebsbereich 106 der rückwärts gerichteten Druckvorrichtung 100. Mit befestigtem, rückwärts gerichtetem Stützanker 70, bewegt der hydraulische Druck im Antriebsbereich 106 den Kolbenkopf 110 und das damit verbundene Rohr 50 Bohrloch-abwärts in Richtung „D". Sobald der Kolbenkopf 110 seinen Hub in der Kammer 104 vollendet hat, wird das Hydraulikfluid in den Rückstellbereich 108 geleitet, um den Kolbenkopf 110 in der Kammer 104 zurückzusetzen und die Stellbaugruppe der Bohrlochaufrechterhaltungsbaugruppe 72 des rückwärts gerichteten Stützankers 70 von der Bohrlochwand 26 zu lösen. Danach wiederholt sich der Arbeitsablauf im Wesentlichen in den gleichen Schritten.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Regler 130 und 160 angetrieben, wenn das Rohr auf Schwierigkeiten stößt sich Bohrloch-abwärts in Richtung „D" zu bewegen. Dies kann auftreten, wenn versucht wird durch eine besondere Langsambohrformation oder eine Formation, die eine Erhöhung des für die Drehung des Bohrwerkzeuges 30 benötigten Drehmomentes verursacht, zu bohren oder wenn eine übermäßige Menge an Zugkraft auf dem Rohr 50 lastet. In beiden Situationen kann der Schlammmotor unbeabsichtigt und nahezu unverzögert den Vorlauf-Druckabfall anheben.
Wie oben beschrieben, tritt, während des ersten Schrittes des Rohrbewegungszyklus, der vorwärts gerichtete Stützanker 60 mit der Bohrlochwand 26 (2) in Kontakt, solange das unter hohen Druck stehende Bohrfluid in den Antriebsbereich 86 geleitet wird. Das in den Antriebbereich 86 injizierte Bohrfluid besitzt jedoch einen höheren Druck als der gewünschte Betriebsdruck. Obwohl der erhöhte hydraulische Druck im Antriebsbereich 86 das Rohr 50 nicht Bohrloch-abwärts in Richtung „D" drängen kann, ermöglicht die elastische Verbindung zwischen Zylinder 82 und Reglergehäuse 132 dem hydraulischen Druck im Antriebsbereich 86 den Zylinder 82 Bohrloch-aufwärts in Richtung „U" zu drängen. Die Axialbewegung des Zylinders 82 und der damit verbundenen Arretierung 134 verursacht die Manschette 148 dazu eine Druckkraft auf die Feder 136 auszuüben. Wenn der hydraulische Druck im Antriebsbereich 86 die Federkraft der Feder 136 übersteigt, werden der Zylinder 82, die Arretierung 134 und die Manschette 148 Bohrloch-aufwärts in Richtung „U" verschoben, was ein Zusammendrücken der Feder 136 gegen die hintere Schulter 140 verursacht. Diese Kompression setzt sich solange fort bis der hydraulische Druck im Antriebsbereich 86 durch die Feder 136 absorbiert ist. Folglich ist ersichtlich, dass der Drucküberschuss, der der Erhöhung des hydraulischen Druckes zugeschrieben werden kann und normalerweise über das Rohr 50 auf das Bohrwerkzeug 30 übertragen werden würde, auf die Feder 136 umgelenkt worden ist.
Es versteht sich, dass die Feder 136 eine WOB auf das Bohrwerkzeug 30 aufrechterhält bis das Rohr 50 Bohrloch-abwärts in Richtung „D" gleiten kann. Das heißt, dass während die Druckvorrichtung 80 angetrieben wird, sich aber nicht bewegt, die Feder 136 die Manschette 148 Bohrloch-abwärts in Richtung „D" gedrängt. Die Manschette 148 überträgt diesen Druck mittels der Hülse 146 durch das Verschlusselement 92 auf den Zylinder 82. Dieser Druck wird durch das im Allgemeinen nicht komprimierbare hydraulische Fluid in der Kammer 86 an den Kolbekopf 90 und schließlich durch das Rohr 50 an das Bohrwerkzeug 30 weitergegeben. Somit ist der von dem Rohr 50 an das Bohrwerkzeug 30 weitergegebene Druck derjenige, der in der Feder 136 gespeichert ist und nicht die Bewegung der Druckvorrichtung 80.
Der rückwärts gerichtete Regler 160 arbeitet in gleicher weise wie der vorwärts gerichtete Regler 130. Im Falle, dass die Bewegung das Rohres 50 Bohrloch-abwärts in Richtung „D" verhindert wird, wenn das hydraulische Fluid in den Antriebsbereich 106 geleitet wird, wird der Zylinder 102 vom hydraulischen Druck im Antriebsbereich 106 Bohrlochaufwärts in Richtung „U" getrieben. Die Bewegung des Zylinders 102 erzwingt ebenfalls, dass sich die Arretierung 164 Bohrloch-aufwärts in Richtung „U" bewegt. Diese Bewegung der Arretierung 164 verursacht, dass die Feder 166 durch die Manschette 176 gegen die interner Gehäuseschulter 168 zusammengedrückt wird. Wie zuvor, bleibt die Feder 166 zusammengedrückt, bis der durch den hydraulischen Druck im Antriebsbereich 106 erzeugte Druck reduziert wird. Der hydraulische Druck wird entweder durch ein Abbohren des Bohrwerkzeuges, wobei die Rate mit der das Loch gebohrt wird höher ist als die Schubrate des Vorrückens, oder durch das Ende des Hubs reduziert.
Vorzugsweise beinhalten die Federn 136 und 166 einen gewissen Grad an Vorkompression, der die Hülsen 146, 174 und die Druckvorrichtungen 80, 100 Bohrlochabwärts in Richtung „D" drängt. Diese Vorkompression ist vorzugsweise ausreichend um jede Art von Spiel oder axialer Bewegung der Arretierungen 134, 164 in ihren entsprechenden Gehäusen zu minimieren. Die Vorkompression kann ebenfalls eine begrenzte Mende an Kompression der Feder vom WOB unter Normalbetriebsbedingungen zur Verfügung stellen. Vorzugsweise sind die Federn 136, 166 so dimensioniert, dass sie die Kapazität zur Absorption von soviel Druck besitzen, wie er in Fällen, wo eine ungewöhnliche Langsambohrformation oder eine Formation, die ein höheres Drehmoment zur Drehung des Bohrwerkzeuges erfordert, vom Bohrwerkzeug 30 angetroffen wird oder wo eine übermäßige Menge an Zugkraft auf dem Rohr 50 lastet, erzeugt werden kann.
Mit Bezugnahme auf die 5A und 5B werden jetzt die Druckregler 130, 160, die entsprechend des ersten alternativen Ausführungsbeispiels konstruiert sind, beschrieben. Mit Ausnahme der im Nachfolgenden beschriebenen Dinge, umfasst das erste alternative Ausführungsbeispiel die gleichen Elemente und arbeitet in der gleichen Weise wie das zuvor beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Die Druckregler 130, 160 des ersten alternativen Ausführungsbeispiels umfassen jedoch zusätzlich Dämpfer mit Öffnungen 510, 560, die sich in den Manschetten 148, 176 der vorwärts bzw. rückwärts gerichteten Druckreglerarretierungen 134, 164 befinden. Die Hohlräume 144 und 172 sind mit Öl oder anderem Fluid gefüllt. Im Betrieb erlaubt die erhöhte Last über die Druckregler 130, 160 die Bewegung zwischen den Druckvorrichtungen 80, 100 und den Bohrlochaufrechterhaltungsbaugruppen 62, 72. Sobald die Bohrlochaufrechterhaltungsbaugruppen 62, 72 ihre Haftung am Bohrloch aufgeben gibt es jedoch keine äußere Kraft über die Druckregler 130, 160. Wenn beispielsweise die Bohrlochaufrechterhaltungsbaugruppe 62 nicht länger mit der Bohrlochwand 26 in Kontakt steht, verursacht die Feder 136, die an der hinteren Schulter 140 des Gehäuses 132, welches mit der Bohrlochaufrechterhaltungsbaugruppe 62 verbunden ist, und an der Manschette 148 der Arretierung 134, welche mit der Druckvorrichtung 80 verbunden ist, einwirkt, dass sich bei der Entspannung der Feder 136 die Druckvorrichtung 80 und die Bohrlochaufrechterhaltungsbaugruppe 62 aufeinander zu bewegen. Wenn des Weiteren die Bohrlochaufrechterhaltungsbaugruppe 72 nicht länger mit der Bohrlochwand 26 in Kontakt steht, verursacht die Feder 166, die an der ersten Schulter 168 des Gehäuses 162, welches mit der Bohrlochaufrechterhaltungsbaugruppe 72 verbunden ist, und an der Manschette 176 der der Arretierung 164, welche mit der Druckvorrichtung 100 verbunden ist, einwirkt, dass sich bei der Entspannung der Feder 166 die Druckvorrichtung 100 und die Bohrlochaufrechterhaltungsbaugruppe 72 voneinander weg bewegen. Die Druckvorrichtungen 80, 100 und die Bohrlochaufrechterhaltungsbaugruppen 62, 72 bewegen sich daher entsprechend der in den Federn 136, 166 gespeicherten Kraft. Die Öffnungen 510, 560 begrenzen die Bewegung der Bohrlochaufrechterhaltungsbaugruppen 62, 72 dadurch, dass das Fluid durch die Öffnungen 510, 560 fließen muss. Die Öffnungen 510, 560 begrenzen dabei die Bewegung derart, dass die Bohrlochaufrechterhaltungsbaugruppen 62, 72 nicht gegen die Druckvorrichtungen 80, 100 schlagen, wann immer die Bohrlochaufrechterhaltungsbaugruppen 62, 72 ihre Haftung am Bohrloch aufgeben.
Mit Bezugnahme auf die 6A und 6B werden jetzt die Öffnungen 510, 560 in den Manschetten 148, 176 des ersten alternativen Ausführungsbeispiels beschrieben. Beide Öffnungen 510, 560 arbeiten in der gleichen Weise, so dass eine Beschreibung der Öffnung 510 im vorwärts gerichteten Druckregler 130 auch die Öffnung 560 im rückwärts gerichteten Druckregler 160 beschreibt. Die Öffnung 510 hat zwei Positionen, eine mit maximalem Strom durch die Öffnung 510 und die andere mit Strom durch diese. Der Strom durch die Öffnung 510 wird maximiert, wenn die Feder 136 zur Absorption der Energie zusammengedrückt wird, und wird dann minimiert, wenn die Feder 136 nach der Kontaktlösung der Bohrlochaufrechterhaltungsbaugruppe 62 mit der Bohrlochwand 26 entspannt wird. Dies geschieht derart, dass, wann immer die Druckvorrichtung 130 die Schubvorrichtung 36 während des Bohrens nach unten gegen das Bohrwerkzeug 30 bewegt, die Bewegung des Druckreglers 130 und seine Fähigkeit Last zu absorbieren nicht durch die Öffnung 510 behindert wird.
Die Öffnung 510 ist gegen die Minimalstromposition vorgespannt. Die Öffnung 510 kann auf verschiedene Weisen vorgespannt werden und bleibt dennoch im Sinne des Geistes des ersten alternativen Ausführungsbeispiels. Eine Möglichkeit ist ein von einer Feder vorgespannter Kolben 710 mit einem Loch 720 durch seine Mittelachse. Eine Feder 730 drückt den Kolbenkopf 740 gegen eine Schulter 750, d. h. den Übergang zwischen den Durchmessern in einem Durchgangsloch 760 in der Druckreglermanschette 148. Ein Fluidstrom in die Richtung 770, der das Volumen des Druckreglerhohlraumes 144 vergrößert, bewirkt, dass der Kolbenkopf 740 sicherer an der inneren Schulter des Durchgangsloches 750 sitzt. Dies erlaubt nur einen Strom durch das kleine Loch 720 durch seine Mittelachse. Dies ist in 6A gezeigt. Ein Fluidstrom in die Richtung 780, die den Strom durch die Öffnung 510 maximiert, drückt gegen den Kolbenkopf 740 und die Vorspannfeder 730, wodurch der Kolbenkopf 740 von der Schulter 750 weg bewegt wird und dabei die Stromfläche vergrößert. Dies ist in 6B gezeigt.
Mit Bezugnahme auf die 7A und 7B werden jetzt die Druckregler 130, 160, die entsprechend des zweiten alternativen Ausführungsbeispiels konstruiert sind, beschrieben. Mit Ausnahme der im Nachfolgenden beschriebenen Dinge, umfasst das zweite alternative Ausführungsbeispiel die gleichen Elemente und arbeitet in der gleichen Weise wie das zuvor beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Die Druckregler 130, 160 des zweiten alternativen Ausführungsbeispiels umfassen jedoch ebenfalls Dämpfer mit Öffnungen 510, 560, die den zuvor beschriebenen des ersten alternativen Ausführungsbeispiels gleichen. Die Druckregler 130, 160 des zweiten alternativen Ausführungsbeispiels umfassen zusätzlich Manschettendichtungen 610, 660 an den vorwärts bzw. rückwärts gerichteten Haltemanschetten 148, 176. Die Manschetten 148, 176 sind derart abgedichtet, dass die Bewegung zwischen den vorwärts und rückwärts gerichteten Druckvorrichtungen 80, 100 und den vorwärts und rückwärts gerichteten Bohrlochaufrechterhaltungsbaugruppen (nicht gezeigt) den Fluidstrom durch die Öffnungen 510, 560 erzwingt. Die Druckregler 130, 160 des zweiten alternativen Ausführungsbeispiels umfassen auch Gehäusedichtungen 615, 665 in den äußeren Bereichen 616, 666 der vorwärts und rückwärts gerichteten Gehäuse 64, 74. Daher sind die Hohlräume 144, 172, im Gegensatz zum bevorzugten Ausführungsbeispiel, gegen die äußere Umgebung im Bohrloch 26 abgedichtet. Vorzugsweise sind die Hohlräume 144, 172 mit einem hydraulischen Fluid oder einem Hochtemperaturschmierfett gefüllt, beides Fluide mit niedriger Viskosität. Die Druckregler 130, 160 umfassen zusätzlich vorwärts und rückwärts gerichtete, vorgespannte Volumenkompensatorkolben 620, 670, die sich in den Bereichen mit vergrößertem Durchmesser der Enden der vorwärts bzw. rückwärts gerichteten Gehäuse 64, 74 befinden. Diese Kolben 620, 670 sind durch Federn 625, 675 vorgespannt, die sich in den Kompensatorhohlräumen 630, 680 zwischen den Kompensatorkolben 620, 670 und den vorwärts und rückwärts gerichteten Kompensatorhohlraumschultern 635, 685 befinden. Die Kompensatorzylinder 620, 670 sind mit Kompensatordichtungen 640, 645, 690, 695 abgedichtet, um einen Fluidstrom in die Kompensatorhohlräume 630, 680 zu verhindern. Halteringe halten die Kolben 620, 670 in den Bereichen mit vergrößertem Durchmesser.
Die Gehäusedichtungen 615, 665, Manschettendichtungen 610, 660 und Kompensatordichtungen 640, 645, 690, 695 bilden abgeschlossene Systeme innerhalb der Druckreglerhohlräume 144, 172. Da es sich um abgeschlossene Systeme handelt, bleibt das Volumen in den Hohlräumen 144, 172 einigermaßen konstant. Durch das konstante Volumen verändert die Bewegung der Haltemanschetten 148, 176 den Druck in den Volumen auf beiden Seiten der Manschetten 148, 176, was die Bewegung der Haltemanschetten 148, 176 behindert. Dies kommt daher, dass das Fluid in den Reglerhohlräumen 144, 172 nicht in der Lage ist sich durch die Öffnungen 510, 560 schnell genug zu stabilisieren, um die Volumen- und Druckänderungen auf beiden Seiten der Manschetten 148, 176 auszugleichen. Um sich von der Behinderung durch diese Volumenänderungen zu befreien, passen sich die Kompensatorkolben 620, 670 an, um den Volumenänderungen auf beiden Seiten der Manschetten 148, 176 Rechnung zu tragen. Um die Bewegung der Kompensatorkolben 620, 670 mit gleichem Druck nicht zu behindern, stehen die Kompensatorhohlräume 630, 680 mit der Umgebung außerhalb der Gehäuse 64, 74 über Anschlüsse 647, 697 in Verbindung.
Mit Bezugnahme auf die 8A und 8B werden jetzt die vorwärts und rückwärts gerichteten Druckregler 130, 160, die entsprechend des dritten alternativen Ausführungsbeispiels konstruiert sind, beschrieben. Mit Ausnahme der im Nachfolgenden beschriebenen Dinge, umfasst das dritte alternative Ausführungsbeispiel die gleichen Elemente und arbeitet in der gleichen Weise wie das zuvor beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Die Druckregler 130, 160 des dritten alternativen Ausführungsbeispiels umfassen jedoch ebenfalls Dämpfer, die den zuvor beschriebenen der ersten oder zweiten alternativen Ausführungsbeispiele gleichen. Die Druckregler 130, 160 des dritten alternativen Ausführungsbeispiels umfassen zusätzlich sekundäre Vorspannelemente 810, 860. Das erste sekundäre Vorspannelement 810 befindet sich im vorwärts gerichteten Druckreglerhohlraum 144 zwischen der Haltemanschette 148 und den Ende 65 des Gehäuses 64. Das zweite sekundäre Vorspannelement 860 befindet sich im rückwärts gerichteten Druckreglerhohlraum 172 zwischen der Manschette 176 und den Ende 169 des Gehäuses 162. Diese sekundären Vorspannelemente 810, 860 sind vorzugsweise Federn mit eingeschränkter Bewegungsfreiheit, können aber auch andere Konfigurationen sein, ohne den Geist des dritten alternativen Ausführungsbeispiels zu verlassen.
Wenn sich die Schubvorrichtung 36 in die Richtung „U" bewegt oder aus dem Bohrloch 22 kommt, wird das Fluidvolumen im Rückstellbereich 88 der inneren Kammer 84 der vorwärts gerichteten Druckvorrichtung 80 und im Rückstellbereich 108 der inneren Kammer 104 der rückwärts gerichteten Druckvorrichtung 100 vergrößert. Dieses zusätzliche Volumen übt Druck auf die vorwärts und rückwärts gerichteten Druckkolben 90, 110 aus und bewegt diese und das Rohr 50 in die Richtung „U". Dieser Vorgang bewegt das Rohr 50 in der exakt entgegengesetzten Weise aus dem Bohrloch 22 heraus, wie sie zur Einführung des Rohres 50 in das Bohrloch 22 benutzt wurde. Während des Einführens des Rohres 50 in das Bohrloch 22 erfährt das Rohr 50 entgegengesetzte Kräfte, als wenn es sich aus dem Bohrloch 22 heraus bewegt. Diese Kräfte arbeiten in entgegengesetzte Richtungen als die oben beschriebenen, die einen Überschiebungszustand erzeugen. Mit entgegengesetzten Kräften am Rohr 50 während der Entfernungszyklen von jeder Druckvorrichtung 80, 100, bewegen sich die vorwärts und rückwärts gerichteten Druckvorrichtungen 80, 100 in entgegengesetzte Richtungen, als sie es unter Überdruckzuständen tun würden, solange das Rohr 50 in das Bohrloch 22 bewegt wird. Folglich bewegt sich, wenn die Elemente nicht durch die sekundären Vorspannelemente vorbelastet sind, die vorwärts gerichtete Druckvorrichtung 80 näher an das vorwärts gerichtete Gehäuse 64 heran und die rückwärts gerichtete Druckvorrichtung 100 bewegt sich weiter vom rückwärts gerichteten Gehäuse 74 weg. Diese Bewegung verhindert, dass die Schubvorrichtung 36 die volle Länge des Druckvorrichtungshubs, infolge der Bewegung unter Last zwischen den Druckvorrichtungen 80, 100 und den Gehäusen 64, 74, erfährt. Mit den sekundären Vorspannelementen 810, 860 wird jedoch, wenn sich die Schubvorrichtung 36 in die rückwärtige Richtung bewegt oder aus dem Bohrloch 22 kommt, der Großteil der Länge der Druckvorrichtungshübe in der Bewegung der Schubvorrichtung 36 aus dem Bohrloch 22 heraus realisiert. Dies beruht darauf, dass die sekundären Vorspannelemente 810, 860 die Gesamtfederrate in Aufwärtsrichtung reduzieren, aber bei minimalen Mengen an Bewegungen, so dass die Druckvorrichtungshübe nicht wesentlich reduziert werden. Die sekundären Vorspannelemente reduzieren ebenfalls die Gesamtfederrate, um die Bohrlochaufrechterhaltungsbaugruppen (nicht gezeigt) vor hohen Lasteinwirkungen zu schützen.
Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung an nahezu jede Anordnung von Vorrichtungen angepasst werden kann. Obwohl die vorliegende Erfindung derart beschrieben wurde, dass sie auf eine Schubvorrichtung mit zwei Druckvorrichtungen angewandt wurde, können die vorliegenden Lehren beispielsweise vorteilhaft auf eine BHA-Anordnung angewendet werden, die nur eine Druckvorrichtung umfasst. Des Weiteren dienen die Begriffe „U", Bohrloch-aufwärts, „D", Bohrloch-abwärts, vorwärts gerichtet und rückwärts gerichtet lediglich zur vereinfachten Erklärung der verschiedenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. Diese Begriffe, wie auch andere ähnliche Begriffe, sind nicht dazu bestimmt irgendeine erforderliche Bewegung oder Orientierung bezüglich der vorliegenden Erfindung zu kennzeichnen.
Während bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, können Modifikationen hiervon von einem mit der Technik vertrauten Fachmann vorgenommen werden, ohne den Geist oder die Lehre dieser Erfindung zu verlassen. Die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele sind nur exemplarisch und sollen nicht einschränkend sein. Viele Variationen und Modifikationen des Systems und der Vorrichtung sind möglich und sind im Geltungsbereich der Erfindung. Entsprechend ist der Geltungsbereich des Schutzes nicht auf die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern ist lediglich durch die nachfolgenden Ansprüche beschränkt, wobei deren Gültigkeitsbereich alle Äquivalente der Gegenstände der Ansprüche umfassen soll.

Claims

Vorrichtung, die zwischen einem stationären Element (60, 70) und einem beweglichen Element (80, 100) angeordnet ist, wobei das bewegliche Element eine Welle (50, 52) antreibt, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: ein erstes Element (132, 162) für den Anschluss an das stationäre Element; ein zweites Element (134, 164) für den Anschluss an das bewegliche Element; ein Vorspannelement (136, 166), das in das genannte erste und das genannte zweite Element eingreift und eine betätigte Position und eine unbetätigte Position hat; und wobei das genannte Vorspannelement in die genannte betätigte Position bewegt wird, wenn das bewegliche Element die Welle nicht antreiben kann, und es zulässt, dass sich das bewegliche Element in Bezug auf das stationäre Element bewegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei sich das genannte erste Element und das genannte zweite Element in Zusammenschiebeingriff miteinander befinden.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die genannten zusammenschiebbaren Elemente ein Gehäuse für das Vorspannelement bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das genannte Vorspannelement eine Feder ist, die in der genannten betätigten Position zusammengedrückt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei das genannte stationäre, bewegliche und das zweite Element eine gemeinsame Bohrung zum Aufnehmen der Welle bilden.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das stationäre Element beweglich wird und ferner ein Dämpfer zwischen dem genannten ersten und dem genannten zweiten Element vorhanden ist, der die Bewegung des genannten ersten und des genannten zweiten Elementes dämpft, während sich das genannte Vorspannelement in die genannte unbetätigte Position bewegt.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das zweite Element eine Öffnung (510, 560) aufweist, durch die Fluid strömen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die genannte Öffnung mehr Strömung zulässt, wenn sich das genannte Vorspannelement von der genannten unbetätigten in die genannte betätigte Position bewegt, als dann, wenn sich das genannte Vorspannelement von der genannten betätigten in die genannte unbetätigte Position bewegt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Öffnung so gestaltet ist, dass sie mehr Fluid in der einen als in der anderen Richtung durch die Öffnung strömen lässt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das genannte erste und das genannte zweite Element einen Kolben und einen Zylinder bilden, wobei der genannte Kolben den genannten Zylinder in wenigstens zwei Kammern (144, 172) unterteilt, wobei die genannte Öffnung in dem genannten Kolben angeordnet ist und den Strom zwischen den genannten Kammern drosselt, wenn sich der genannte Kolben in dem genannten Zylinder bewegt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das genannte Vorspannelement in einer Kammer angeordnet ist und ferner eine in der anderen Kammer (630, 680) angeordnete Feder (625, 675) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das genannte Vorspannelement in einer Kammer angeordnet ist, und die ferner ein in der anderen Kammer angeordnetes Druckausgleichselement (620, 670) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das erste und das zweite Element einen geschlossenen Hohlraum bilden, der das Vorspannelement aufnimmt, und das zweite Element ferner eine Öffnung aufweist, die einem Fluidstrom in den genannten geschlossenen Hohlraum widersteht.
Vorrichtung nach Anspruch 13, die ferner ein Kompensatorsystem im Dichtungseingriff mit dem Gehäuse für eine Bewegung in Koordination mit der Bewegung des zweiten Elementes umfasst, so dass der Fluiddruck in dem Teil des Hohlraums, der sich zwischen dem Kompensatorsystem und dem zweiten Element befindet, im Wesentlichen konstant bleibt.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei das Kompensatorsystem Folgendes beinhaltet: einen Kompensatorkolben (620, 670) im Dichtungseingriff mit dem Gehäuse, eine Kompensatorfeder (625, 675) im Eingriff mit dem Kompensatorkolben und dem stationären Element, und einen Schlitz (647, 697) für eine Fluidverbindung zwischen einer Umgebung außerhalb des stationären Elementes und einem Kompensatorhohlraum (630, 680) zwischen dem Kompensatorzylinder und dem stationären Element.
Vorrichtung nach Anspruch 3, die ferner ein sekundäres Vorspannelement (625, 675) umfasst, das in das stationäre und das zweite Element eingreift, wobei das sekundäre Vorspannelement zusammengedrückt wird, wenn das bewegliche Element die Welle nicht antreiben kann, und eine Bewegung des beweglichen Elementes in Bezug auf das stationäre Element verhindert.
Verfahren zum Regeln eines Überschiebungszustands in einer Bohrlochsohlenbaugruppe (BHA) mit einer Druckvorrichtung (80, 100), die so konfiguriert ist, dass sie ein Rohr (50, 52) axial verschiebt, wobei die Druckvorrichtung auf den Überschiebungszustand anspricht, wenn die Druckvorrichtung das Rohr nicht verschieben kann, wobei das Verfahren die folgenden Schritte beinhaltet: Absorbieren wenigstens eines Teils des bei einem Überschiebungszustand von der Druckvorrichtung erzeugten Drucks.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem im Wesentlichen der gesamte von der Druckvorrichtung erzeugte Druck absorbiert wird.
Verfahren nach Anspruch 17, bei dem der Druck von einem Vorspannelement (136, 166) absorbiert wird.
Verfahren nach Anspruch 17, das ferner das Konfigurieren des Vorspannelementes auf eine solche Weise beinhaltet, dass es eine Vorkompression hat, wenn die Druckvorrichtung das Rohr verschieben kann.
Verfahren nach Anspruch 20, das ferner das Konfigurieren des Vorspannelementes beinhaltet, so dass es einen Druck auf das Rohr ausübt, während die Druckvorrichtung in einem Überschiebungszustand ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Druck von wenigstens einer Feder absorbiert wird.