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Die Erfindung bezieht sich auf eine Bedienungseinrichtung für Bohrgestänge-Rohrzüge eines Bohrturms mit einem Gestängerechen zur Aufnahme der Rohrzüge in vertikalen, im Bereich einer Seite des Bohrturms in Abständen voneinander angeordneten, im wesentlichen parallelen Aufnahmeräumen und mit einer Rohrverschiebeeinrichtung zum Verschieben aufeinanderfolgender Rohrzüge zwischen einer Stellung im Bereich der Bohrturmachse und dem Gestängereehen.
Da in zunehmendem Masse an abgelegenen Stellen gebohrt wird, unter anderem an und vor der Meeresküste, besteht ein immer stärker werdendes Bedürfnis nach einer automatisch arbeitenden Bedienungseinrichtung für Bohrgestänge-Rohrzüge, um insbesondere beim zweckmässig von schwimmenden Inseln aus durchgeführten Bohren in grossen Wassertiefen den Arbeitsaufwand für das Manipulieren der Rohre und den mit den Arbeitskräften verbundenen Aufwand herabzusetzen. Schwimmende Inseln sind unstabil und können mit einer Bohranlage oder einem Bohrturm versehen sein.
Auch bei einem Bohrturm, der auf einer stabilen Plattform montiert ist, beispielsweise an Land oder auf einer Plattform, die in Küstennähe im Boden verankert ist, hat die automatische Bedienung der Rohre den Vorteil, dass der menschliche Arbeitsaufwand herabgesetzt und die Sicherheit beim Bohren von Ölbohrlöchern erhöht wird.
Vorrichtungen zum Bedienen von Bohrgestängerohren und Schwerstangen sind bereits bekannt. Eine derartige Vorrichtung ist in den US-PS Nr. 3, 561, 811 (Turner), Nr. 3, 768, 663 (Turner) und Nr. 3, 615, 027 (Ham) angegeben. Weiters sind Einrichtungen der eingangs genannten Art aus der US-PS Nr. 3, 929, 235, der DE-OS 2448336 und der FR-PS Nr. 2. 028. 231 bekanntgeworden. Alle diese bekannten Einrichtungen weisen vorteilhafte Merkmale auf, die sich auf die Bedienung von Bohrtürmen, insbesondere solchen auf Bohrinseln, beziehen. Keine dieser Einrichtungen weist jedoch eine automatisch und völlig zuverlässig arbeitende Bedienungseinrichtung für die Bohrgestänge-Rohrzüge auf.
Es ist ein Ziel der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der die Rohre und Schwerstangen schnell und genau in eine Stellung gebracht werden können, aus der sie in das Bohrloch eingebaut werden können, oder mit der die Rohre und Schwerstangen derart gestapelt oder in einem Gestängerechen abgestellt werden können, dass das Rohr an einer von der Bohrturmachse entfernten Stelle stabil festgelegt ist.
Beim Manipulieren der Rohre oder Schwerstangen sind gewöhnlich mehrere Rohrschüsse miteinander zu Zügen verbunden, die als solche manipuliert werden. Meistens besteht ein Zug aus drei Schüssen eines Bohrgestängerohrs oder einer Schwerstange. Diese Züge müssen von Zeit zu Zeit an einer von der Bohrturmachse entfernten Stelle in einem Gestängerechen abgestellt werden, damit sie einerseits den Bohrvorgang nicht behindern und anderseits sofort erfasst und in eine Stellung zur Verbindung mit dem Bohrstrang gebracht werden können. Ein derartiges Abstellen der Züge in einem Gestängerechen an einer von der Bohrturmachse entfernten Stelle und Herausnehmen der Züge aus dem Gestängerechen ist beispielsweise erforderlich, wenn zum Auswechseln des Bohrmeissels der Bohrstrang ausgebaut und dann zur Fortsetzung des Bohrvorganges wieder in das Bohrloch eingebaut wird.
Dieses Ziel lässt sich mit einer bekannten Einrichtung der eingangs erwähnten Art erreichen, bei welcher erfindungsgemäss eine Rechenanlage zur Steuerung des Gestängerechens und der Rohrverschiebeeinrichtung vorgesehen ist.
Die Verwendung der erfindungsgemässen Einrichtung führt zu einer Verbesserung des Betriebes des Gestängerechens und der Rohrverschiebeanordnung, die dazu dient, Rohrzüge zur vorübergehenden Lagerung von der Bohrturmachse in den Gestängerechen zu bewegen. Insbesondere schafft die Erfindung eine Steuerungs- und Antriebsvorrichtung für Ausleger, die zur Manipulation von Rohren dienen und die in vertikal im Abstand übereinanderliegenden, horizontalen Ebenen in der Längsrichtung ausgefahren und eingezogen und in diesen Ebenen auch seitwärts bewegt werden können, so dass die gesteuerte Bewegung der vertikal übereinanderliegenden Ausleger zwischen der Stellung im Bereich des Gestängerechens und einer Stellung, in welcher sich ein Rohr über dem Bohrtisch befindet, von einer einzigen Bedienungsperson auf dem Bohrturmflur ohne weiteres überwacht werden kann.
Die Steuerungs- und Antriebsvorrichtung ermöglicht ferner die automatisch gesteuerte Bewegung der Ausleger, so dass die Bedienungsperson nur die Bewegung der Bedienungseinrichtung aus der Stellung über dem Bohrtisch zu dem neben dem Bohrturm angeordneten Gestängerechen zu überwachen braucht. Diese automatisch gesteuerte Arbeitsweise betrifft das Einspannen des Bohrstranges zum Hochziehen aus dem Bohrloch, das Einspannen des von dem Bohrstrang abzunehmenden Rohrzuges, das Abheben dieses Rohrzuges von dem Bohrstrang, das Bewegen des Rohrzuges aus einer Stellung über dem Bohrtisch in eine Stellung im Bereich des Ge-
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stängerechens, das Einführen des Rohrzuges in den Gestängerechen, das Abstellen des Rohrzuges in dem
Gestängerechen auf einem Auflager und gegebenenfalls das Schliessen eines Riegels zum Festlegen des
Rohrzuges.
Dank der Erfindung können die Bedienungselemente der Steuerungs- und Antriebsvorrichtung an einer zweckmässigen Stelle angeordnet sein, beispielsweise auf dem Bohrturmflur in Reichweite einer auf dem Flur befindlichen Bedienungsperson, und von dieser betätigt werden.
Mittels der Rechenanlage lassen sich die Funktion der hydraulisch betätigten Ausleger und die verschiedenen Hilfsfunktionen steuern, die beim Abstellen von Rohren in einem Gestängerechen durchgeführt werden müssen. Zum Abstellen von Rohren in einem Gestängerechen wird dieselbe hydraulisch betätigte Vorrichtung verwendet, die sonst von einer oder mehreren Bedienungspersonen händisch gesteuert wird und jetzt wahlweise auch von dem Rechner gesteuert werden kann.
Die Erfindung samt ihren weiteren Vorteilen und Merkmalen ist im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Zeichnungen veranschaulicht sind. Es zeigen Fig. l in schematischer Seitenansicht einen Bohrturm mit ihm zugeordneten Einrichtungen, Fig. 2 schematisch einen Teil des Last-Sensors für den Hebekopf, Fig. 3 in einer Draufsicht den Gestängerechen, Fig. 4 in einer Seitenansicht einen Hebekopf, Fig. 5 in einer Draufsicht eine dem Hebekopf gemäss Fig. 4 zugeordnete Klaue, Fig. 6 ein Schaltschema des hydraulischen Systems zur Steuerung der Rechenriegel, Fig. 7 in einem Blockschema die aufeinanderfolgenden Schritte, die während eines Teils des Programms des Rechners von diesem gesteuert werden, Fig. 8 ein Blockschema der Rechenanlage, Fig.
8A als Einzelheit ein mit einer Kathodenstrahlröhre versehenes- Sichtanzeigegerät der Rechenanlage, Fig. 8B in einer Vorderansicht die Bedienungstafel und Fig. 9 ein Schema der elektrischen Steuerungselemente für eine Servosteuerung zum Verschieben der Rohre. Fig. 10A, lOB und 10C zeigen ein Schema des hydraulischen Systems zur Steuerung der Rohrverschieber und zum Heben der Rohrzüge.
Fig. 11 zeigt in einer Druntersicht die Rohrverschiebeanordnung gemäss Fig. llA, wobei auch der Sensor gezeigt ist, der zum Erfassen der Position der Rohrverschiebeanordnung dient, Fig. 11A eine Seitenansicht der Rohrverschiebeanordnung, Fig. llB eine Draufsicht auf die Rohrverschiebeanordnung gemäss Fig. llA, Fig. 12 im Schnitt ein Beispiel eines Sensors, Fig. 12B in einer Draufsicht den Sensor gemäss Fig. 12, Fig. 13 teilweise weggeschnitten den dem Hebekopf zugeordneten Sensor, Fig. 14 ein elektrisches Schaltschema eines Teils der dem Hebekopf zugeordneten Steuerung, Fig. 15 ein elektrisches Schaltschema der Rückkopplungsschaltung, die den Klauen der Rohrverschiebeanordnung und des Hebekopfes zugeordnet ist, Fig.
16 in einer Seitenansicht den Mechanismus zum Ausrücken des Unterblocks des Flaschenzuges, Fig. 17 eine Draufsicht auf den Elevator und den ihm zugeordneten Sensor, Fig. 17A in einer Draufsicht die Verriegelung für den Elevator und Fig. 17B als Einzelheit die pneumatische Einrichtung zur Betätigung der Verriegelung für den Elevator. Fig. 18, 19 und 20 sind Blockschemata zur Darstellung der aufeinanderfolgenden Arbeitsschritte, die gemäss dem Rechnerprogramm durchgeführt werden.
In Fig. 1 ist eher schematisch ein Bohrturm --22-- dargestellt, wobei Verschwertungen, Haltedrähte u. dgl. Konstruktionselemente nicht gezeigt sind, damit die arbeitenden Teile deutlicher erkennbar sind.
Der Bohrturm hat allgemein vertikale Eckpfosten--24 und 25--, die mit Fussteilen --29 und 30-- auf einer Grundplatte --28-- stehen. In der Nähe des oberen Endes des Bohrturms --22-- ist ein Tisch (water table) --32-- montiert, der den üblichen Kronenblock --33-- trägt, der mit der vertikalen Mittelachse des Turms fluchtet. An dem Kronenblock ist mittels eines Seils --34-- ein Unterblock --35-- aufgehängt. In der üblichen Weise ist das Seil --34-- mit seinem nicht gezeigten einen Ende an der Grundplatte --28-- befestigt und führt es mit seinem andern Ende zu der Seiltrommel --36-- eines Hebewerks --37--, das zum Heben und Senken des Unterblockes und der von ihm getragenen Last dient.
Am Unterblock --35-- ist unten ein Haken --38-- schwenkbar aufgehängt, u. zw. mit Hilfe von ineinandergreifenden Bügeln --39-- des Hakens und --41-- des Blockes --35--. An einer Öse--43--des Hakens ist schwenkbar ein Lenker --42-- aufgehängt, der an seinem unteren Ende mit einer Öse --45-- versehen ist, mit der ein Elevator --44-- schwenkbar verbunden ist. Auf der andern Seite des Hakens - ist ein in Fig. 2 nicht gezeigter, zweiter Lenker aufgehängt, der den Elevator --44-- auf ähnliche Weise mit dem Haken --38-- verbindet.
Mit --46-- ist eine Vorrichtung zum Bewegen und Führen des Unterblockes und Hakens bezeichnet, mit --47-- eine Vorrichtung zum Stabilisieren der Aufhängelenker für den Elevator, mit --48-- eine Einrichtung zur Druckluftbeaufschlagung des Elevators --44-- und mit - -51, 52 und 62-- eine Rohrverschiebeanordnung. Diese umfasst einen oberen Rohrverschieber --51--,
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einen mittleren Rohrverschieber --52-- und einen unteren Rohrverschieber --62--, die aus je einem Wagen und einem Ausleger bestehen.
Der Ausleger des mittleren Rohrverschiebers --52-- ist mit einem Hebekopf - versehen. Die Einzelheiten der Einrichtung --46-- zum Stabilisieren und Einstellen des Unterblockes und des Hakens, der Einrichtung --47-- zum Stabilisieren der Lenker, der Einrichtung --48-- zur Druckluftbeaufschlagung des Elevators --44-- und der Rohrverschiebeanordnung --51, 52, 62-sind in den nachstehenden Patentschriften genauer angegeben :
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- Stabilized Pipe Supporting Structure for Drilling Rigs-Turner jr. ; US-PS Nr.3,615,027 - Pipe Racking Control System - J. E. Ham.
Man erkennt, dass ein Bohrgestängerohrzug --49--, der hier aus drei einzelnen Rohrschüssen besteht, von einer zum Manipulieren von Rohren dienenden Vorrichtung getragen wird, die einen oberen Rohrverschieber --51-- und einen mittleren Rohrverschieber --52-- umfasst, die nachstehend beschrieben werden. Man erkennt ferner, dass weiter Bohrgestängerohrzüge --53-- oder Schwerstangenzüge --54-- in einem Rohrgestell abgestellt sind, das einen Gestängerechen --55--, ein Auflager --56-- und einen dazwischen angeordneten Gestellteil --57-- aufweist.
Man erkennt ausserdem, dass das obere Ende des Bohrstranges --26-- über die Motorzange --58--, die Abfangkeile --59-- und den Bohrtisch --61-aufwärts vorsteht. Mit --62-- ist eine Vorrichtung zum Manipulieren der Futterrohre bezeichnet ; diese Vorrichtung kann auch als unterer Rohrverschieber bezeichnet werden. In einem Spülstangen-Abstelloch - ist eine Anordnung --63-- mit einem Drehkopf und einer Mitnehmerstange angeordnet. Die Rohrverschiebeanordnung ist in der US-PS Nr. 3, 561, 881 (Turner) genau dargestellt und beschrieben.
Unter dem Rohrverschieber --51-- steht von dem Bohrturm eine horizontale Bühne --65-- auswärts vor, auf der eine Bedienungsperson stehen kann, wenn der Rohrverschieber eingestellt oder instandgesetzt werden soll.
Dem Rohrverschieber --52-- ist ein Seil --66-- zugeordnet, das von einem druckmittelbetätigten Kolbentrieb --67-- betätigt wird und zum Heben und Senken des Hebekopfes dient, wie dies in der US-PS Nr. 3, 615, 027 genau beschrieben ist. Das Hubseil --66-- ist einerseits mit dem Kolbentrieb --67-und anderseits mit einem Hebekopf --152-- verbunden, der dem Rohrverschieber --52-- zugeordnet ist und zum Heben und Senken des Rohrzuges --49-- dient.
Gemäss Fig. 3 besteht der Gestängerechen --55-- aus zwei Teilen. Von dem Aussichtspunkt des Turmsteigers aus gesehen ist der eine Teil --68-- rechts und der andere Teil --69-- links von einer zentralen Öffnung --71-- angeordnet. Man kann diesen Gestängerechen --55-- in dem Bohrturm --22-- in beträchtlicher Höhe anordnen, beispielsweise etwa 24 m über der Plattform --28--.
Der Gestängerechen --55-- besitzt eine hintere Schiene --72--, die sich im Bereich des Bohrturms - quer über die dem Bohrturm benachbarte Seite des Gestängerechens erstreckt. Quer über die geschlossene oder äussere Seite des rechten Gestängerechenteils --68-- erstreckt sich eine Endschiene --73--. Quer über das linke äussere Ende des Gestängerechenteils --69-- erstreckt sich eine Endschiene --74--. Von den Endschienen --73 und 74-- einwärts erstreckt sich je eine vordere Schiene --75 bzw.
76--. Die Schienen --72, 73,74, 75 und 76-- bilden einen die Teile des Gestängerechens tragenden Rahmen und können auch als umlaufender Laufsteg bezeichnet werden. Die vorderen Schienen --75 und 76-- sind mit Streben --77, 78,79 und 80-- versehen.
Auf den Endschienen --74-- sind die Zinken --82-- für die Bohrgestängerohre und ein oder mehrere Zinken --87-- für Schwerstangen montiert. Diese Zinken sind an ihren linken Enden befestigt und erstrecken sich horizontal in der Querrichtung des Bohrturms. Sie sind von der vorderen Schiene --76-bis zu der Zinke --87-- für die Schwerstangen in solchen seitlichen Abständen voneinander angeordnet, dass die entsprechenden Bohrgestängerohre in den Zwischenräumen aufgenommen werden können. Die Zinke --87-- ist in einem solchen Abstand von der hinteren Schiene --72-- angeordnet, dass die abzustellende Schwerstange in dem Zwischenraum aufgenommen werden kann. Der Zwischenraum zwischen der vorderen Schiene --76-- und der Zinke --81-- ist --81-- ist mit --88-- bezeichnet.
Dieser Zwischenraum erstreckt sich von dem äusseren Ende der Zinke zu deren der Schiene --74-- benachbartem Endteil und hat eine solche horizontale Tiefe, dass er eine ausgewählte Anzahl von Rohrzügen, in dem dargestellten Ausführungsbeispiel 12 Rohrzüge, aufnehmen kann. Dasselbe gilt für die Zwischenräume --90--. Der
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Zwischenraum zwischen der Schwerstangenzinke --87-- und der hinteren Schiene --72-- ist grösser als die Zwischenräume zwischen den andern Zinken und hat eine solche Tiefe, dass er sechs Schwerstangenzüge aufnehmen kann.
Man erkennt, dass dieser Zwischenraum an seinem linken Ende durch ein Knotenblech - geschlossen ist, das vorzugsweise an der hinteren Schiene --72-- und dem Schwerstangenfinger - angebracht ist, sich ein Stück horizontal auswärts erstreckt und zum Tragen und Verstärken der Anordnung und als Anschlag für den ersten darin abgestellten Schwerstangenzug --54-- dient.
Jede der Zinken --82 und 87-- ist mit einer Reihe von über ihre ganze Länge verteilten Riegeln - versehen, deren Abstände so bemessen sind, dass die Zwischenräume je ein Bohrgestängerohr aufnehmen können. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist jede Zinke mit 12 Riegeln versehen. Die Riegel sind in ihrer oberen offenen Stellung bei --98-- und in der Schliessstellung bei --99-- dargestellt.
Bei offenen Riegeln können Rohre frei in die Zwischenräume zwischen den Zinken hinein- und aus ihnen herausbewegt werden.
Der rechte Teil --73-- des Gestängerechens ist ebenfalls mit Zinken für Bohrgestängerohre und mit einer Zinke für Schwerstangen versehen. Diese Zinken haben dieselbe Anordnung und Funktion wie die vorstehend beschriebenen Zinken. Die verschiedenen Riegel des Gestängerechens --55-- gehören nur insofern zu der Erfindung, als sie Elemente des Systems zum automatischen Manipulieren von Rohren darstellen. Ihre Ausbildung und Wirkungsweise sind in der US-PS Nr. 3, 768, 663-Control for Well Pipe Racks and the Like - ausführlich beschrieben. Die hydraulische Betätigung der Riegel ist in der US-PS Nr. 3, 799, 364 beschrieben. In Fig. 3 ist die hydraulische Betätigung der Riegel angedeutet. Jede
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sind.
Jeder Verteiler ist mit geeigneten Ventilen und Elektromagneten (nicht gezeigt) versehen, die zur Betätigung der Ventile für jeden Riegel der entsprechenden Zinke dienen. Es sind ferner Druckflüssigkeitsleitungen vorgesehen, die zu dem Riegelbetätigungsmechanismus führen, und elektrische Verbindungen, die zu einem Rechner führen. Diese Teile werden nachstehend ausführlich beschrieben.
Fig. 3 zeigt ferner einen Teil des oberen Rohrverschiebers --51-- mit einem Ausleger --118--, der am Ende einen Haltekopf --119-- mit einer Rohrführungseinrichtung in Form eines Riegels oder einer Klaue
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--121-- einen Bohrgestängerohrzug --49-- hält.Ausleger --118-- ist in einem Wagen --122-- (Fig. 1) montiert und mit einer nachstehend beschriebenen Einrichtung zum Ausfahren und Einziehen des Auslegers in seiner Längsrichtung versehen. Der Wagen --122-- ist in einem horizontalen Führungsrahmen --125-- angeordnet, der sich auf der Seite des Bohrturms horizontal erstreckt, und ist mit einer nachstehend beschriebenen und von dem Rechner gesteuerten Einrichtung versehen, die dazu dient, den Wagen in dem Führungsrahmen von der einen Seite des Bohrturms zur andern zu bewegen.
Dieser Rohrverschieber wird von Kolbentrieben betätigt, die von den nachstehend beschriebenen, elektrisch-hydraulischen oder handbedienten Systemen gesteuert werden.
Aus der Fig. 1 geht ferner hervor, dass der mittlere Rohrverschieber --52-- ebenso wie der obere Rohrverschieber --51-- einen Wagen --122-- und einen Führungsrahmen --125-- aufweist, der den Wagen
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3, 615, 027 (J. E. Ham)Hebekopf --152-- des mittleren Rohrverschiebers --52-- ist mit dem Seil --66-- verbunden und kann mit Hilfe desselben gehoben und gesenkt werden. In einer beispielsweise in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform ist das Seil --66-- mit einer Drahtseilmuffe --66a-- versehen, die über einen Last-Sensor --297-- mit einem Steg --66c-- verbunden ist, der an dem Hebekopf --152-- vorgesehen ist.
Gegebenenfalls kann ferner zwischen Ösen --167--, die am oberen Ende der Kopfführung --153-- vorgesehen sind, eine Rolle - gelagert sein, die beim Senken des Kopfes --152-- an dem Seil angreift. Der Hebekopf --152-kann ähnlich ausgebildet sein wie der in der US-PS Nr. 3, 615, 027 (J. E. Ham) beschriebene.
Fig. 4 zeigt ferner einen Riegel oder eine Klaue --185--, der bzw. die genauer in Fig. 5 dargestellt ist und zum Einspannen eines Bohrgestängerohrs oder einer Schwerstange dient. Die Klaue --185-- besitzt einen Hebel --186--, der beispielsweise mittels eines Schwenkzapfens -- 186-- schwenkbar mit dem Körper des Hebekopfes --152-- verbunden ist.
Der Hebel --186-- besitzt einen Antriebsarm --189-- und einen Abtriebsarm-190-. Dieser erstreckt sich klauenartig im Bogen und hat eine bogenförmige Innenfläche - -191--, die in der einen Stellung des Hebels --186-- an einem Verbinder oder einer Schwerstange angreifen und eine derartige Kraft darauf ausüben kann, dass der Verbinder oder die Schwerstange in eine geeignete Ausnehmung -- 180a oder 176a-- eines Gegenhalters --180-- bzw. einer Adapterplatte
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- hineingedrückt werden kann. Der Hebel --186-- kann in eine zweite, in Fig. 5 gestrichelt dargestellte Stellung bewegt werden, in der die Klaue für die Aufnahme des Bohrgestängerohrs oder der Schwerstange offen ist.
Zur Bewegung des Gegenhalters --180-- zwischen einer ausgefahrenen und einer eingezogenen Stellung ist ein Kolbentrieb --195-- und zur Bewegung des Haken- oder Klauenhebels --186-- zwischen den in Fig. 5 mit ausgezogenen Linien bzw. gestrichelt dargestellten Stellungen ist ein Kolbentrieb-196-vorgesehen. Diese Kolbentriebe --195 und 196-- sind in der US-PS Nr. 3, 615, 027 ausführlich beschrieben.
Die Kolbentriebe --195 und 196-- können von einem auf dem Flur stehenden Mann-B- (Fig. l) mit Hilfe einer geeigneten Ventilsteuerung oder bei dem nachstehend beschriebenen, automatisch gesteuerten Betrieb von einem Rechner-235- (Fig. 8) gesteuert werden.
Aus der Fig. l geht ohne weitergehende zeichnerische Erläuterung hervor, dass der obere Haltekopf
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Teils eines Bohrgestängerohrzuges, beispielsweise des in Fig. 1 gezeigten Zuges --49--, oder eines Schwerstangenzuges, beispielsweise des in Fig. 1 gezeigten Zuges --54--, gegen eine Seitwärtsbewegung gegenüber dem Haltekopf --119-- geschlossen werden kann und dass der Zug relativ zu dem Haltekopf - gehoben und gesenkt werden kann. Vorstehend wurde erwähnt, dass der in Fig. l dargestellte Rohrverschieber --62-- zum Manipulieren von Futterrohren dient. Diese Anordnung kann ebenfalls einen Haltekopf und eine Klauenanordnung aufweisen, die bei bestimmten Manipulationen von Rohren mit dem Zug in Gleitberührung treten können.
Bei vielen Manipulationen von Rohren ist nur einer der vorerwähnten Rohrverschieber --51, 52 und 62-- erforderlich. Beispielsweise kann man Bohrgestängerohrzüge - unter Umständen allein mit dem Rohrverschieber --52-- manipulieren, wobei der vertikale Arm - beispielsweise mit einer oder mehreren Klauenanordnungen --121-- zum Halten des Rohrs versehen werden kann.
Aus der vorstehenden Beschreibung der mechanischen Vorrichtung zum Manipulieren von Rohren, die zu einem Bohrstrang zusammengesetzt oder von ihm abgenommen werden sollen, geht hervor, dass der Betrieb der Vorrichtung durch eine automatische Steuerung viel wirtschaftlicher gestaltet werden kann.
Daher sollen jetzt die Einrichtungen und Steuerungen beschrieben werden, die zur automatischen Steuerung der hydraulisch angetriebenen Vorrichtung zum Manipulieren von Rohren dienen.
Fig. 8 zeigt schematisch die Signalinformationen, die in den zentralen Rechner --235-- eingegeben und von ihm ausgegeben werden. Der Rechner --235-- kann ein Universal-Digitalrechner sein, beispielsweise der von der Digital Equipment Corporation in Maynard, Massachusetts (USA) unter der Bezeichnung PDP-8/E hergestellte Rechner. Gemäss Fig. 8 sind zwei Eingabe-Ausgabe-Konsolen dargestellt, die an eine Bedienungsperson Informationen über den Betriebszustand des Rechners --235-- abgeben und die zur Eingabe von Fortschreibeinformationen in den Rechner --235-- verwendet werden können.
In der Fig. 8 (a) ist ferner ein Sichtanzeigegerät --236-- gezeigt, beispielsweise das von der Digital Equipment Company unter der Bezeichnung VT05-A-AA hergestellte Gerät mit einer Kathodenstrahlröhre und einer Tastatur, das gerade eine Nachricht an die Bedienungsperson abgibt. Die dargestellte Information gibt den Aufbau des Bohrstranges an und ist aus nachstehend beschriebenen Eingabeinformationen kompiliert.
Das Sichtanzeigegerät --236-- zeigt optisch die Menge der im Bohrloch befindlichen Rohre, die Bohrlochtiefe, die Bohrmeisseltiefe und andere von der Bedienungsperson benötigte Informationen an. Die andere Eingabe-Ausgabe-Konsole stellt die Bedienungstafel --237-- für den Bohrmeister dar und gestattet einer Bedienungsperson die Eingabe von bestimmten, begrenzten Informationsmengen an den Rechner - -235-- über Bedienungsschalter, die am unteren Rand der Bedienungstafel --237-- vorgesehen sind.
Fig. 8 (b) zeigt eine typische Anordnung für die Bedienungstafel --237-- für den Bohrmeister. Der Betriebsartenwahlschalter-238-ermöglicht die Wahl zwischen der automatischen oder händischen Steuerung des Systems zum Manipulieren von Bohrgestängerohren. Weitere Bedienungselemente umfassen einen Wiederanlaufschalter --239-- für das Wiederanlaufen des Programms nach einer Unterbrechung wegen einer Störung des Geräts oder wenn die Bedienungsperson eine Anfrage erhalten hat, damit gewährleistet ist, dass Massnahmen, welche die händische Betätigung eines Bedienungselements erfordern, richtig durchgeführt worden sind. Anzeigelampen zeigen den Betriebszustand des automatisch gesteuerten Systems an.
Auf der Bedienungstafel sind ferner Handschalter zum Unterbrechen der automatisch gesteuerten Vorgangsfolge zum Manipulieren von Rohren vorgesehen. Eine Unterbrechung kann
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vorgenommen werden, um an bestimmten Stellen der Vorgangsfolge zum Manipulieren von Rohren absichtlich eine Pause einzulegen ; dies kann entweder unter Programmsteuerung oder durch Betätigung. des Stopschalters erfolgen. Eine Unterbrechung kann ferner automatisch unter Programmsteuerung im Falle einer Störung herbeigeführt werden. Zur Anzeige des Unterbrechungsvorganges können geeignete Anzeigelampen eingeschaltet werden.
Eine programmgesteuerte Pause kann auch herbeigeführt werden, wenn eine Manipulationsfolge eingeleitet werden soll und wenn nach einer programmgesteuerten Pause und einer Unterbrechung zur Veränderung des Bohrstranges die Antwort der Bedienungsperson auf eine Anfrage abgewartet werden soll.
Gemäss Fig. 8 erzeugt auf Grund einer programmierten Folge von Befehlen (eines Rechnerprogramms) der Rechner --235-- Steuersignale, die zur Steuerung eines Achsenwählers --241--, einer Klauensteuerung --242--, einer Hebekopfsteuerung --243-- und einer Rechenriegelansteuer- und -betätigungs- einrichtung --244-- dienen.
An die Servosteuerungen für den oberen und mittleren Rohrverschieber wird Positionsinformation über Leitungen --245 und 246-abgegeben. Zur genauen Bestimmung der Position des dem mittleren Rohrverschieber zugeordneten Hebekopfes wird Positionsinformation von einem nicht gezeigten PostionsSensor über eine Leitung --247-- an den Rechner --235-- abgegeben.
Beim automatisch gesteuerten Betrieb der Vorrichtung zum Manipulieren von Rohren werden bestimmte Rückmeldesignale erzeugt, die über die Eingabeleitung --248-- (die aus mehreren Einzelleitungen bestehen kann) in den Rechner --235-- eingegeben werden. Die Funktion der verschiedenen Rückmeldeeinrichtungen wird nachstehend angegeben. Es sind ein Sensor --251-- zur Anzeige der Bewegung des Rohrverschiebers, ein Sensor --252-- zur Anzeige eines unzulässig grossen Positionsfehlers des Rohrverschiebers, ein Sensor --253-- zur Anzeige der Offen- bzw.
Schliessstellung der Klauen, ein Sensor --254-- zur Anzeige des unbelasteten bzw. belasteten Zustandes des Hebekopfes, Sensoren --255-zur Anzeige der Schliessstellung von Rechenriegeln, ein Sensor --256-- zur Anzeige der Rückzugsstellung des Unterblockes, ein Sensor --257-- zur Anzeige des geschlossenen und gesicherten Zustandes des Elevators und ein Sensor --258-- zur Überwachung des Filters des hydraulischen Systems vorgesehen.
Nachstehend werden die elektrischen und hydraulischen Steuerungseinrichtungen ausführlich beschrieben. Zunächst sollen jedoch die Funktionen der vorstehend angegebenen Steuereinrichtungen kurz erläutert werden.
(1) Der Achsenwähler --241-- steuert für jeden Rohrverschieber entsprechend der jeweils erforderlichen Bewegungsrichtung die richtige Achse an. Die Rohrverschieber sind so ausgebildet, dass sie sich jeweils nur längs einer Achse bewegen und dass sie während einer Bewegung längs einer nichtgewählten Achse keinen Bewegungsbefehl empfangen können.
(2) Die Klauensteuerung --242-- dient zum Öffnen und Schliessen der Klaue-121- (Fig. 3) des oberen Rohrverschiebers --51-- und der Klauen von gegebenenfalls vorhandenen mittleren und unteren Rohrverschiebern.
(3) Die Hebekopfsteuerung --243-- steuert die Vertikalbewegung des dem mittleren Rohrverschieber - -52-- (Fig. 1) zugeordneten Hebekopfes --152--. Wie vorstehend im Zusammenhang mit dem mechanischen System angegeben wurde, hebt der Hebekopf --152-- den Rohrzug --49-- von dem Bohrstrang --26-- ab,
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des Hebekopfes --152-- und damit des Gestängerohrzuges --49-- bis zum Erreichen des Bohrstranges - -26--, damit der Rohrzug mit dem Bohrstrang verbunden werden kann.
(4) Die Rechenriegelansteuer-und-betätigungseinrichtung-244-- ist mit dem in Fig. 3 dargestellten Rechen --55-- verbunden und bewirkt in Abhängigkeit von dem Fortschritt des Programms zum Manipulieren von Rohren, dass ein oder mehrere Finger --97-- angesteuert und geöffnet oder geschlossen werden.
(5) Von dem Rechner --235-- erzeugte Positionsinformationen können über geeignete Schnittstelleneinrichtungen an die Servosteuerungen für den oberen, mittleren und unteren Rohrverschieber abgegeben werden, wobei die Kombination von der jeweiligen Ausführungsform abhängt. Auf Grund dieser Positionsinformation bewegt sich der jeweilige Rohrverschieber in die gewünschte Stellung, je nachdem, ob das System zum Manipulieren von Rohren Bohrgestängerohre von dem Bohrstrang abnimmt oder auf ihn aufsetzt.
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(6) Wie vorstehend erläutert wurde, dient der Hebekopf zum Abheben und Absenken des Rohrzuges - von bzw. auf den Bohrstrang --26-- in der Bohrlochachse und zum Abheben und Absenken des Rohrzuges von dem und auf das seitlich von dem Bohrturm --22-- vorhandene Auflager --56-- (Fig. 1).
Der Hebekopf kann mit zwei Geschwindigkeiten bewegt werden und wird in der Endphase der Auf- oder Abwärtsbewegung des Rohrzuges im Kriechgang bewegt.
Die nachstehend mit CH- und nachgesetzten Ziffern bezeichneten Anschlüsse sind Eingabe- oder Ausgabekanäle des Universal-Digitalrechners (UDC-8). Dieser Universalrechner bildet eine Schnittstelle zwischen den elektrischen Schaltungen der verschiedenen arbeitenden Systeme und dem Digitalrechner. Es werden nicht alle diese Eingabekanäle besonders erwähnt. Es versteht sich jedoch, dass jedes in den Rechner einzugebende oder von ihm ausgegebene Signal zuerst durch die Schnittstelle gehen muss.
Gemäss Fig. 8 erhält der Rechner --235-- von den verschiedenen Bestandteilen des arbeitenden Systems bestimmte Eingabe- und Rückmeldesignale, damit gewährleistet ist, dass das mechanische System den jeweiligen Arbeitsschritt richtig durchgeführt hat, ehe ein Befehl zur Durchführung des nächsten Arbeitsschritts der automatisch gesteuerten Vorgangsfolge ergeht.
Der Sensor --251-- zur Anzeige des Bewegungszustandes des Rohrverschiebers ist ein Geschwindigkeits-Sensor, der Spannungen misst, die durch die Bewegung des Wagens oder Auslegers des Rohrverschiebers induziert werden. Dadurch soll gewährleistet werden, dass sich weder der Ausleger noch der Wagen bewegt, ehe der Rechner --235-- den nächsten Schritt der automatisch gesteuerten Vorgangsfolge einleitet.
Die Bewegung des Rohrverschiebers wird direkt auf Grund der Bewegung des die bewegten Teile antreibenden Hydromotors erfasst. In Fig. 11 ist der Antrieb gezeigt, der zur Bewegung des Wagens --122-- in dem Führungsrahmen-125-- dient. Dieser Antrieb umfasst eine Antriebskette--138--, die sich quer über den Führungsrahmen --125-- erstreckt und an ihren Enden mit den Seitenleisten --126-- des Führungsrahmens verbunden ist. In die Kette greift ein Antriebskettenrad-139-- ein, das von einem umsteuerbaren Motor --140-- angetrieben wird, der auf der Führung --132-- montiert ist. Es ist ferner ein Sensor zum Erfassen der Position und gegebenenfalls der Geschwindigkeit des Wagens --122-vorgesehen.
Dieser Sensor umfasst beispielsweise einen Geber --250--, der auf dem Tragglied --128-- des Wagens montiert ist und dessen Kettenrad --251-- mit der Welle --252-- des Hydromotors --140-- parallel fluchtet. Auf der Welle --252-- des Motors --140-- ist ein weiteres Kettenrad --253-- montiert, das durch eine Antriebskette --254-- mit dem Kettenrades --251-- des Gebers --250-- verbunden ist.
In Fig. 12 ist der Geber --250-- ausführlich dargestellt. Das von der Kette-254- (Fig. 11) angetriebene Kettenrad --251-- dreht über ein geeignetes Getriebe den Tachodynamo --255-- und den Drehmelder --256-- des Gebers an. Das Kettenrad --251-- dreht über die Welle das Zahnrad --258--, das mit dem Zahnrad --259-- kämmt, das starr auf der Welle --260-- des Tachodynamos --255-- sitzt. Ferner kämmt ein Zahnrad --261-- mit dem Zahnrad --262--, das auf der Welle --263-- sitzt und mit dem Zahnrad --264-- kämmt, welches der Welle --265-- des Drehmelders --256-- dient.
Der Tachodynamo - kann beispielsweise das von der Firma Servo-Tek unter der Bezeichnung SB740B-1 hergestellte Gerät sein und erzeugt ein Spannungssignal, das der Bewegung des Wagens --122-- entspricht. Der Drehmelder --256-- erzeugt Positionsinformation, welche die Position des Wagens --122-- in dem Führungsrahmen --125-- darstellt. Der Drehmelder --256-- kann das von der Kearfott Division der Singer Corporation unter der Bezeichnung 7R910-1A hergestellte Gerät sein.
Ein Antrieb zur Längsbewegung des Auslegers --135-- umfasst eine Kette-141- (Fig. lla), die sich oberhalb des Auslegers in dessen Längsrichtung erstreckt und mit ihren entgegengesetzten Enden an dem Ausleger befestigt ist. Ein umsteuerbarer Motor --143-- bewirkt über ein Kettenrad --142--, dass die Kette --141-- und mit ihr der Ausleger auf der Führung --132-- längsbewegt wird.
Ohne weitergehende zeichnerische Erläuterung erkennt man, dass die beiden Kettenantriebsmotoren --140 und 143-- übliche rotierende Hydromotoren sein können, die in einander entgegengesetzten Drehrichtungen rotieren können, u. zw. im automatisch gesteuerten Betrieb unter Steuerung durch den Rechner --235-- und im händisch gesteuerten Betrieb unter Steuerung durch die Bedienungsperson --B-- an der Konsole auf dem Flur des Bohrturms --22--. Es versteht sich ferner, dass der zweckmässig auf dem Rahmen --133-- des Wagens montierte Geber --543-- in ähnlicher Weise die Position und Relativbewegung des Auslegers --135-erfasst.
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Es versteht sich, dass in Ausführungsformen mit einem mittleren und unteren Rohrverschieber auch die diesen zugeordneten Positionsinformationen auf ähnliche Weise erfasst werden können.
Gemäss Fig. 4 spannt der Hebekopf --152-- den Rohrzug --49-- ein, um diesen aus dem Bereich des Bohrstranges --26-- (Fig. 1) zu heben und seitlich von dem Bohrturm --22-- auf dem Auflager --56-abzustellen.
Fig. 17 zeigt einen Positions-Sensor --280-- zum Erfassen der Höhenlage des Hebekopfes --152-- (Fig. 1). Im Betrieb enthält der Positions-Sensor --280-- ein geeignetes Seil --281--, das durch den Verbinder-282- (Fig. 4) mit dem Hebekopf --152-- verbunden ist. Das Seil --281-- ist auf die Seiltrommel --283-- aufgewickelt und wird bei einer Vertikalbewegung des Hebekopfes --152-- von der Seiltrommel --283-- abgezogen bzw. auf sie aufgewickelt. Die Seiltrommel --283-- ist mit einer Antriebsfeder versehen und kann das von der Firma Ametek/Hunter unter der Bezeichnung ML-2800 hergestellte Gerät sein. Die Seiltrommel --283-- dreht über eine geeignete Kupplung --284-- die Welle eines Potentiometers --285--. Dieses kann die von der Firma Amphenol unter der Bezeichnung 2101B hergestellte Einrichtung sein.
Durch Messen der Spannung an dem Abnehmer des Potentiometers --285-- kann man die Position des Hebekopfes --152-- gegenüber der Kopfführung --153-- ermitteln.
Gemäss Fig. 10A ist dem Hebekopf --152-- eine Kriechgangsteuerung --299-- zugeordnet. Diese kann beispielsweise ein hydraulisches Drosselventil sein und wird über eine geeignete elektrische Schaltung,
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werden. Zum Steuerungsfähigmachen der Schaltung gemäss Fig. 14 gibt der Rechner --235-- über --CH-58-- ein Signal an die Spule --1605-- ab, so dass der Schalter --282-- geschlossen wird. Wenn jetzt kein weiteres Signal angelegt wird, bewegt sich der Hebekopf abwärts. Wenn der Rechner --235-- ein weiteres Signal über --CH-56-- an die Spule --1607-- anlegt, wird der Schalter --283-- geschlossen und die Geschwindigkeit der Vertikalbewegung des Hebekopfes --152-- auf die Kriechgeschwindigkeit herabgesetzt.
Wenn der Rechner --235-- über --CH-57-- ein Signal an die Spule --1606-- anlegt, wird der Schalter --284-- geschlossen, so dass der Hebekopf umgesteuert und aufwärtsbewegt wird.
Gemäss Fig. 8 werden die verschiedenen Eingabesignale in den Rechner --235-- über die Leitung - abgegeben, die aus mehreren Einzelleitungen bestehen kann, die zu der Schnittstelle zwischen den Rückmelde-Sensoren und dem Rechner --235-- führen. Die Schnittstelle kann von dem von der Firma Digital Equipment Corporation unter der Bezeichnung UDC-8 hergestellten Universal-Digitalrechner gebildet sein.
Wie teilweise aus der Fig. 8 hervorgeht, umfasst die dem Rechner --235-- zugeordnete Eingabe-Ausgabe-Einrichtung die Schnittstelleneinrichtung, d. h. den UDC-8, die Bedienungstafel --237-- für den Bohrmeister, das Sichtanzeigegerät --236-- und einen Analog-Digital- und Digital-Analog-Umsetzer, beispielsweise das von der Firma Digital Equipment Corp. in Maynard, Massachusetts (USA) unter der Bezeichnung ADORA hergestellte Gerät, ferner einen Streifen-Schnell-Leser und-Locher, beispielsweise das von der Firma Digital Equipment Corp. unter der Bezeichnung PC8-EA hergestellte Gerät, und einen Random-Bandspeicher, beispielsweise das von der Firma Digital Equipment Corp. unter der Bezeichnung TC08-TU56 DEC hergestellte Gerät, oder einen Plattenspeicher, beispielsweise das von der Firma Digital Equipment Corp.
unter der Bezeichnung DF32D DEC hergestellte Gerät. Diese Einrichtungen können zusammen als Eingabe-Ausgabe-Einrichtung bezeichnet werden und dienen zur Überwachung der verschiedenen Rückmelde-Sensoren und des Rechners --235-- und zur Steuerung und zum Laden der Programmeingabe und -ausgabe für den Rechner --235--. An Stelle des Sichtanzeigegerätes --236-- kann man in der Eingabe-Ausgabe-Einrichtung natürlich auch einen Blattschreiber verwenden.
Nachstehend wird im Zusammenhang mit der Servosteuerung für die Rohrverschieber angenommen, dass an der Leitung --637-- ein Positionsfehlersignal liegt. Dieses wird von dem in Fig. 9 gezeigten Sensor --603-- zur Anzeige eines unzulässig grossen Positionsfehlers mit einem vorgewählten Pegel verglichen.
Wenn die Iststellung eines Auslegers oder eines Wagens von der vorherbestimmten Stellung um einen wählbaren, als unzulässig gross angesehenen Betrag abweicht, wird der Rohrverschiebevorgang unterbrochen und das System auf die händische Steuerung umgeschaltet. Diese Umschaltung erfolgt, indem die elektrischen Eingabesignale für die verschiedenen Servosteuerungen unterbrochen werden, worauf diese händisch gesteuert werden können. Diese Möglichkeit ist vorgesehen, damit die Vorrichtung zum automatischen Manipulieren von Rohren kein Störsignal oder ein anderes falsches Signal verarbeiten
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kann, was zu einer Beschädigung der Anlage oder zu einer Gefahr für das Bedienungspersonal der Anlage führen könnte.
Der Sensor --253-- zur Anzeige der Offen-und Schliessstellung der Klauen kann zwei Endpunktschalter aufweisen, wie sie beispielsweise von der Firma Parker-Hannifin in Des Plaines, Illinois (USA) unter der Bezeichnung AO-1 hergestellt werden. Die Schalter können im Bereich der die Klauen betätigenden Kolbentriebe an Stellen montiert werden, deren Wahl von dem jeweils gewählten Schalter abhängt, und sprechen im allgemeinen auf drei Stellungen der Kolbenstange --201-- (Fig. 5) an, u. zw. : (l) Kolbenstange ganz eingezogen ; (2) Kolbenstange in Bewegung ; (3) Kolbenstange ganz ausgefahren.
Fig. 15 zeigt ein Beispiel einer elektrischen Schaltung zum Erzeugen eines an den Rechner --235-anzulegenden Rückmeldesignals von einer oder mehreren den Auslegern zugeordneten Klauen. In der dargestellten Schaltung sind zwei Sätze von Sensoren vorgesehen, die dem oberen bzw. dem mittleren Ausleger zugeordnet sind. Wenn sich die Schalter --286 und 287-- in den in Fig. 15 gezeigten Stellungen
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werden, wenn die Klauen um einen Rohrzug --49-- geschlossen sind. Wenn der hydraulische Kolbentrieb - 196- (Fig. 4) seinen Kolben ganz ausfährt, werden die Schalter --288 und 289-- geschlossen und die Schalter --286 und 287-- geöffnet, so dass an den Anschluss --CH-13-- des Rechners --235-- ein Spannungssignal angelegt wird, das anzeigt, dass die Klauen offen sind.
Dem Hebekopf --152-- ist ein Sensor zugeordnet, der anzeigt, ob der Hebekopf das Gewicht eines
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--49-- trägt.Gabelkopf --298-- angebracht, der über einen Zapfen --296-- mit einem Last-Sensor --297-- für den Hebekopf verbunden ist. Dieser Last-Sensor --297-- ist durch die Elemente --294 und 296-- mit dem Drahtseil-66- (Fig. 4) verbunden. Die Elemente --294 und 296-- sind zweckmässig so angeordnet, dass sie bei belastetem Hebekopf --152-- relativ zueinander bewegbar sind. Diese Relativbewegung erfolgt an der Grenzfläche --293--, die teilweise die Innenwandung einer Kammer --295-- bildet.
In der Kammer - befindet sich eine geeignete Einrichtung, beispielsweise in Form von Tellerfedern --292--, die einer Bewegung des Elements --294-- gegenüber dem Element --296-- entgegenwirkt. Bei einer Gewichtsbelastung des Hebekopfes --152--, beispielsweise beim Heben des Bohrgestängerohrzuges --49--, wird das Element --294-- von dem Element --296-- weggezogen, so dass der Zapfen --291-- den Endpunktschalter --290-- betätigt. Natürlich werden der Endpunktschalter --290-- an dem Element --294-und der Zapfen --291-- an dem Element --296-- derart betätigt,
dass die Bewegung zwischen den Elementen --294 und 296-- in eine entsprechende Bewegung zwischen dem Zapfen --291-- und dem Endpunktschalter --290-- umgesetzt und daher an den Rechner --235-- ein Rückmeldesignal angelegt wird, das eine Belastung des Hebekopfes --152-- anzeigt. Der Endpunktschalter --290-- kann beispielsweise die von der Firma Honeywell Corporation unter der Bezeichnung 2LS-1 hergestellte Einrichtung sein.
Dem Rechner --235-- soll ferner durch ein Signal angezeigt werden, dass der in Fig. l gezeigte Unterblock --35-- aus der Bohrlochachse ausgerückt worden ist. Zu diesem Zweck ist das zum Ausrücken des Unterblockes dienende Gestänge --290a-- (Fig. 16) mit einem Endpunktschalter zur Anzeige des Ausrückens des Unterblockes --35-- angeordnet. In Fig. 16 ist das Gestänge zum Ausrücken des Unterblockes ausführlich dargestellt. Das Gestänge --290a-- besitzt einen hydraulischen Kolbentrieb --290b-- zum Einziehen und Ausfahren eines Elements --291b--. Der Endpunktschalter-208-kann beispielsweise der von der Firma Allen-Bradley Company unter der Bezeichnung 802 T-A hergestellte Schalter sein.
Dies ist ein normalerweise unter Federbelastung offener Zweistellungssehalter, der das Einziehen des hydraulischen Kolbentriebes --290b-- anzeigt, wenn der Gabelkopf --291a-- an dem Hebelarm --293a-- des Schalters - angreift. Dadurch wird an den Rechner --235-- ein Signal angelegt, das anzeigt, dass der Unterblock-35- (Fig. l) ganz von der Bohrlochachse ausgerückt ist. Zweckmässig wird die Position des Unterblockes --35-- genau bestimmt, damit der Haken --38--, der Lenker --42-- und der Elevator --44-nicht die Bewegung des Rohrzuges --49-- behindern, wenn dieser aus dem Rohrgestell zu der Bohrlochachse oder umgekehrt bewegt wird.
Wenn die Betätigung des Schalters --292a-- unterbleibt, wird die automatische Manipulation der Rohre unterbrochen und zeigt das Sichtanzeigegerät eine entsprechende Fehlernachricht an.
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Gemäss Fig. l ist der Elevator --44-- mit einer Einrichtung versehen, die dazu dient, vor dem Heben oder Senken des Bohrstranges einen Spannring um den Rohrzug --49-- herum zu schliessen und zu sichern. Eine Rückmeldung an den Rechner dass der Spannring des Elevators --44-- geschlossen, verriegelt und gesichert ist, erfolgt mittels einer Einrichtung, die das Schliessen des Sicherungselements des Elevators erfasst und ein dieses Schliessen bestätigendes Signal an den Rechner --235-- abgibt.
Fig. 17 zeigt einen Teil des Rahmens des Elevators-44-. Dem Elevator --44-- ist ein Riegel zugeordnet, der verhindert, dass sich der mit dem Gewicht eines Rohrzuges belastete Elevator unbeabsichtigterweise öffnet. Der in Fig. 17A gesondert dargestellte Riegel --391-- wird beim Schliessen des Elevators --44-- um den Schwenkzapfen --390-- so verschwenkt, dass ein unbeabsichtigtes Öffnen des Elevators verhindert wird. Auf der Seite, die der in den Fig. 17 und 17a gezeigten entgegengesetzt ist, besitzt der Riegel --391-- eine abstehende Schulter --389--, die an einer entsprechenden abstehenden Schulter --388-- angreift, die an der entgegengesetzten Seite des Elevators --44-- vorgesehen ist.
Eine zusätzliche Sicherung ist dadurch gegeben, dass beim Schliessen des Elevators das Sicherungselement --387-- von einer den Zapfen --399-- umgebenden Feder in seine Schliessstellung bewegt wird. Wenn das Sicherungselement --387-- seine Schliessstellung erreicht hat, in der es den Anschlagzapfen --386-umgreift, kann sich der Riegel --391-- nicht mehr bewegen, so dass er ein Öffnen des Elevators --44-verhindert. Wenn der Elevator --44-- zur Freigabe eines Rohrzuges geöffnet werden soll, wird mit Hilfe eines pneumatischen Kolbentriebes --392-- über ein Gestänge das Sicherungselement --387-- in Fig. 17 im Uhrzeigersinn verschwenkt, so dass der Riegel --391-- freigegeben wird.
Zur Anzeige des Schliessens des Elevators und der einwandfreien Funktion des Riegels ist ein auf Metall ansprechender Annäherungsschalter --385-- vorgesehen, der in der Schliessstellung des Sicherungselements --387-- dem Rechner - durch ein Rückmeldesignal die einwandfreie Funktion des Mechanismus zum Verriegeln und Sichern des Elevators anzeigt. Der Annäherungsschalter --385-- kann beispielsweise der von der Firma R. B. Denison, Inc. unter der Bezeichnung NJ 1. 5-6. 5-N hergestellte Schalter sein.
Fig. 17B zeigt den Kolbentrieb --392-- einer andern Ausführungsform, die zur Anzeige des einwandfreien Schliessens und Sicherns des Riegels für den Elevator verwendet werden kann. Je nach der gewünschten Stellung des Elevators --44-- bewegt sich die Kolbenstange --293a-- des Kolbentriebes - ein-oder auswärts (dies ist dargestellt). Am Zylinder des Kolbentriebes --392-- ist ein pneumatisches Endpunktschaltventil --294a-- montiert, dessen vorstehender Schaft --295a-- an der Kolbenstange --293a-- oder der Muffe --296-- des Kolbentriebes --392-- angreift.
In der dargestellten Stellung bewegt die Muffe --296a-- den Schaft --295a-- in dem pneumatischen Endpunktschaltventil - einwärts, so dass die Stellungen der Kolbenstange --293a-- und damit das einwandfreie Schliessen und Verriegeln des Elevators --44-- angezeigt werden kann. Das pneumatische Endpunktschaltventil --294a-- kann ein nockengesteuertes Endpunktschaltventil sein, beispielsweise das von der Firma Snyder Machine Company in Hawthorne, California (USA) unter der Bezeichnung CV-18 hergestellte Ventil.
Fig. 9 zeigt die Servosteuerung --600-- für die Bewegung des oberen Rohrverschiebers-51--. Die Servosteuerung --600-- bewirkt auf Grund von Steuerbefehlen des Rechners --235-- eine gesteuerte Bewegung des Wagenantriebs --644-- und des Auslegerantriebs--642--, u. zw. in zwei Richtungen, die durch die x-Achse und die y-Achse gegeben sind. Der Wagenantrieb --644-- bewirkt eine Seitwärtsbewegung in der Richtung der x-Achse, die zu der Seite des Turms parallel ist. Der Auslegerantrieb - 642-- bewirkt eine Längsbewegung des Auslegers längs der y-Achse zu der Bohrlochachse hin und von ihr weg. An der Bedienungstafel --650-- für den Bohrmeister kann ein händisch und ein automatisch gesteuerter Betrieb der Servosteuerungen gewählt werden.
Die Servosteuerung --600-- für den oberen Rohrverschieber --600-- besitzt Rückkopplungsschleifen mit Sensoren für den Wagen- und den Auslegerantrieb. Die Rückkopplungsschleife mit dem Sensor für den Wagenantrieb umfasst ein Getriebe --607--, einen Tachodynamo --605--, einen Drehmelder --606-- und ein Wagenantriebs-Ansteuerrelais --646--. Die Rückkopplungsschleife mit dem Sensor für den Auslegerantrieb umfasst das Getriebe --617--, den Tachodynamo --615--, den Drehmelder --616-- und ein Auslegerantriebs-Ansteuerrelais --648--. Die Servosteuerung --600-- umfasst ferner einen Digital-Drehwinkel-Umsetzer --604--, den Gleichstrom-Servoregler --602--, das Servoventil --630-- und Magnetventile - 631 und 632--.
Wenn sich der Betriebsartenwahlschalter --238-- (Fig.8B) auf der Bedienungstafel --650-- für den Bohrmeister in der Automatik-Stellung befindet, wird die Bewegung des Rohrverschiebers von dem
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Rechner --235-- gesteuert. Diese Bewegung erfolgt jeweils nur längs einer Achse. Zur Einleitung der automatisch gesteuerten Vorgangsfolge zum Bewegen des Auslegers mittels des Auslegerantriebs --642-gibt der Rechner --235-- ein Signal an die Spule --618-- eines Auslegerantriebs-Ansteuerrelais --648-ab, so dass die Relaiskontakte-613 und 614-- geschlossen werden.
Das von dem Rechner --235-- an die Spule --610-- oder die Spule --618-- angelegte Signal kann der Ausgang eines Ausgabekreises mit offenem Kollektor sein, beispielsweise des von der Firma Digital Equipment Corporation unter der Bezeichnung BM 684 hergestellten Kontaktausgangsmoduls. Dieser in dem Rechner --235-- angeordnete Kreis stellt einen Teil der vorstehend erwähnten Schnittstelleneinrichtung UDC-6 dar.
Die Bewegung des Auslegerantriebs --642-- betreffende Informationen werden von dem Tachodynamo --615-- und dem Drehmelder-616-- rückgekoppelt. Der Tachodynamo misst die Geschwindigkeit und der Drehmelder mittels eines Dreidrahtsensors die Stellung des Auslegers relativ zu der Bohrlochachse. Der Tachodynamo --615-- und der Drehmelder --616-- sind mit dem Auslegerantrieb --642-- durch ein Getriebe --617-- verbunden, das aus Stirnrädern bestehen kann, die auf der Motorwelle, der Tachodynamowelle und der Drehmelderwelle sitzen. Die verschiedenen Stirnräder können miteinander durch Zwischenräder derart verbunden sein, dass eine Bewegungsübertragung und bestimmte Übersetzungsverhältnisse erzielt werden. Das Getriebe kann auch einen Kettentrieb aufweisen, der die Motorwelle mit den Zwischenrädern verbindet.
Bei einer Drehung der Welle des Tachodynamos --615-- erzeugt dieser einen elektrischen Ausgang in Form einer welligen Gleichspannung. Bei einer Veränderung der Drehzahl des Hydromotors - ändert sich auch die Winkelgeschwindigkeit der Welle des Tachodynamos --615-- und damit die Ausgangs-Gleichspannung. Der Ausgang des Tachodynamos --615-- wird an den Detektor --628-angelegt, der die Bewegung des Rohrverschiebers ermittelt. Der Detektor --628-- ermittelt insbesondere die Geschwindigkeit des Auslegerantriebs --642-- und gibt diese Information über die Leitung --629-- an den Rechner --235-- ab. In dem Detektor --628-- wird die Ausgangsgleichspannung des Tachodynamos - geglättet, so dass eine reine Gleichspannung erhalten wird.
Dann wird festgestellt, ob diese Gleichspannung unter einem vorgewählten Pegel liegt. Wenn die gewünschte Bedingung erfüllt ist, wird an den Rechner --235-- ein Signal angelegt, das bewirkt, dass die Bewegung aufhört. Der Auslegerantrieb - gibt Positionsinformation an den Drehmelder --616-- ab. Der Ausgang --612-- des Drehmelders ist ein elektrisches Signal mit unterdrücktem Träger, das über drei Leiter übertragen wird, an denen verschiedene Spannungspegel liegen, die das Ausmass der Bewegung des Auslegerantriebs --642-- und damit die Stellung des Auslegers angeben. An den Drehmelder --616-- wird eine Erregungsspannung mit einer Frequenz von 400 Hz angelegt. Wenn der Hydromotor --634-- den Auslegerantrieb --642-- bewegt, wird auch der Läufer des Drehmelders --616-- bewegt.
Bei sich drehendem Läufer werden an die drei Leiter Spannungen angelegt. Die Spannung zeigt den Drehwinkel des Läufers und, da der Läufer über ein Getriebe mit dem Auslegerantrieb --642-- verbunden ist, auch dessen Position an. Die von dem Drehmelder --616-- abgegebene Positionsinformation wird über den Kontakt --613-- des Auslegerantrieb-Ansteuerrelais an den Digital-Drehwinkel-Umsetzer --604-- abgegeben. Die Geschwindigkeit und Position des Wagenantriebs --644-- betreffende Informationen werden auf ähnliche Weise ermittelt.
Der Digital-Drehwinkel-Umsetzer --604-- empfängt von dem Drehmelder --616-- über drei Leiter Positionsinformation und von dem Rechner --235-- über die Ausgabeleitung --627-- digitale Befehle. Der Digital-Drehwinkel-Umsetzer --604-- verarbeitet die Positionsinformation und den Digitalbefehl und gibt über die Leitung --623-- ein Analog- Ausgangssignal ab, das als Signal mit unterdrücktem Träger bezeichnet wird und dessen Amplitude den Betrag des Stellungsfehlers des angesteuerten Antriebs angibt. Die Phase des Analogsignals gibt die Richtung des Fehlers an. Digital-Drehwinkel-Umsetzer sind bei Regelungssystemen bekannt. Beispielsweise könnte als Digital-Drehwinkel-Umsetzer --604-- das von der Firma Vernitron unter der Bezeichnung VDCT-401SB hergestellte Gerät verwendet werden.
Das Ausgangssignal des Digital-Drehwinkel-Umsetzers --604-- wird über die Leitung --623-- an den Gleichspannungs-Servoregler --602-- abgegeben, insbesondere an einen phasenempfindlichen Demodulator - -624--. Dessen Ausgang ist eine Gleichspannung, deren Amplitude den Betrag und deren Polarität die Richtung des Positionsfehlers angibt. Das von dem Demodulator --624-- als Fehlersignal erzeugte Gleichspannungssignal wird über die Leitung --637-- an den Detektor --603-- abgegeben, der auf einen unzulässig grossen Fehler anspricht und die Servosteuerung ausschaltet, wenn der Rohrschieber die programmierte Stellung nicht genau einnimmt.
Das Fehlersignal wird über die Leitung --637-- ferner an das Verstärkungseinstell-Netzwerk-625-- abgegeben, das mit Hilfe von parallelgeschalteten Potentio-
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metern --656 und 657-- und die Schleifenverstärkung für die Servosteuerung --600-- einstellt.
Parallelgeschaltete Potentiometer sind erforderlich, weil der Auslegerantrieb --642-- eine andere Trägheit hat als der Wagenantrieb --644-- und man daher mit der Einstellung einer einzigen Schleifenverstärkung keine einwandfreie Ansprache der Servosteuerungen für den Ausleger- und den Wagenantrieb erhalten würde. Die Schleifenverstärkung ist das Produkt der Verstärkungsfaktoren, die in der Schleife auftreten, die aus der Rückkoppelungsstrecke und der Steuerungsstrecke besteht. Der Verstärkungsfaktor ist ein Glied der die Ansprache der Servosteuerung beschreibenden Übertragungsfunktion des geschlossenen Wirkungskreises der Servosteuerung.
Bei der Ansteuerung des Wagenantriebes--644--schaltet das Schleifenverstärkungs-Ansteuerrelais --635-- für den Wagenantrieb das zum Einstellen der Schleifenverstärkung für den Wagenantrieb dienende Potentiometer --657-- in die Steuerung ein. Bei der Ansteuerung des Auslegerantriebes --642-- schaltet das Schleifenverstärkungs-Ansteuerrelais --636-- für den Auslegerantrieb das zum Einstellen der Schleifenverstärkung für den Auslegerantrieb dienende Potentiometer --656-- in die Steuerung ein. Jetzt empfängt der Gleichspannungsverstärker --626-- das Gleichspannungs-Fehlersignal von dem Netzwerk --625-- und je nach der angesteuerten Achse das Ausgangssignal des Tachodynamos --615 oder 605--.
Der Gleichspannungsverstärker --626-- erzeugt ein Korrektursignal zur Verkleinerung des durch das Ausgangssignal des Digital-Drehwinkel-Umsetzers angezeigten Positionsfehlers. Zum Stabilisieren der Servosteuerung wird durch Anlegen des Ausgangs des Tachodynamos --615 oder 605-- an den Gleichspannungsverstärker --626-- eine Schleifendämpfung herbeigeführt. Als Gleichspannungs-Servoregler --602-- kann der unter der Bezeichnung MWOG82E453 von der Firma Moog hergestellte Regler in einer dem Fachmann bekannten Weise verwendet werden.
Im Betrieb steuert die Servosteuerung --600-- auf Grund der Befehle des Rechners --235-abwechselnd den Wagenantrieb --644-- und den Auslegerantrieb --642--. Durch das Einschalten des Ansteuerrelais --646-- für den Wagenantrieb und des Schleifenverstärkungs-Ansteuerrelais --635-- für den Wagenantrieb wird die die Sensoren aufweisende Rückkopplungseinrichtung in den geschlossenen Wirkungskreis der Servosteuerung eingeschaltet. Das Ansteuerrelais --648-- für den Auslegerantrieb und das Schleifenverstärkungs-Ansteuerrelais --636-- für den Auslegerantrieb haben eine ähnliche Wirkungs-
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elektrische Ausgangssignal des Gleichspannungs-Servoreglers --602-- und steuert die Druckbeaufschlagung des gewählten Hydromotors derart, dass der Ausleger oder der Wagen bewegt wird.
Als Servoventil --630-- kann in der üblichen Weise das von der Firma Moog unter der Bezeichnung 72-102 hergestellte Servoventil verwendet werden. Als Hydromotoren --633 und 634-- können die von der Firma Staffa unter der Bezeichnung B80 hergestellten umsteuerbaren Hydromotoren mit veränderbarem Durchfluss verwendet werden. Zweckmässig wird der Rohrverschieber jeweils nur längs einer Achse bewegt. Wie vorstehend beschrieben wurde, gestattet der Detektor --628-- zur Anzeige der Bewegung des Rohrverschiebers eine Umschaltung der Bewegung von einer Achse auf eine andere nur, wenn die Geschwindigkeit des jeweils gesteuerten Antriebs annähernd null beträgt, was daraus hervorgeht, dass auch die Ausgangsspannung des entsprechenden Tachodynamos annähernd null beträgt.
Eine Servosteuerung, die der soeben beschriebenen ähnelt, kann zur Steuerung der Bewegung des etwa vorhandenen mittleren und unteren Rohrverschiebers verwendet werden. In diesem Fall hat der entsprechend erweiterte Rechner hinsichtlich des Betriebes der Servosteuerungen für die zusätzlichen Rohrverschieber weitere Ein- und Ausgabefunktionen, die den vorstehend beschriebenen entsprechen.
In den Fig. 10A, 10B und IOC ist das hydraulische System gemäss der Erfindung dargestellt. Die Motoren zum Antrieb der Rohrverschieber werden mit Druckflüssigkeit von einer Pumpe oder einer Reihe von Pumpen aus einem Behälter gespeist, der zweckmässig unter dem Bohrturmflur angeordnet ist. Ein derartiger Behälter ist beispielsweise bei --300-- angedeutet. Er dient zur Abgabe und zur Aufnahme von Flüssigkeit an die bzw. von den Leitungen, die Flüssigkeit an die Pumpen --301 und 303-- abgeben, die ihrerseits Druckflüssigkeit an die Motoren für den Antrieb des mittleren Rohrverschiebers und eines etwa vorhandenen oberen und unteren Rohrverschiebers abgeben.
Dabei können die Wagenmotoren --140 und 140a-- und die Auslegermotoren --143 und 143a-- der entsprechenden Rohrverschieber von einer Zwangsverdrängerpumpe --301-- mit Druckflüssigkeit gespeist werden.
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Eine ähnliche Pumpe --302-- dient zur Abgabe von Druckflüssigkeit an dieselben Rohrverschiebermotoren. Die beiden Pumpen arbeiten jedoch nicht gleichzeitig. Man könnte mit Hilfe von geeigneten Druckentlastungseinrichtungen auch einen gleichzeitigen Betrieb beider Pumpen ermöglichen. In der vorliegenden, bevorzugten Ausführungsform arbeitet jedoch die eine Pumpe nur, wenn die ihr parallelgeschaltete Pumpe ausfällt. Gemäss Fig. 10B sind für den Antrieb der Zahnradpumpen-301, 301a, 302, 302a-- zwei Motoren --301b und 302b-- vorgesehen. Wie vorstehend erwähnt wurde, sind die Hydropumpen --301a und 302a-- parallelgeschaltet und arbeitet jeweils nur eine von ihnen.
Die Pumpen - 301a und 302a-- dienen zum Zuführen von Druckflüssigkeit an den Kolbentrieb für den Hebekopf, an die Ausrückeinrichtung für den Unterblock (nicht gezeigt), an die obere und die mittlere Klaue und an den Gestängerechen. Auch die Hydropumpe-301 und 302-- sind parallelgeschaltet, und es arbeitet jeweils nur eine von ihnen. Sie geben Druckflüssigkeit an den oberen und den mittleren Rohrverschieber ab. In der Ausführungsform gemäss den Fig. lOA, 10B und IOC werden der obere und der untere Wagen von einer einzigen Druckflüssigkeitsquelle gespeist, wobei der jeweilige Wagen mittels eines Wegeventils --141- angesteuert wird.
Da der obere und der untere Wagen kaum gleichzeitig verwendet werden, dient das Wegeventil --141-- zur Druckbeaufschlagung des gewünschten Wagens, so dass der Aufwand für das hydraulische System herabgesetzt wird.
Die Wagenantriebsmotoren --140 und 140a-- zum Seitwärtsverschieben der Wagen der entsprechenden Rohrverschieber sind umsteuerbare Zwangsverdrängermotoren, die je nach der Durchflussrichtung der ihnen zugeführten Druckflüssigkeit in entgegengesetzten Richtungen laufen können. Die Auslegerantriebsmotoren --143 und 143a-- sind ebenfalls umsteuerbare Zwangsverdrängermotoren, so dass die von den Pumpen --301 oder 301a-- mit Druckflüssigkeit gespeisten Motoren mit Hilfe von wahlweise betätigbaren Ventileinrichtungen umgesteuert werden können. Beim Betrieb mit händischer Steuerung ist die Höchstdrehzahl der Motoren von dem Verdrängungsvolumen der Pumpen --301 oder 302-- abhängig.
Nachstehend wird das hydraulische System vor allem an Hand der Fig. 10B vor allem im Zusammenhang mit dem oberen Rohrverschieber erläutert. In Ausführungsformen mit einem mittleren und einem oberen Rohrverschieber ist in dem hydraulischen System für den mittleren Rohrverschieber im allgemeinen ein Ventil vorhanden, das dem Ventil des hydraulischen Systems für den oberen Rohrverschieber entspricht. Es wird jeweils auf beide Ventile hingewiesen, wobei das Bezugszeichen des Ventils des hydraulischen Systems für den oberen Rohrverschieber in Klammern gesetzt ist. Beispielsweise bezeichnet die Angabe --304 (404) -- das Ventil --304-- des hydraulischen Systems für den mittleren Rohrverschieber und das Ventil --404-- des hydraulischen Systems für den oberen Rohrverschieber. Beide Ventile haben ähnliche Funktionen.
Wie vorstehend erwähnt wurde, sind die Pumpen --301a und 302a-- zur Abgabe von Druckflüssigkeit an den Hebekopf, die obere und mittlere Klaue und den Gestängerechen parallelgeschaltet und arbeitet jeweils nur eine von ihnen. Auch die Pumpen --301 und 302--zur Abgabe von Druckflüssigkeit an den oberen und den mittleren Rohrverschieber sind parallelgeschaltet, und es arbeitet jeweils nur eine von ihnen. Bei Verwendung von geeigneten Druckentlastungseinrichtungen konnten jedoch alle Pumpen auch ständig laufen.
Jetzt sei der dem oberen Rohrverschieber zugeordnete Teil gemäss Fig. lOB und der dem mittleren Rohrverschieber zugeordnete Teil gemäss Fig. 10C betrachtet. Die Pumpen --301 und 302-geben Druckflüssigkeit an die dem oberen und dem unteren Rohrverschieber zugeordneten Teile über eine Leitung --451-- und einen dieser nachgeschalteten Verteiler --1018-- ab. Dem Verteiler ist ein Sicherheitsventil --1019-- vorgeschaltet, von dem eine geeignete Leitung zu dem Behälter --300-- führt.
Die Überströmleitung-1020-- und alle ähnlichen Überströmleitungen stehen mit dem Behälter --300-- direkt in Verbindung. Der Verteiler --1018-- besitzt drei Elemente --1010, 1011 und 1012--. Das Element - 1010-gibt Druckflüssigkeit an den mittleren Rohrverschieber und das Element --1011-- gibt Druckflüssigkeit an den oberen oder unteren Rohrverschieber ab. Die Elemente --1010, 1011 und 1012-sind durch Zahnräder derart miteinander verbunden, dass die in der Leitung --451-- vorhandene und die Elemente --1010 und 1011-- des Verteilers antreibende Druelflüssigkeit über geeignete mechanische Getriebe auch das Element --1012-- antreibt. Dieses wird nachstehend in Zusammenhang mit den Gestängerechen und Klauen ausführlicher beschrieben.
Jetzt sei wieder der dem oberen Rohrverschieber zugeordnete Teil gemäss Fig. lOB und der dem mittleren Rohrverschieber zugeordnete Teil gemäss Fig. 10C betrachtet. Bei händisch gesteuertem Betrieb
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geben die Pumpen --301, 301a, 302 und 302a-- Flüssigkeit an die Antriebsmotoren --140 (140a)-- für die Wagen des mittleren und des oberen Rohrverschiebers über die Leitung-303 (403)-ab, welche ein Ventil --304 (404)-- enthält, das normalerweise offen und im Schliesssinne betätigbar ist. Bei offenem Ventil-304 (404)-kann die Flüssigkeit durch die Leitung-303 (403)-in beiden Richtungen strömen, so dass der Motor --140 (140a)-- vor- und rückwärtslaufen kann.
Die Durchflussrichtung der Flüssigkeit in der Leitung-303 (403)-wird mittels des Drossel- und Wegeventils --330 (430)-- gesteuert. Mit Hilfe des Ventils-330 (430)-kann man den Durchfluss der der Leitung --303-- zugeführten Druckflüssigkeit und die Durchflussrichtung der Druckflüssigkeit in den Leitungen --303a (403a) und 303b (403b)-steuern.
Durch eine Umkehr der Durchflussrichtung der Flüssigkeit in den Leitungen-303 (403)-wird beim händisch gesteuerten Betrieb der Motor-140 (140a)-umgesteuert.
Über die Leitung-308 (408)-wird Druckflüssigkeit an das Drosselventil-331 (431)-abgegeben.
Wie vorstehend erläutert wurde, findet in jedem Rohrverschieber eine Bewegung jeweils nur längs einer Achse statt. Daher läuft jeweils nur einer der Motoren --140 und 143--. Natürlich arbeitet gleichzeitig mit einem Motor des mittleren Rohrverschiebers auch der entsprechende Motor des oberen Rohrverschiebers.
Zu diesem Zweck ist eine Schleife vorgesehen, die das zwei Arbeitsstellungen und eine Nullstellung besitzende Ventil --330 (430)-- umfasst und dazu dient, Flüssigkeit an das Ventil-331 (431)- abzugeben, wenn der Motor --143 (143a)-- laufen soll. Das Ventil-331 (431)-ähnelt dem Ventil --330 (430)--in seiner Funktion insofern, als es sowohl zur Steuerung des Durchflusses als auch der Durchflussrichtung der Druckflüssigkeit in den Leitungen --308A (408A) und 308B (408B)-verwendet werden kann. Eine Umkehr der Durchflussrichtung der den Leitungen --308 (408)-- zugeführten Flüssigkeit bewirkt eine Umkehr der Durchflussrichtung der Flüssigkeit durch den Auslegermotor --143 (143a)-- und damit eine Umkehr der Bewegungsrichtung des Auslegers.
In den Leitungen --308 (408)--ist ferner ein Magnetventil-310 (410)-angeordnet, das beim händisch gesteuerten Betrieb des Systems zur Manipulation von Rohren normalerweise offen ist. Diese Wegeventile --330 (430) und 331 (431)-- enthalten Druckausgleichseinrichtungen, die bewirken, dass die Drehzahl der Antriebsmotoren lastunabhängig und nur von der Stellung des Kolbens abhängig ist.
Zur Umschaltung auf den automatisch gesteuerten Betrieb des Systems zur Manipulation von Rohren sind Ventile --304 (404), 310 (410) und 311 (411)-vorgesehen. Bei betätigtem Magnetventil-311 (411)ist die Leitung-303 (403)-gesperrt und fliesst die Druckflüssigkeit in die Leitung-312 (412)-.
Beim automatisch gesteuerten Betrieb sind die Umschaltventile --311 (411), 304 (404) und 310 (410)-betätigt. Die Ventile-311 (411)-leiten die Flüssigkeit anstatt zu dem handbetätigten Ventil-330 (430)- über die Leitung-312 (412)-zu den Druckspeichern-1115 (1015)-. Die Ventile --304 (404) und 310 (410)-sind jetzt geschlossen, so dass keine Flüssigkeit durch die handbetätigten Ventile --330 (430) und 331 (431)-fliessen oder sickern kann.
Wenn bei automatisch gesteuertem Betrieb der Wagen bewegt werden soll, wird das x-Achsen-Ansteu- erventil-318 (418)--geöffnet, indem sein Elektromagnet von dem Rechner --235-- ein Steuersignal erhält. Der Rechner --235-- erzeugt dann das Steuersignal zum Positionieren des Servoventils --313 (413)--, so dass die Druckflüssigkeit für den Antrieb des Wagenantriebsmotors --140 (140a)-- in der richtigen Menge und der richtigen Richtung fliesst. Die Drehrichtung und Drehzahl des Wagenantriebsmotors --140 (140a)-- werden dann von dem Rechner --235-- gesteuert.
Zur Bewegung des Auslegers wird das y-Achsen-Ansteuerventil --317 (417)-- geöffnet, indem sein Elektromagnet von dem Rechner --235-- ein Steuersignal erhält.
Zum Einschalten des Wagenantriebsmotors-140 (140a)-wird das X-Achsen-Ansteuerventil - -318 (418) -- geöffnet, so dass das Servoventil-313 (413)-über die Leitungen-303 (403)-mit dem Wagenantriebsmotor --140 (140a)-- verbunden ist. Zum Einschalten des Auslegerantriebsmotors --143 (143a)-- wird das y-Achsen-ansteuerventil --317 (417)-- geöffnet, so dass das Servoventil --313 (413)--mit den Leitungen-308 (408)-verbunden wird. Infolge der Verwendung der Achsen-Ansteuerventile genügt ein einziges Servoventil für den Betrieb von zwei oder mehreren Motoren und wird eine gleichzeitige Bewegung längs mehr als einer Achse verhindert.
Wenn zur Umschaltung auf den automatisch gesteuerten Betrieb der Elektromagnet des Ventils - -311 (411) -- eingeschaltet wird, fliesst Druckflüssigkeit durch die Leitung-312 (412)-und das Filter --314 (414)--zu dem Servoventil-313 (413)-. Das Filter-314 (414)-ist mit einem Druckdifferenz- Sensor-258 (358)-versehen, der ein Verlegen des Filters-314 (414)-dadurch anzeigt, dass er ein
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geeignetes Rückmeldesignal an den Rechner --235-- abgibt. In der Leitung --312 (412) -- befinden sich ferner der Druckspeicher-1015 (1115)-und ein Druckregler --1016 (1116).
Der von der Leitung --312 (412)--mit Druckluftflüssigkeit gespeiste Druckspeicher-1015 (1115)-ist mittels des Druckreglers - -1016 (1116) --, der auch als Entlastungsventil bezeichnet werden kann, auf einen vorgewählten Druck
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erzielt, die beim automatisch gesteuerten Betrieb betätigt und daher geschlossen sind, so dass sie einen Durchfluss von dem Servoventil-313 (413)-durch die handbetätigten Ventile --303 (403) und 310 (410)-verhindern. Das Servoventil-313 (413)-ist ein Zweirichtungs-Mengenventil, das unter Steuerung durch ein proportionales elektrisches Signal den Durchfluss und die Durchflussrichtung der Druck-
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--317Offenstellung nur bewegen,
wenn sie von dem Rechner --235-- ein Befehlssignal zum Ansteuern eines Wagen- oder Auslegermotors erhalten haben.
Es ist erkannt worden, dass infolge der vertikalen Anordnung der abgestellten Rohre ein beträchtlicher Teil der Arbeitsfläche auf dem Flur des Bohrturms für das Abstellen der Rohre verwendet wird und für andere Arbeiten nicht zur Verfügung steht. Es ist ferner erkannt worden, dass ein Abstellen der Rohrzüge in einer geneigten Stellung derart, dass die unteren Enden der Rohrzüge weiter von der Bohrlochachse entfernt sind als die oberen Enden, wie dies in Fig. 1 gestrichelt angedeutet ist, zu einem zweckmässigen Kompromiss hinsichtlich der Ausnutzung des Bohrturmflurs für das Abstellen von Rohren und zum Arbeiten darstellt. Man kann daher den Rechner --235-- so programmieren, dass der obere Rohrverschieber --51-- und der mittlere Rohrverschieber --52-- längs der y-Achse gegeneinander versetzt werden.
Die Programmlogik des Rechners ermöglicht es, diese Versetzung der Rohrverschieber und damit ein schräges Abstellen der Rohre zu erzielen. Wenn ein schräges Abstellen erwünscht ist, werden der obere und mittlere und gegebenenfalls auch der untere Rohrverschieber derart programmgesteuert, dass der Rohrzug zu Beginn der Bewegung längs der x-Achse schräggestellt und danach in schräger Stellung in der vorstehend für das vertikale Abstellen von Rohrzügen beschriebenen Weise an die Stelle bewegt wird, an der er abgestellt werden soll.
Vorstehend wurde der Erfindungsgegenstand vor allem im Zusammenhang mit dem automatisch gesteuerten Betrieb erläutert, in dem die Bewegung der Rohrzüge in einer programmgesteuerten Vorgangsfolge erfolgt. Aus den Schaltschemata, insbesondere den Fig. 10B und 10C, geht jedoch hervor, dass die verschiedenen Funktionen der Rohrverschieber auch händisch gesteuert werden können. Jedes der drosselnd wirkenden Ventile --301 (331)-- (Fig.10C) und --430 (431)-- (fig.10B) ist über ein einfaches mechanisches Gestänge mit einem einzigen handbetätigbaren Bedienungshebel verbunden, der an jedem schematisch dargestellten Ventil schematisch angedeutet ist, um die Möglichkeit der händischen Betätigung des Ventils anzuzeigen.
Durch die händische Betätigung des Bedienungshebels in der x-oder y-Achse zugeordneten Richtungen können die Rohrverschieber veranlasst werden, sich in der gewählten Richtung längs der x-oder y-Achse zu bewegen. Für die Bewegung des Bedienungshebels kann man eine Begrenzungseinrichtung vorsehen, beispielsweise in Form einer einfachen Hebelführung, die eine gleichzeitige Bewegung der Rohrverschieber längs der x-und der y-Achse verhindert, weil dies in manchen Fällen die Steuerung der Rohrverschiebung beeinträchtigen könnte.
Wenn im automatisch gesteuerten Betrieb eine Bewegung des Wagens erwünscht ist, wird durch ein
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gewünschten Menge und Durchflussrichtung zugeführt wird. Mit Hilfe des x-Achsen-Ansteuerventils - -317 (417) -- kann der Auslegermotor angesteuert werden, wobei die Drehrichtung und Drehzahl des
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Veränderungen des Flüssigkeitsdrucks und verhindern eine Beschädigung von Leitungen im Falle eines plötzlichen Stillstandes eines Motors.
Die Pumpen --301, 301a, 302 und 302a-- geben Druckflüssigkeit ferner an eine Spanneinrichtung --350 (450)--ab, wobei der Kolben --196-- mit dem in Fig. 5 gezeigten identisch ist. Die Spanneinrichtung --350-- ist dem mittleren Rohrverschieber --52-- zugeordnet und dient zum Einspannen des Bohrgestängerohrs --49-- (Fig.1) in dem Hebekopf-152--. Der Spanneinrichtung --350 (450)-- wird Druckflüssigkeit von den Hydropumpen --301a und 302a-- zugeführt. Der Druck der in der Leitung - fliessenden Druckflüssigkeit wird durch die Pumpe --1012-- erhöht, die von den Verteilerpumpen - 1011 und 1010-- angetrieben wird.
Druckflüssigkeit, deren Druck auf einen vorgewählten Wert begrenzt ist, wird dem Druckspeicher --1022-- zugeführt, in dem ein von dem Entlastungsventil --1023-gesteuerter Druck herrscht. Überschüssige Flüssigkeit gelangt durch das Entlastungsventil und eine geeignete Rohrleitung in den Behälter --300--. Durch die Leitung-1024 (1124)-gelangt Druckflüssigkeit zu den Ventilen --352 (452) und 353 (453)--. Wenn sich das System im händisch gesteuerten Betrieb
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(452)-Druckflüssigkeit- -353 (453) -- kann eine Rückstellfeder besitzen, die es in die Nullstellung zu bewegen trachtet, in der das Ventil geschlossen ist, so dass dieses Ventil bei Stromausfall schliesst.
Durch die Leitung --1021-- wird Druckflüssigkeit an die Betätigungseinrichtung für die Rechenriegel abgegeben. Die automatische Funktion dieser Einrichtung wurde vorstehend beschrieben. Das mechanische Ansteuern der Rechenriegel erfolgt im allgemeinen ähnlich wie gemäss der US-PS Nr. 3, 615, 027, doch ist die manuelle Ansteuereinrichtung ergänzt durch eine geeignete elektrische Schaltung, die an den Rechner - angeschlossen ist und im automatisch gesteuerten Betrieb eine Betätigung von einzelnen oder mehreren Riegeln des Gestängerechens ermöglicht.
Figea zeigt die Einrichtung zur Betätigung des Hebekopfes. Der Hebekopf --152-- ist durch ein Seil mit einem hydraulischen Kolbentrieb --67-- verbunden, der von der Pumpe --301a oder 302a-- über die Leitung --1030-- mit Druckflüssigkeit gespeist wird. Beim händisch gesteuerten Betrieb wird die Druckflüssigkeit dem Ventil --1025-- zugeführt, das zwei Arbeitsstellungen und eine Nullstellung haben kann und das je nach seiner gewählten Stellung Druckflüssigkeit an die Leitung --1030a oder 1030b-abgibt, je nachdem, in welcher Richtung der Hebekopf --152-- bewegt werden soll.
Im automatisch gesteuerten Betrieb wird Druckflüssigkeit dem Magnetventil --1028-- zugeführt, das zwei Arbeitsstellungen und eine Nullstellung hat und das entsprechend der für den Hebekopf gewählten Bewegungsrichtung Druckflüssigkeit über die Leitung --1030a oder 1030b-- an den Kolbentrieb --67-- abgibt. Die Leitung --1030b-- enthält ferner eine Einrichtung --1029--, die ein Halte- und ein Sicherheitsventil aufweist und bewirkt, dass bei einem Ausfall der Rohrzug eingespannt gehalten wird.
Dem Ventil --1028-ist eine Kriechgangsteuerung --1027-- zugeordnet, die zur Steuerung der Geschwindigkeit des Hebekopfes - dient. Beispielsweise kann es zweckmässig sein, die Bewegung des Hebekopfes gegenüber der normalen Geschwindigkeit etwas zu verlangsamen, wenn er sich dem Endpunkt der beabsichtigten Bewegung nähert.
Es wurde vorstehend schon erwähnt, dass dem Kolbentrieb zur Betätigung des Hebekopfes, dem Gestängerechen und den Klauenanordnungen Druckflüssigkeit von der Pumpe --301a oder 302a-- zugeführt wird. Die Druckflüssigkeit wird zunächst der Leitung zugeführt, die zu dem Kolbentrieb --67-- zur Betätigung des Hebekopfes führt, und dann durch die Verteilerpumpe --1012-- zu dem Gestängerechen und den Klauenanordnungen.
Auf Grund der Beschreibung der Wirkungsweise der Steuerungen für den mittleren und oberen Wagen und Ausleger versteht es sich, dass die Steuerungen für den mittleren und den oberen Ausleger ähnlich funktionieren. Den unteren Wagen kann man auf ähnliche Weise automatisch steuern wie den oberen und den mittleren Wagen. Bei händischer Steuerung wird der untere Wagen ähnlich gesteuert wie gemäss der vorerwähnten US-PS Nr. 3,615, 027.
Fig. 6 zeigt ein hydraulisches Schema mit zwei Wegeventilen --201--, die je einem hydraulischen
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wird, bewegt sich sein Kolben in eine Stellung, in der Druckflüssigkeit je nach der gewünschten Bewegung des Riegels --97-- über die Leitung --206 oder 208-- an den Kolbentrieb abgegeben wird, der zur Betätigung des Rechenriegels --97-- dient. Wenn dieses beispielsweise geöffnet werden soll, bewegt sich der Kolben des Wegeventils --201-- in eine Stellung, in der die in Fig. 6 angedeutete Durchflussrichtung erhalten wird, weil die Leitung --207-- mit der Leitung --206-- fluchtet, so dass sich der Kolben - abwärtsbewegt und daher Flüssigkeit durch die Leitung --208-- in die zu dem Behälter führende Rücklaufleitung --203-- abläuft.
Wenn Druckflüssigkeit durch die Leitung --208-- in die Rücklaufleitung - tritt, steigt der Druck in der Leitung --203--. Dieser Druckanstieg wirkt über die Leitung - -209-- auf den Druckschalter --210--. Der Durchfluss-Sensor --212-- besitzt eine enge Blende --211--, die bewirkt, dass während der Betätigung des Kolbentriebes für den Rechenriegel der Druck in der Leitung --209-- so lange aufrechterhalten wird, dass eine Betätigung des Schalters --210-- gewährleistet ist.
Die Blende kann beispielsweise einen Durchmesser von etwa 1, 3 mm haben, so dass die Flüssigkeit in einer kleinen Menge durch die Blende --211-- treten und dann durch die Leitung --213-- und das Rückschlagventil --214-- in die Rücklaufleitung-215-- ablaufen kann. Wenn der Kolben --205-- das Ende seiner Bewegung erreicht, sinkt notwendigerweise der Druck in der Leitung --208--, so dass der Druckschalter --210-- zurückgestellt und zur Anzeige der Betätigung des nächsten angesteuerten Rechenriegels bereit ist.
Um die einwandfreie Funktion des Druck-Sensors zu gewährleisten, ist ferner ein Füllventil --460-- vorgesehen, durch das Druckflüssigkeit ständig in einer kleinen Menge in die Leitung --209-- abläuft, so dass in diese keine Luft gelangen kann, weil beim Vorhandensein von Luft in der Leitung --209-- der Schalter --210-- weniger gut zum Erfassen eines Druckanstieges geeignet ist, der die Betätigung eines Rechenriegels anzeigt.
Fig. 7 ist ein vereinfachtes Blockschema der zum Ausbau eines Bohrstranges aus einem Bohrloch dienenden Vorgangsfolge. Der Ausbau des Bohrstranges kann aus verschiedenen Gründen erfolgen, insbesondere zum Auswechseln des Bohrmeissels, entweder weil er auf eine andere Erdformation gestossen oder weil er im Betrieb stumpf geworden ist.
Nachstehend wird auf die Fig. 7 und 1 Bezug genommen.
Der Block --220-- stellt die Phase dar, in der die in Fig. 1 mit --51 und 52-- bezeichneten Rohrverschieber sich in einer Bereitschaftsstellung befinden, in der sie gegenüber der Bohrlochachse versetzt sind und sich im allgemeinen zwischen der Bohrlochachse und der Seite des Bohrturms befinden.
Zunächst wird der Ausbau des Bohrstranges durch einen manuellen Arbeitsvorgang vorbereitet. Die Bedienungsperson muss den Unterblock und den Bohrstrang heben und die Abfangkeile so einsetzen, dass sie den Bohrstrang festklemmen und seine weitere Vertikalbewegung verhindern. Diese Stellung des Bohrstranges --49-- ist in Fig. 1 dargestellt. Zum Heben des Unterblockes dienen die Seiltrommel --37-und die Seile --34--. Der Block --222-- stellt die Phase dar, in der sich die beiden Rohrverschieber zur Bohrlochachse bewegen und die Klauen der Rohrverschieber an dem Bohrgestängerohrzug angreifen. Danach wird gemäss dem Block --223-- ein weiterer Vorgang von Hand durchgeführt, u. zw. wird der Zugverbinder --18-- mit Hilfe einer manuell oder automatisch betätigten, nicht gezeigten Zange geöffnet.
Ferner wird der Elevator --44-- geöffnet und der Unterblock-35-gemäss Fig. l zur Seite des Bohrturms ausgerückt, damit der Rohrzug --49-- aus dem Bereich der Bohrlochachse entfernt werden kann.
Der Block --224-- stellt eine Phase dar, in der das Rohrverschiebesystem automatisch gesteuert wird. Der von dem Kolbentrieb --67-- über das Seil --66-- betätigte Hebekopf --152-- hebt den Rohrzug --49- vom oberen Ende des Bohrstranges --26-- ab. Der Block --225-- stellt die nächste automatisch gesteuerte Phase dar, in der die Rohrverschieber --51 und 52-- synchron in eine Stellung bewegt werden, die einer Zinkenlücke --90-- des Gestängerechens --55-- (Fig.3) zugeordnet ist. Der Block - stellt die nächste Phase dar, in der die Rohrverschieber --51 und 52-- synchron an die
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stellt die Phase dar, in welcher der Rohrzug --49-- durch Öffnen der Klauen --152 und 119-- freigegeben. wird.
Der Block --230-- stellt die Phase dar, in der die Rohrverschieber --51 und 52-- in eine Bereitschaftsstellung zurückkehren, in der sie sich zwischen der Seite des Bohrturms und der Bohrlochachse befinden.
Von dem in Fig. 18 gezeigten Vorgangsschema kann ein Rechnerprogramm abgeleitet werden. In Form von Blöcken sind die aufeinanderfolgenden Arbeitsvorgänge des automatisch gesteuerten Systems zur Manipulation von Rohren dargestellt. Der erste der aufeinanderfolgenden programmgesteuerten Schritte beginnt im Zeitpunkt A. Wie durch den Block --800-- angegeben ist, muss jetzt die Bedienungsperson die Betriebsart wählen. Gemäss Fig. 8 kann dies erfolgen, indem über das Sichtanzeigegerät --236-- oder die Bedienungstafel --237-- für den Bohrmeister Informationen in den Rechner --235-- eingegeben werden.
Das Rechnerprogramm ist eine schriftlich niedergelegte Folge von Befehlen, die in einer binär codierten Maschinensprache abgefasst sein können und in dem Speicher des Rechners --235-- gespeichert sind. Über das Sichtanzeigegerät --236-- gibt die Bedienungsperson Befehle in einer Form ein, auf die der programmierte Rechner --235-- anspricht. Die Bedienungsperson kann zwischen fünf Betriebsarten wählen.
Gemäss dem Block --801-- kann die Bedienungsperson ein Halt-Signal eingeben, das bewirkt, dass der Rechner --235-- in einem Bereitschaftszustand bleibt oder, wenn sich der Rechner --235-- in einem Zustand zur Durchführung des Programms befindet, diese Ausführung von Programmbefehlen unterbrochen wird und der Rechner in einen Bereitschaftszustand gelangt. Der Block --802-- stellt dar, dass die Bedienungsperson Daten eingibt, welche die Menge und Arten der im Bohrloch befindlichen Rohre betreffen. Ein Bohrstrang kann aus verschiedenartigen Rohren bestehen, beispielsweise aus Rohren mit Gummimuffen, Schwerstangen und normalen Bohrgestängerohren.
Wenn die Bedienungsperson diese Betriebsart wählt, kehrt gemäss dem Block --805-- das Programm zu dem Punkt A zurück, damit nach der Eingabe der erforderlichen Daten, die die im Bohrloch befindlichen Rohre betreffen, weitere Befehle eingegeben werden können.
Gemäss dem Block --803-- kann die Bedienungsperson jene programmierte Vorgangsfolge einleiten, in der der Bohrstrang aus dem Bohrloch ausgebaut wird. In diesem Fall schreitet das Programm zu dem Punkt C fort, an dem weitere Befehle eingegeben werden können. Die dem Punkt C folgende Vorgangsfolge wird nachstehend ausführlich erläutert.
Mit dem Block --804-- ist der Vorgang dargestellt, in dem in den Rechner --235-- bestimmte Kennwerte der Bohranlage eingegeben werden, u. zw. der Abstand der Ruhestellung der Rohrverschieber von der Bohrlochachse, die Höhen des oberen und mittleren Auslegers, die Abmessungen des Gestängerechens und die Geschwindigkeit der Rohrverschieber bei ihrer automatisch gesteuerten Bewegung.
Der Block --806-- stellt die fünfte Betriebsart dar, die von der Bedienungsperson gewählt werden kann. Sie dient zum Einbau eines Bohrstranges in das Bohrloch. Dabei bezeichnet der Block --807-- eine Phase, in der die Bedienungsperson eine Anfrage erhält, ob einzelne Rohrschüsse an den Bohrstrang angesetzt oder von ihm abgenommen werden sollen. In diesem Fall müssen die in dem Schritt --802-- in den Rechner --235-- eingegebenen Daten hinsichtlich des Aufbaues des Bohrstranges abgeändert werden.
Wenn die Bedienungsperson mitteilt, dass die in dem Rechner --235-- gespeicherten Bohrstrangdaten abgeändert werden sollen, kann gemäss dem Block --808-- die Information fortgeschrieben werden. Der dem Block --808-- im Programm folgende Block --809-- stellt dar, dass die Bedienungsperson erneut eine Anfrage erhält, ob sie zur Fortsetzung des Programms bereit ist. Wenn nicht, erfolgt gemäss Block --810-erneut eine Anfrage, ob die Bedienungsperson zur Fortsetzung des Programms bereit ist. Wenn die Bedienungsperson über die Tastatur des Sichtanzeigegeräts --236-- eingibt, dass sie zur Fortsetzung des Programms bereit ist, gibt der Rechner ein Signal ab, das ein Öffnen der Klauen der Rohrverschieber bewirkt.
In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform können den Rohrverschiebern --51, 52 und 62-drei oder mehr Klauen zugeordnet sein. Dann gibt der Rechner an die Rohrverschieber ein Signal ab, das bewirkt, dass sie sich aus ihrer Ruhestellung im Bereich der Seite des Bohrturms in eine dem Gestänge- rechen-55- (Fig. 2) benachbarte Bereitschaftsstellung bewegen. Die Rohrverschieber werden mittels der vorstehend an Hand der Fig. 9 beschriebenen Rohrverschieber-Servosteuerungen bewegt. Insbesondere steuert der Rechner --235-- jene der beiden Achsen an, längs der der Rohrverschieber (Wagen oder Ausleger) zuerst bewegt werden soll, worauf das Achsenansteuer-Magnetventil den Hydromotor --633 oder 634-- derart druckbeaufschlagt, dass die gewünschte Bewegung ausgeführt wird.
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In diesem Zeitpunkt werden die vorstehend beschriebenen Rückmeldeeinrichtungen wirksam. Der Sensor-253- (Fig. 8) zur Anzeige der Offen- oder Schliessstellung der Klauen zeigt durch die Stellung der Schalter --288 und 289-- in Fig. 15 die Stellung der Klauen an. Beim Einbau des Bohrstranges müssen in Ausführungsformen mit zwei Klauen beide Schalter --288 und 289-- geschlossen sein, damit an den Rechner --235-- ein Rückmeldesignal angelegt wird, das es dem Rechner gestattet, den nächsten Programmschritt einzuleiten. Gemäss dem Block --811-- erhält jetzt die Bedienungsperson wieder eine Anfrage, ob sie zur Fortsetzung des Programms zum Herausnehmen von Rohrzügen aus dem Gestängerechen bereit ist. Im Fall einer bejahenden Antwort wird gemäss dem Block --812-- weitergearbeitet.
Die Rohrverschieber werden zunächst an die gewünschte Stelle des Gestängerechens bewegt, u. zw. wieder mit Hilfe der in Fig. 9 dargestellten Rohrverschieber-Servosteuerung. Die genaue Stellung, in welche die Rohrverschieber bewegt werden, wird auf Grund der Kennwerte der Bohranlage bestimmt, die im Schritt --804-- in den Rechner --235-- eingegeben worden sind. Diese Kennwerte umfassen die Anzahl der im Gestängerechen befindlichen Rohrzüge und die Stellen, an denen sie sich befinden, so dass der Rechner die richtige Stelle in dem Gestängerechen auswählen kann.
Wenn die Rohrverschieber die richtige Stellung erreicht haben, werden die Klauen des oberen und mittleren Auslegers geschlossen. Mit Hilfe der in Fig. 15 gezeigten elektrischen Schaltung wird an den Rechner --235-- wieder ein Rückmeldesignal abgegeben, das anzeigt, dass die Klauen tatsächlich geschlossen sind und der nächste Programmschritt eingeleitet werden kann. Dieser besteht aus dem Öffnen des entsprechenden Rechenriegels. Der Rechner --235-- öffnet den entsprechenden Rechenriegel und wartet jetzt auf ein von dem Sensor --255-- kommendes Rückmeldesignal, das die einwandfreie Funktion des Riegels anzeigt. Der Sensor --255-- wurde vorstehend an Hand der Fig. 6 beschrieben.
Wenn der Rechenriegel geöffnet und dies durch ein Rückmeldesignal bestätigt worden ist, gibt der Rechner --235-- den nächsten Programmbefehl aus, der besagt, dass der auf dem Bohrturmflur oder dem Auflager stehende Rohrzug vertikal gehoben werden soll. Der an dem Rohrzug angreifende Hebekopf --152-- (Fig. 1) ist mit einem Last-Sensor-254- (Fig. 8) versehen, der nach dem Angriff des Hebekopfes an dem Rohrzug an den Rechner --235-- ein Signal abgibt, das besagt, dass der Rohrzug von dem Auflager abgehoben worden ist und von den Auslegern getragen wird.
Wenn der Rechner --235-- erfahren hat, dass der Rohrzug zur Bewegung bereit ist, gibt er den nächsten Programmbefehl ab, der bewirkt, dass gemäss dem Block --812-- der Rohrzug in eine bestimmte Höhe gehoben und aus dem Gestängerechen in eine vorherbestimmte Bereitschaftsstellung im Bereich des Gestängerechens bewegt wird.
Gemäss den Blöcken --813 und 814-- erhält die Bedienungsperson erneut eine Anfrage, die den Aufbau des Rohrzuges betrifft. Vorstehend wurde erläutert, dass in dem Schritt --802-- Rohrdaten in den Rechner --235-- eingegeben wurden. Wenn gegenüber diesen eingegebenen Daten keine Veränderung stattgefunden hat, leitet der Rechner den nächsten Programmschritt (Block 815) ein, in dem die Informationen über die im Bohrloch bzw. in dem Gestängerechen befindlichen Rohre fortgeschrieben werden. Unmittelbar nach dem Herausnehmen eines Rohrzuges aus dem Gestängerechen wird diese Information automatisch in dem Rechner gespeichert, so dass die Rohrverschieber an die richtige Stelle für den nächsten Bohrgestänge-Rohrzug bewegt werden können. Das Programm geht jetzt zu der dem Punkt D folgenden Vorgangsfolge über, die in Fig. 20 dargestellt ist.
Gemäss Fig. 20 besteht beim Einbau von Rohren in das Bohrloch der nächste Schritt darin, dass der Rohrzug zur Bohrlochachse bewegt wird (Block 810). Wenn der Rohrzug die programmierte Stellung in der Bohrlochachse erreicht hat, senkt der Hebekopf den Rohrzug in die Muffe (oder das Gewinde) des nächstunteren Rohrzuges. Dies ist in Fig. 1 dargestellt, in der das obere Ende des im Bohrloch befindlichen Bohrstranges mit --26-- und der auf den Bohrstrang --26-- abgesenkte Rohrzug mit--49-- bezeichnet sind.
Wenn der Bohrgestänge-Rohrstrang --49-- den Bohrstrang --26-- berührt, wird dies von dem Last-Sensor des Hebekopfes --152-- durch ein Rückmeldesignal angezeigt, das an den Rechner - angelegt wird und besagt, dass der Hebekopf --152-- entlastet ist, d. h. dass der Rohrzug --49-den Bohrstrang --49-- berührt. Darauf gibt der Rechner --235-- ein Signal an, das die weitere Vertikalbewegung des Hebekopfes --152-- unterbricht.
Vor der Bewegung des Rohrzuges zu der Bohrlochachse sind bestimmte Vorgänge von Hand durchgeführt worden. Dazu gehören das Ausrücken des Unterblockes --35-- und das Heben desselben in den Bereich des oberen Endes des Bohrturms an eine Stelle, in der der Unterblock die Bewegung des Rohrzuges zur Bohrlochachse nicht behindert. Wenn der Unterblock ausgerückt ist, gibt ein entsprechen-
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der Sensor an den Rechner --235-- ein Rückmeldesignal ab, das besagt, dass im Bereich der Bohrlochachse genügend Platz für das Heranbewegen des Rohrzuges vorhanden ist.
Wenn der Rohrzug --49-- in die Muffe eingesetzt worden ist, müssen vor dem Fortsetzen des automatisch gesteuerten Programms mehrere Vorgänge von Hand durchgeführt werden. Dazu gehören das Verschrauben des Rohrzuges --49-- mit dem Bohrstrang --26-- und das Entfernen der dazu verwendeten Vorrichtung aus dem Bereich des Zugverbinders. Durch Absenken des Unterblockes --35-- wird der Elevator --44-- in eine Stellung knapp unterhalb des Zugverbinders bewegt. Dann drückt die Bedienungsperson den Knopf "Anstellen", so dass der Unterblock an den Rohrzug --49-- angestellt wird und bei der Berührung des Elevators mit dem Rohrzug --49-- dieser automatisch eingespannt und der Elevator verriegelt und gesichert wird.
Gemäss dem Block --817-- erhält die Bedienungsperson jetzt wieder eine Anfrage, ob sie zur Fortsetzung des Programms bereit ist. Wenn die Verbindung einwandfrei hergestellt worden ist und der Elevator --44-- den Rohrzug --49-- eingespannt hat und gesichert ist, teilt die Bedienungsperson mittels der Tastatur des Siehtanzeigegeräts-236- (Fig. 8) oder durch Betätigung des Schalters --239-- der Bedienungstafel für den Bohrmeister (Fig. 8B) mit, dass das Programm fortgesetzt werden kann. Im Rahmen des Programms fragt der Rechner --235-- jetzt den dem Elevator --44-- zugeordneten Sensor ab, um sicherzustellen, dass der Elevator gesichert ist und den Bohrstrang trägt, bevor die Rohrverschieber gelöst werden.
Wenn der Elevator nicht gesichert ist, wird gemäss dem Block --819-- der Bedienungsperson durch ein Fehlersignal angezeigt, dass in dem System ein Fehler vorhanden ist. Wenn die Bedienungsperson diesen Fehler behoben hat, erhält sie erneut eine Anfrage, ob sie zur Fortsetzung des Programms bereit ist. Nach einer bejahenden Antwort wird in dem durch den Block --818-- dargestellten Programmschritt der dem Elevator-44- (Fig. 2) zugeordnete Sensor abgefragt, ob der Elevator gesichert ist. Nach dem Empfang eines Bestätigungssignals werden die Klauen der Ausleger geöffnet (Block 821) und wird ermittelt, wieviele Rohrzüge noch in dem Gestängerechen sind (Block 822). Wenn sich in dem Gestängerechen noch Rohrzüge befinden, schreitet das Programm zum Punkt E vor und wird die in Fig. 18 dargestellte Vorgangsfolge eingeleitet.
Wenn auf die Anfrage gemäss Block --822-- eine verneinende Antwort erfolgt, erhält die Bedienungsperson beispielsweise über das Sichtanzeigegerät --236-- eine Sichtanzeige, dass das Programm vollständig durchgeführt worden ist, und gibt der Rechner --235-- einen Befehl (Block 824) aus, der bewirkt, dass die Ausleger in ihre Ruhestellung bewegt und die Klauen geschlossen werden.
Gemäss Fig. 18 besteht eine der von der Bedienungsperson in der Phase --800-- wählbaren Betriebsarten in dem Ausbau des Bohrstranges aus dem Rohr. Nach der Wahl dieser Betriebszeit schreitet das Programm zum Punkt C vor.
Das am Punkt C beginnende Programm zum Ausbau des Bohrstranges aus dem Bohrloch ist in Fig. 19 dargestellt. Gemäss dem Block --830-- muss die Bedienungsperson dem Rechner --235-- durch ein Signal anzeigen, ob die Rohrzüge zuerst auf der linken oder auf der rechten Seite des Gestängerechens --55-- abgestellt werden sollen. Nach dem Empfang dieser Information gibt der Rechner --235-- die Befehle aus, die bewirken, dass gemäss dem Block --831-- die Klauen geöffnet und die Rohrverschieber aus der Ruhestellung in die Bereitschaftsstellung bewegt werden. In diesem Zeitpunkt ist in dem Rechner --235-der Aufbau des in dem Bohrloch befindlichen Bohrstranges gespeichert. Diese Information umfasst die Anzahl von Rohrzügen, die Art der Rohre und die Länge jedes Rohrzuges.
In dem nächsten Programmschritt erhält gemäss dem Block --832-- die Bedienungsperson eine Anfrage, ob seit der Eingabe der Information in den Rechner --235-- einzelne Rohrzüge entfernt worden sind oder der Bohrstrang auf andere Weise verändert worden ist. Die Bedienungsperson kann dann die den Bohrstrang betreffende Information erforderlichenfalls fortschreiben. Gemäss dem Block --833-- erhält die Bedienungsperson erneut eine Anfrage, ob sie zur Fortsetzung des Programms bereit ist. Im Fall einer bejahenden Antwort wird die automatische Vorgangsfolge eingeleitet, in der gemäss dem Block --834-- die Ausleger zu der Bohrloch-
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verschoben wird. Darauf fragt der Rechner den den entsprechenden Klauen zugeordneten Sensor ab, ob die Klauen geschlossen sind.
Jetzt öffnet die Bedienungsperson den Zugverbinder --19-- und löst sie den Elevator --44-- von dem Rohrzug --49--, der jetzt zum Abheben von dem Bohrstrang --26-- bereit ist.
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Nach dem Empfang des Rückmeldesignals, welches das Schliessen der Klauen betätigt, erhält die Bedienungsperson eine Anfrage, ob sie zur Fortsetzung des Programms bereit ist (Block 835). Die Bedienungsperson prüft, ob der Unterblock ausgerückt ist und die Abfangkeile eingesetzt sind. Dann teilt sie durch Betätigung des Wiederanlaufschalters --239-- auf der Bedienungstafel für den Bohrmeister (Fig. 8 B) mit, dass das Programm fortgesetzt werden kann.
Der Rechner --235-- stellt jetzt durch Abfragen des entsprechenden Sensors fest, ob der Elevator --44-- aus der Bohrlochachse ausgerückt und daher von dem Rohrzug --49-- abgerückt ist. Dann wird die automatische Vorgangsfolge gemäss Block --836-- fortgesetzt, wobei zunächst der Rohrzug von dem Bohrstrang --26-- abgehoben wird. Durch Abfragen des Last-Sensors des Hebekopfes stellt der Rechner --235-- fest, ob der Rohrzug von dem Bohrstrang --26-- abgehoben ist, und gibt der Rechner dann weitere Befehle ab, die bewirken, dass der Hebekopf um eine weitere festgelegte Strecke gehoben wird, bis sich der Rohrzug oberhalb der am oberen Ende des Bohrstranges --26-- vorhandenen Geräte befindet, und der Rohrzug dann an die richtige Stelle in dem Gestängerechen --55-- verschoben wird.
Nach dem Erreichen dieser Stelle wird der Rohrzug auf das Auflager abgesetzt und ein Befehl zum Schliessen des entsprechenden Rechenriegels ausgegeben.
Darauf fragt der Rechner --235-- den Last-Sensor des Hebekopfes --152-- ab, um zu gewährleisten, dass dieser gewichtsentlastet ist. Danach stellt der Rechner durch Abfragen des entsprechenden Sensors fest, ob der Rechenriegel richtig betätigt worden ist, worauf der nächste Befehl zum Öffnen der Klauen ausgegeben wird. Wenn die Klauen offen sind und dies durch ein an den Rechner --235-- angelegtes Rückmeldesignal bestätigt worden ist, werden die Rohrverschieber in ihre Bereitschaftsstellung bewegt.
Gemäss Block --837-- wird die die Rohre im Bohrloch und im Gestängerechen betreffende Information fortgeschrieben. Gemäss dem Block --838-- stellt der Rechner --235-- durch Abfragen der in ihm gespeicherten Information fest, ob der letzte Rohrzug aus dem Bohrloch ausgebaut worden ist. Im Falle einer verneinenden Antwort, läuft das Programm gemäss dem Block --832-- wieder an. Im Falle einer bejahenden Antwort erhält gemäss dem Block --839-- die Bedienungsperson auf dem Sichtanzeigegerät - eine Sichtanzeige, die besagt, dass das Programm vollständig durchgeführt worden ist und alle Rohre aus dem Bohrloch ausgebaut worden sind. Nach der vollständigen Durchführung des Programms werden die Ausleger in eine Ruhestellung bewegt und die Klauen geschlossen.
Das Programm schreitet dann zum Punkt A fort, worauf die Bedienungsperson gemäss Fig. 18 weitere Befehle eingeben kann.
Auf Grund der vorstehenden Beschreibung dürfte die Wirkungsweise des erfindungsgemässen Systems ohne weitere Erläuterungen verständlich sein. Im Rahmen des Erfindungsgedankens sind Abänderungen des dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiels möglich.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Bedienungseinrichtung für Bohrgestänge-Rohrzüge eines Bohrturms mit einem Gestängerechen zur Aufnahme der Rohrzüge in vertikalen, im Bereich einer Seite des Bohrturms in Abständen voneinander angeordneten, im wesentlichen parallelen Aufnahmeräumen und mit einer Rohrverschiebeeinrichtung zum Verschieben aufeinanderfolgender Rohrzüge zwischen einer Stellung im Bereich der Bohrturmachse und
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The invention relates to an operating device for drill pipe tubing of a derrick with a rod rake for receiving the tubing in vertical, in the area of one side of the rig spaced from each other, substantially parallel receiving spaces and with a pipe displacement device for moving successive pipes between a position in the Area of the drilling rig axis and the drill pipe.
Since drilling is increasingly being carried out in remote locations, including on and off the sea coast, there is an ever increasing need for an automatically operating operating device for drill pipe pipes, in order to reduce the workload for drilling from large islands, which is expediently carried out by floating islands to reduce the manipulation of the pipes and the effort associated with the workforce. Floating islands are unstable and can be equipped with a drilling rig or derrick.
Even in the case of a drilling rig that is mounted on a stable platform, for example on land or on a platform that is anchored in the ground near the coast, the automatic operation of the pipes has the advantage of reducing the amount of human work and the safety when drilling oil wells is increased.
Devices for operating drill pipe ears and drill collars are already known. Such a device is disclosed in US Pat. Nos. 3,561,811 (Turner), 3, 768, 663 (Turner) and 3, 615, 027 (Ham). Furthermore, devices of the type mentioned at the outset from US Pat. No. 3,929,235, DE-OS 2448336 and FR-PS No. 2,028,231 have become known. All of these known devices have advantageous features which relate to the operation of drilling rigs, in particular those on drilling rigs. However, none of these devices has an automatic and completely reliable operating device for the drill pipe tubing.
It is an object of the invention to provide a device with which the pipes and collars can be quickly and accurately brought into a position from which they can be installed in the borehole, or with which the pipes and collars can be stacked or in one Boom rake can be turned off so that the pipe is firmly attached at a point away from the drilling tower axis.
When manipulating the pipes or drill collars, several pipe sections are usually connected to trains, which are manipulated as such. Most of the time a train consists of three shots of a drill pipe or a drill collar. From time to time, these trains must be parked in a drill rake at a point away from the axis of the drilling rig, so that they do not hinder the drilling process on the one hand and on the other hand can be immediately detected and brought into position for connection to the drill string. Such parking of the trains in a drill rake at a point away from the drilling rig axis and removal of the trains from the drill rake is required, for example, if the drill string is removed to replace the drill bit and then reinstalled in the borehole to continue the drilling process.
This goal can be achieved with a known device of the type mentioned at the outset, in which, according to the invention, a computer system is provided for controlling the boom rake and the pipe displacement device.
The use of the device according to the invention leads to an improvement in the operation of the boom rake and the pipe displacement arrangement, which is used to move tube trains for temporary storage from the drilling rig axis in the boom rake. In particular, the invention provides a control and drive device for booms, which are used to manipulate pipes and which extend and retract in the longitudinal direction in vertically spaced, horizontal planes in the longitudinal direction and can also be moved sideways in these planes, so that the controlled movement of the A vertically superimposed boom between the position in the area of the boom rake and a position in which a pipe is located above the drilling table can be easily monitored by a single operator in the well tower.
The control and drive device also enables the automatically controlled movement of the booms, so that the operator only has to monitor the movement of the operating device from the position above the drilling table to the boom rake arranged next to the drilling rig. This automatically controlled mode of operation relates to clamping the drill string for pulling up from the borehole, clamping the pipe string to be removed from the drill string, lifting this pipe string from the drill string, moving the pipe string from a position above the drilling table into a position in the region of the
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in line with the rod, the insertion of the pipe pull in the rod rake, the parking of the pipe pull in the
Linkage rake on a support and, if necessary, closing a bolt to fix the
Pipe pull.
Thanks to the invention, the operating elements of the control and drive device can be arranged at an appropriate point, for example on the drilling rig floor within reach of an operator in the hallway, and can be actuated by the latter.
The computer system can be used to control the function of the hydraulically operated boom and the various auxiliary functions that have to be carried out in a boom rake when parking pipes. The same hydraulically operated device is used to park pipes in a rod rake, which is otherwise controlled manually by one or more operators and can now optionally also be controlled by the computer.
The invention together with its further advantages and features is explained in more detail below with reference to exemplary embodiments which are illustrated in the drawings. 1 shows a schematic side view of a drilling rig with devices assigned to it, FIG. 2 schematically shows part of the load sensor for the lifting head, FIG. 3 shows the linkage rake in a top view, FIG. 4 shows a lifting head in a side view, FIG. 5 4 shows a claw assigned to the lifting head according to FIG. 4, FIG. 6 shows a circuit diagram of the hydraulic system for controlling the rake bars, FIG. 7 shows in a block diagram the successive steps which are controlled by the computer during part of the program, FIG 8 is a block diagram of the computing system,
8A shows in detail a display device of the computing system provided with a cathode ray tube, FIG. 8B shows a front view of the control panel and FIG. 9 shows a diagram of the electrical control elements for a servo control for moving the tubes. 10A, 10B and 10C show a schematic of the hydraulic system for controlling the pipe shifters and for lifting the pipe runs.
11A shows a bottom view of the pipe displacement arrangement according to FIG. 11A, the sensor that is used to detect the position of the pipe displacement arrangement also being shown, FIG. 11A shows a side view of the pipe displacement arrangement, FIG. 11B shows a plan view of the pipe displacement arrangement according to FIG 12 shows an example of a sensor in section, FIG. 12B shows a top view of the sensor according to FIG. 12, FIG. 13 shows the sensor assigned to the lifting head partially cut away, FIG. 14 shows an electrical circuit diagram of part of the control assigned to the lifting head, 15 shows an electrical circuit diagram of the feedback circuit which is assigned to the claws of the pipe displacement arrangement and the lifting head,
16 shows a side view of the mechanism for disengaging the lower block of the pulley, FIG. 17 shows a top view of the elevator and the sensor assigned to it, FIG. 17A shows a top view of the locking mechanism for the elevator and FIG. 17B shows in detail the pneumatic device for actuating the Lock for the elevator. 18, 19 and 20 are block diagrams for illustrating the successive work steps which are carried out according to the computer program.
In Fig. 1, a drilling rig --22-- is shown rather schematically, with weightings, retaining wires and the like. Like. Construction elements are not shown, so that the working parts are more clearly recognizable.
The derrick generally has vertical corner posts - 24 and 25--, which stand on a base plate --28-- with base parts --29 and 30--. A water table --32-- is mounted near the top of the drilling rig --22--, which carries the usual crown block --33--, which is aligned with the vertical central axis of the tower. A sub-block - 35 - is suspended from the crown block with a rope --34--. In the usual way, the rope --34-- is attached to the base plate --28-- with one end (not shown) and leads it with its other end to the rope drum --36-- of a hoist --37--, that serves to raise and lower the sub-block and the load it carries.
A hook --38-- is pivotally suspended on the lower block --35--, u. with the help of interlocking brackets --39-- of the hook and --41-- of the block --35--. A handlebar --42-- is pivotally suspended from an eyelet - 43 - of the hook, which is provided at its lower end with an eyelet --45-- to which an elevator --44-- is pivotally connected. On the other side of the hook - a second link, not shown in FIG. 2, is suspended, which connects the elevator --44-- in a similar way to the hook --38--.
--46-- is a device for moving and guiding the lower block and hook, --47-- is a device for stabilizing the suspension links for the elevator, --48-- is a device for pressurizing the elevator with compressed air --44 - and with - -51, 52 and 62-- a pipe displacement arrangement. This includes an upper pipe shifter --51--,
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a middle pipe shifter --52-- and a lower pipe shifter --62--, each consisting of a carriage and a boom.
The boom of the middle pipe shifter --52-- is equipped with a lifting head. The details of the device --46-- for stabilizing and adjusting the sub-block and the hook, the device --47-- for stabilizing the handlebars, the device --48-- for pressurizing the elevator --44-- and the pipe displacement arrangement --51, 52, 62 - are specified in the following patents:
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- Stabilized Pipe Supporting Structure for Drilling Rigs-Turner jr. ; U.S. Patent No. 3,615,027 - Pipe Racking Control System - J.E. Ham.
It can be seen that a drill pipe tubing --49--, which here consists of three individual pipe sections, is carried by a device for manipulating pipes, which comprises an upper pipe shifter --51-- and a middle pipe shifter --52-- which are described below. It can also be seen that further drill pipe pulls --53-- or drill collar pulls --54-- are parked in a tubular frame which has a rod rake --55--, a support --56-- and a frame part --57- arranged in between - having.
It can also be seen that the upper end of the drill string --26-- protrudes upwards over the motor tongs --58--, the intercepting wedges --59-- and the drill table --61. With --62-- is a device for manipulating the casing pipes; this device can also be referred to as a lower pipe shifter. An arrangement --63-- with a rotating head and a driving rod is arranged in a flushing rod parking hole. The tube displacement arrangement is shown and described in detail in US Pat. No. 3,561,881 (Turner).
Under the pipe shifter --51-- there is a horizontal platform --65-- outwards from the drilling rig, on which an operator can stand when the pipe shifter is to be adjusted or repaired.
A rope --66-- is assigned to the pipe shifter --52--, which is operated by a pressure-actuated piston drive --67-- and serves to raise and lower the lifting head, as described in US Pat. No. 3,615 , 027 is described in detail. The hoist rope --66-- is connected on the one hand to the piston drive --67 - and on the other hand to a lifting head --152--, which is assigned to the pipe shifter --52-- and for lifting and lowering the pipe pull --49-- serves.
3 the boom rake --55-- consists of two parts. From the viewpoint of the tower climber, one part is --68-- to the right and the other part --69-- to the left of a central opening --71--. You can place this drill rake --55-- in the drilling rig --22-- at a considerable height, for example about 24 m above the platform --28--.
The boom rake --55-- has a rear rail --72-- that extends in the area of the derrick - across the side of the boom rake adjacent to the derrick. An end rail --73-- extends across the closed or outer side of the right boom rake section --68--. An end rail --74-- extends across the left outer end of the boom rake section --69--. A front rail extends --75 and 74 respectively from the end rails --73 and 74--
76--. The rails --72, 73, 74, 75 and 76-- form a frame that supports the parts of the boom and can also be called a circumferential walkway. The front rails --75 and 76-- are provided with struts --77, 78.79 and 80--.
The tines --82-- for the drill pipe and one or more tines --87-- for drill collars are mounted on the end rails --74--. These tines are attached to their left ends and extend horizontally in the transverse direction of the derrick. They are arranged from the front rail --76 - to the tine --87-- for the drill collars at such a lateral distance from one another that the corresponding drill pipe can be received in the spaces. The tine --87-- is arranged at such a distance from the rear rail --72-- that the drill collar to be set down can be accommodated in the space. The space between the front rail --76-- and the prong --81-- is --81-- is labeled --88--.
This gap extends from the outer end of the tine to its end part adjacent to the rail - 74 - and has such a horizontal depth that it can accommodate a selected number of pipe runs, 12 pipe runs in the exemplary embodiment shown. The same applies to the spaces --90--. The
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The space between the tie bar tine --87-- and the rear rail --72-- is larger than the space between the other tines and is so deep that it can accommodate six tie bar pulls.
It can be seen that this gap is closed at its left end by a gusset plate, which is preferably attached to the rear rail 72 and the tie rod finger, extends a bit horizontally outwards and for carrying and reinforcing the arrangement and as Stop for the first tie rod pull placed in it --54-- serves.
Each of the tines --82 and 87-- is provided with a series of bars distributed over its entire length - the distances between which are dimensioned so that the spaces can each accommodate a drill pipe. In the exemplary embodiment shown, each tine is provided with 12 bars. The latches are shown in their upper open position at --98-- and in the closed position at --99--.
With open bolts, pipes can be freely moved into and out of the spaces between the tines.
The right part --73-- of the boom rake is also provided with tines for drill pipe and with a tine for drill collars. These tines have the same arrangement and function as the tines described above. The various bars of the boom rake --55-- only belong to the invention insofar as they represent elements of the system for the automatic manipulation of pipes. Their training and mode of operation are described in detail in US Pat. No. 3, 768, 663-Control for Well Pipe Racks and the Like. Hydraulic actuation of the latch is described in U.S. Patent No. 3,799,364. In Fig. 3 the hydraulic actuation of the bolt is indicated. Each
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are.
Each distributor is provided with suitable valves and electromagnets (not shown) which serve to actuate the valves for each latch of the corresponding tine. Hydraulic fluid lines leading to the bolt actuation mechanism and electrical connections leading to a computer are also provided. These parts are described in detail below.
Fig. 3 also shows a part of the upper tube shifter --51-- with an extension arm --118--, which at the end has a holding head --119-- with a tube guide device in the form of a bolt or claw
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--121-- holds a drill pipe hoist --49--. Boom --118-- is mounted in a carriage --122-- (Fig. 1) and has a device for extending and retracting the boom in its longitudinal direction as described below Mistake. The carriage --122-- is arranged in a horizontal guide frame --125-- which extends horizontally on the side of the derrick and is provided with a computer-controlled device, described below, which is used to move the carriage into move the leadframe from one side of the derrick to the other.
This tube shifter is actuated by piston drives which are controlled by the electro-hydraulic or manual systems described below.
1 also shows that the middle pipe shifter --52-- as well as the upper pipe shifter --51-- has a carriage --122-- and a guide frame --125-- which holds the carriage
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3, 615, 027 (J.E. Ham) lifting head --152-- of the middle pipe shifter --52-- is connected to the rope --66-- and can be raised and lowered with the help of the rope. In an embodiment shown for example in FIG. 4, the rope --66-- is provided with a wire rope sleeve --66a--, which is connected via a load sensor --297-- to a web --66c--, which on the lifting head --152-- is provided.
If necessary, a roller can also be mounted between eyelets --167--, which are provided at the upper end of the head guide --153--, which acts on the rope when the head is lowered --152--. The lifting head --152- may be constructed similarly to that described in U.S. Patent No. 3,615,027 (J.E. Ham).
Fig. 4 also shows a bolt or claw --185--, which is shown in more detail in Fig. 5 and is used for clamping a drill pipe or a drill collar. The claw --185-- has a lever --186-- which is pivotally connected to the body of the lifting head --152-- by means of a pivot pin - 186--.
The lever --186-- has a drive arm --189-- and an output arm-190-. This extends claw-like in the arch and has an arc-shaped inner surface - -191--, which in one position of the lever --186-- engage a connector or a drill collar and can exert such a force on it that the connector or the drill collar into a suitable recess - 180a or 176a-- of a counter holder --180-- or an adapter plate
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- can be pushed in. The lever --186-- can be moved into a second position, shown in dashed lines in Fig. 5, in which the claw is open for receiving the drill pipe or drill collar.
A piston drive --195-- is used to move the counter-holder --180-- between an extended and a retracted position and --186-- between the ones shown in solid lines or with dashed lines in FIG. 5 for moving the hook or claw lever Positions a piston drive-196-is provided. These piston drives --195 and 196-- are described in detail in U.S. Patent No. 3,615,027.
The piston drives --195 and 196-- can be operated by a Mann-B- (Fig. L) standing in the hallway with the help of a suitable valve control or in the automatically controlled operation described below by a computer-235- (Fig. 8) to be controlled.
From Fig. L it goes without further graphic explanation that the upper holding head
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Part of a drill string pipe train, for example the train --49-- shown in FIG. 1, or a drill collar train, for example the train --54-- shown in FIG. 1, can be closed against a sideways movement with respect to the holding head --119-- and that the train can be raised and lowered relative to the holding head. It was mentioned above that the pipe shifter --62-- shown in Fig. 1 is used to manipulate casing pipes. This arrangement can also have a holding head and a claw arrangement, which can come into sliding contact with the train in certain manipulations of pipes.
With many manipulations of pipes, only one of the aforementioned pipe shifters --51, 52 and 62-- is required. For example, you can manipulate drill pipe tubing - possibly with the pipe shifter --52-- alone, whereby the vertical arm - for example with one or more claw arrangements --121-- can be provided to hold the pipe.
From the foregoing description of the mechanical device for manipulating pipes to be assembled into or removed from a drill string, it can be seen that the operation of the device can be made much more economical by automatic control.
Therefore, the devices and controls that are used to automatically control the hydraulically driven device for manipulating pipes will now be described.
Fig. 8 shows schematically the signal information that is entered into and output from the central computer --235--. The computer --235-- can be a universal digital computer, for example the computer manufactured by the Digital Equipment Corporation in Maynard, Massachusetts (USA) under the name PDP-8 / E. According to FIG. 8, two input-output consoles are shown, which provide an operator with information about the operating state of the computer --235-- and which can be used to enter update information into the computer --235--.
Also shown in Fig. 8 (a) is a visual display device --236--, such as the device manufactured by the Digital Equipment Company under the designation VT05-A-AA with a cathode ray tube and a keyboard, which is just sending a message to the operator delivers. The information shown indicates the structure of the drill string and is compiled from the input information described below.
The visual display device --236-- visually displays the amount of pipes in the borehole, the borehole depth, the drill bit depth and other information required by the operator. The other input-output console represents the control panel --237-- for the drilling master and allows an operator to enter certain, limited amounts of information to the computer - -235-- via control switches located at the bottom of the control panel --237 - are provided.
Fig. 8 (b) shows a typical layout for the control panel --237-- for the drill master. The mode selector switch-238-allows you to choose between automatic or manual control of the system for manipulating drill pipe ears. Other controls include a restart switch --239-- for restarting the program after an interruption due to a malfunction of the device or if the operator has received a request to ensure that measures that require manual operation of a control element have been carried out correctly are. Indicator lamps show the operating status of the automatically controlled system.
Hand switches are also provided on the control panel to interrupt the automatically controlled sequence of operations for manipulating pipes. An interruption can
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be made to intentionally pause at certain points in the sequence of manipulating pipes; this can be done either under program control or by actuation. of the stop switch. An interruption can also be brought about automatically under program control in the event of a fault. Suitable indicator lamps can be switched on to indicate the interruption process.
A program-controlled pause can also be brought about if a manipulation sequence is to be initiated and if after a program-controlled pause and an interruption to change the drill string, the operator's response to an inquiry is to be awaited.
8, on the basis of a programmed sequence of commands (a computer program), the computer generates --235-- control signals which are used to control an axis selector --241--, a claw control --242--, a lifting head control --243- - and a rake bar control and actuation device --244-- serve.
Position information via lines --245 and 246-is provided to the servo controls for the upper and middle tube shifters. For precise determination of the position of the lifting head assigned to the middle pipe shifter, position information is sent from a position sensor, not shown, to the computer --235-- via a line --247--.
During the automatically controlled operation of the device for manipulating pipes, certain feedback signals are generated which are input into the computer --235-- via the input line --248-- (which can consist of several individual lines). The function of the various feedback devices is given below. There is a sensor --251-- to display the movement of the pipe shifter, a sensor --252-- to display an inadmissibly large position error of the pipe shifter, a sensor --253-- to display the open or
Closing position of the claws, a sensor --254-- to indicate the unloaded or loaded condition of the lifting head, sensors --255- to indicate the closed position of rake bars, a sensor --256-- to indicate the retracted position of the sub-block, one sensor --257-- to indicate the closed and secured condition of the elevator and a sensor --258-- to monitor the filter of the hydraulic system.
The electrical and hydraulic control devices are described in detail below. First, however, the functions of the control devices specified above will be briefly explained.
(1) The axis selector --241-- controls the correct axis for each pipe shifter according to the required direction of movement. The pipe shifters are designed such that they only move along one axis at a time and that they cannot receive a movement command during a movement along an unselected axis.
(2) The claw control --242-- is used to open and close the claw-121- (Fig. 3) of the upper pipe shifter --51-- and the claws of any middle and lower pipe shifters that may be present.
(3) The lifting head control --243-- controls the vertical movement of the lifting head --152-- assigned to the central pipe shifter - -52-- (Fig. 1). As indicated above in connection with the mechanical system, the lifting head --152-- lifts the tubing --49-- from the drill string --26--,
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of the lifting head --152-- and thus of the drill pipe pull --49-- until reaching the drill string - -26--, so that the pipe pull can be connected to the drill string.
(4) The rake lock driver and actuator 244-- is connected to the rake --55-- shown in Fig. 3 and, depending on the progress of the pipe manipulation program, causes one or more fingers --97 - controlled and opened or closed.
(5) Position information generated by the computer --235-- can be transmitted to the servo controls for the upper, middle and lower pipe shifters via suitable interface devices, the combination depending on the particular embodiment. On the basis of this position information, the respective pipe shifter moves into the desired position, depending on whether the system for manipulating pipes removes drill pipe from the drill string or touches it.
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(6) As explained above, the lifting head serves for lifting and lowering the pipe run - from or onto the drill string --26-- in the borehole axis and for lifting and lowering the pipe run from and onto the side of the derrick - 22-- existing supports --56-- (Fig. 1).
The lifting head can be moved at two speeds and is crawled in the end phase of the upward or downward movement of the pipe pull.
The connections designated with CH and suffixes below are input or output channels of the universal digital computer (UDC-8). This universal computer forms an interface between the electrical circuits of the various working systems and the digital computer. Not all of these input channels are specifically mentioned. However, it goes without saying that each signal to be input into or output from the computer must first pass through the interface.
8, the computer receives --235-- certain input and feedback signals from the various components of the working system, in order to ensure that the mechanical system has carried out the respective work step correctly before a command to carry out the next work step automatically controlled sequence of events.
The sensor --251-- for displaying the state of motion of the pipe shifter is a speed sensor that measures the voltages induced by the movement of the carriage or boom of the pipe shifter. This is to ensure that neither the boom nor the wagon moves before the computer --235-- initiates the next step in the automatically controlled sequence of operations.
The movement of the pipe shifter is detected directly on the basis of the movement of the hydraulic motor which drives the moving parts. In Fig. 11 the drive is shown, which serves to move the carriage --122-- in the guide frame-125--. This drive comprises a drive chain - 138--, which extends across the guide frame --125-- and is connected at its ends to the side rails --126-- of the guide frame. A chain sprocket-139-- engages in the chain, which is driven by a reversible motor -140--, which is mounted on the guide -132-. There is also a sensor for detecting the position and possibly the speed of the carriage.
This sensor includes, for example, an encoder --250--, which is mounted on the support element --128-- of the carriage and whose sprocket --251-- is aligned in parallel with the shaft --252-- of the hydraulic motor --140-- . Another sprocket --253-- is mounted on the shaft --252-- of the motor --140--, which is driven by a drive chain --254-- with the sprocket --251-- of the encoder --250-- connected is.
The encoder --250-- is shown in detail in Fig. 12. The sprocket --251-- driven by chain-254- (Fig. 11) turns the tachodynamo --255-- and the resolver --256-- of the encoder via a suitable gear. The sprocket --251-- rotates over the shaft the gear --258--, which meshes with the gear --259--, which sits rigidly on the shaft --260-- of the tachodynamo --255--. Furthermore, a gear meshes --261-- with gear --262--, which sits on shaft --263-- and meshes with gear --264--, which meshes with shaft --265-- of the resolver - -256-- serves.
The tachodynamo - can be, for example, the device manufactured by Servo-Tek under the designation SB740B-1 and generates a voltage signal that corresponds to the movement of the car --122--. The resolver --256-- generates position information that represents the position of the carriage --122-- in the guide frame --125--. The resolver --256-- can be the device manufactured by the Kearfott Division of Singer Corporation under the designation 7R910-1A.
A drive for the longitudinal movement of the boom --135-- comprises a chain-141- (Fig. Lla), which extends above the boom in its longitudinal direction and is attached to the boom with its opposite ends. A reversible motor --143-- uses a sprocket --142-- to move the chain --141-- and with it the boom on the guide --132-- lengthways.
Without further explanation in the drawing it can be seen that the two chain drive motors - 140 and 143 - can be conventional rotating hydraulic motors which can rotate in opposite directions of rotation, and the like. between in automatically controlled operation under the control of the computer --235-- and in manually controlled operation under the control of the operator --B-- on the console in the hall of the drilling tower --22--. It also goes without saying that the transmitter --543--, which is expediently mounted on the frame --133-- of the carriage, detects the position and relative movement of the boom --135- in a similar manner.
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It goes without saying that, in embodiments with a middle and lower pipe shifter, the position information assigned to them can also be acquired in a similar manner.
4 the lifting head --152-- clamps the pipe pull --49-- in order to lift it from the area of the drill string --26-- (Fig. 1) and to the side of the drilling rig --22-- --56-to be placed on the support.
Fig. 17 shows a position sensor --280-- for detecting the height of the lifting head --152-- (Fig. 1). In operation, the position sensor --280-- contains a suitable cable --281--, which is connected to the lifting head --152-- by connector-282- (Fig. 4). The rope --281-- is wound onto the rope drum --283-- and is pulled off or wound onto the rope drum --283-- when the lifting head --152-- moves vertically. The cable drum --283-- is provided with a drive spring and can be the device manufactured by Ametek / Hunter under the name ML-2800. The cable drum --283-- turns the shaft of a potentiometer --285-- via a suitable coupling --284--. This can be the device manufactured by Amphenol under the designation 2101B.
The position of the lifting head --152-- in relation to the head guide --153-- can be determined by measuring the voltage on the pickup of the potentiometer --285--.
10A, the lifting head --152-- is assigned a creeper control --299--. This can be, for example, a hydraulic throttle valve and is controlled by a suitable electrical circuit,
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will. To enable the circuit according to FIG. 14 to be controlled, the computer --235-- outputs a signal to the coil --1605-- via --CH-58--, so that the switch --282-- is closed. If no further signal is now applied, the lifting head moves downwards. If the calculator --235-- applies another signal via --CH-56-- to the coil --1607--, the switch --283-- is closed and the speed of the vertical movement of the lifting head --152-- reduced to the creep speed.
When the calculator --235-- sends a signal to the coil --1606-- via --CH-57--, the switch --284-- is closed, so that the lifting head is reversed and moved upwards.
8, the various input signals are output into the computer --235-- via the line - which can consist of several individual lines which lead to the interface between the feedback sensors and the computer --235--. The interface can be formed by the universal digital computer manufactured by Digital Equipment Corporation under the designation UDC-8.
As can be seen in part from FIG. 8, the input / output device assigned to the computer --235-- comprises the interface device, i. H. the UDC-8, the control panel --237-- for the drill master, the display device --236-- and an analog-digital and digital-analog converter, for example that from Digital Equipment Corp. device manufactured in Maynard, Massachusetts (USA) under the name ADORA, and also a rapid strip reader and hole puncher, for example the one from Digital Equipment Corp. Device manufactured under the name PC8-EA, and a random tape memory, for example that from Digital Equipment Corp. Device manufactured under the designation TC08-TU56 DEC, or a disk memory, for example that of the company Digital Equipment Corp.
Device manufactured under the name DF32D DEC. These devices can be referred to collectively as input-output devices and are used to monitor the various feedback sensors and the computer --235-- and to control and load the program input and output for the computer --235--. Instead of the visual display device --236-- you can of course also use a paper recorder in the input / output device.
In connection with the servo control for the pipe shifters, it is assumed below that there is a position error signal on line --637--. This is compared with a preselected level by the sensor --603-- shown in Fig. 9 to indicate an impermissibly large position error.
If the actual position of a boom or a wagon deviates from the predetermined position by a selectable amount, which is considered to be impermissibly large, the pipe shifting process is interrupted and the system is switched over to manual control. This switchover takes place by interrupting the electrical input signals for the various servo controls, whereupon these can be controlled manually. This possibility is provided so that the device for the automatic manipulation of pipes does not process any interference signal or another wrong signal
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can, which could damage the system or endanger the operating personnel of the system.
The sensor --253-- for indicating the open and closed position of the claws can have two end point switches, such as those manufactured by the Parker-Hannifin company in Des Plaines, Illinois (USA) under the designation AO-1. The switches can be mounted in the area of the claw-actuating piston drives at locations, the choice of which depends on the switch selected, and generally respond to three positions of the piston rod --201-- (Fig. 5), u. between: (l) piston rod fully retracted; (2) piston rod in motion; (3) Piston rod fully extended.
15 shows an example of an electrical circuit for generating a feedback signal to be applied to the computer --235 from one or more claws assigned to the cantilevers. In the circuit shown, two sets of sensors are provided, which are assigned to the upper and the middle boom. When switches --286 and 287-- are in the positions shown in Fig. 15
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when the claws are closed by a pipe pull --49--. When the hydraulic piston drive - 196- (Fig. 4) fully extends its piston, switches --288 and 289-- are closed and switches --286 and 287-- are opened so that the connection --CH-13 - the computer --235-- a voltage signal is applied, which indicates that the claws are open.
A sensor is assigned to the lifting head --152--, which indicates whether the lifting head weighs one
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--49-- carries fork head --298-- which is connected via a pin --296-- to a load sensor --297-- for the lifting head. This load sensor --297-- is connected to wire rope-66- (Fig. 4) by elements --294 and 296--. The elements --294 and 296-- are expediently arranged in such a way that they can be moved relative to each other when the lifting head --152-- is loaded. This relative movement takes place at the interface --293--, which partially forms the inner wall of a chamber --295--.
In the chamber - there is a suitable device, for example in the form of disc springs --292--, which counteracts a movement of the element --294-- with respect to the element --296--. If the lifting head --152-- is loaded, e.g. when lifting the drill pipe --49--, the element --294-- is pulled away from the element --296--, so that the pin --291-- den End point switch --290-- actuated. Of course, the end point switch --290-- on the element --294- and the pin --291-- on the element --296-- are operated in such a way
that the movement between the elements --294 and 296-- is converted into a corresponding movement between the pin --291-- and the end point switch --290-- and therefore a feedback signal is applied to the computer --235-- indicates a load on the lifting head --152--. The end point switch --290-- can be, for example, the device manufactured by Honeywell Corporation under the designation 2LS-1.
The computer --235-- should also be informed by a signal that the sub-block --35-- shown in Fig. 1 has been disengaged from the borehole axis. For this purpose the linkage --290a-- (Fig. 16) used to disengage the sub-block is arranged with an end point switch to indicate the disengagement of the sub-block --35--. 16, the linkage for disengaging the sub-block is shown in detail. The linkage --290a-- has a hydraulic piston drive --290b-- for pulling in and extending an element --291b--. The endpoint switch 208 can be, for example, the switch manufactured by Allen-Bradley Company under the designation 802 T-A.
This is a normally open two-position holder, which indicates the retraction of the hydraulic piston drive --290b-- when the clevis --291a-- engages the lever arm --293a-- of the switch. This will apply a signal to calculator --235-- indicating that sub-block 35- (Fig. 1) is fully disengaged from the borehole axis. The position of the sub-block --35-- is expediently determined so that the hook --38--, the handlebar --42-- and the elevator --44-do not hinder the movement of the pipe pull --49-- if this is moved from the tubular frame to the borehole axis or vice versa.
If the --292a-- switch is not actuated, the automatic manipulation of the pipes is interrupted and the visual display device displays a corresponding error message.
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According to Fig. 1, the elevator --44-- is provided with a device that serves to close and secure a clamping ring around the pipe pull --49-- before lifting or lowering the drill string. A feedback to the computer that the clamping ring of the elevator --44-- is closed, locked and secured takes place by means of a device which detects the closing of the securing element of the elevator and sends a signal confirming this closing to the computer --235-- .
Fig. 17 shows part of the frame of the elevator-44-. A bolt is assigned to the elevator --44--, which prevents the elevator loaded with the weight of a pipe train from opening unintentionally. The bolt --391-- shown separately in Fig. 17A is pivoted about the pivot pin --390-- when the elevator --44-- is closed so that unintentional opening of the elevator is prevented. 17 and 17a, the latch --391-- has a protruding shoulder --389-- which engages a corresponding protruding shoulder --388--, which on the opposite side of the elevator --44-- is provided.
An additional safeguard is provided by the safety element --387-- being moved into its closed position by a spring surrounding the pin --399-- when the elevator is closed. When the safety element --387-- has reached its closed position, in which it grips the stop pin --386-, the bolt --391-- can no longer move, so that it prevents the elevator --44-from opening. If the elevator --44-- is to be opened to release a pipe pull, the securing element --387-- in Fig. 17 is pivoted clockwise with the help of a pneumatic piston drive --392-- via a linkage, so that the bolt - -391-- is released.
To indicate the closing of the elevator and the correct function of the bolt, a proximity switch --385--, which responds to metal, is provided, which in the closed position of the safety element --387-- the computer - by a feedback signal, the correct function of the mechanism for locking and Securing the elevator displays. The proximity switch --385-- can, for example, that of the company R. B. Denison, Inc. under the designation NJ 1. 5-6. 5-N manufactured switches.
17B shows the piston drive --392-- of another embodiment, which can be used to indicate that the latch is properly closed and secured for the elevator. Depending on the desired position of the elevator --44--, the piston rod --293a-- of the piston drive - moves in or out (this is shown). A pneumatic limit switch --294a-- is mounted on the cylinder of the piston drive --392--, the projecting stem --295a-- of the piston rod --293a-- or the sleeve --296-- of the piston drive --392- - attacks.
In the position shown, the sleeve --296a-- moves the shaft --295a-- in the pneumatic end point switching valve - inwards so that the positions of the piston rod --293a-- and thus the perfect closing and locking of the elevator --44- - can be displayed. The pneumatic end point switching valve --294a-- can be a cam-controlled end point switching valve, for example the valve manufactured by Snyder Machine Company in Hawthorne, California (USA) under the designation CV-18.
Fig. 9 shows the servo control --600-- for the movement of the upper tube shifter -51--. The servo control --600--, based on control commands from the computer --235--, causes a controlled movement of the carriage drive --644-- and the boom drive - 642--, among other things. between two directions, which are given by the x-axis and the y-axis. The carriage drive --644-- causes a sideways movement in the direction of the x-axis, which is parallel to the side of the tower. The boom drive - 642-- causes the boom to move longitudinally along the y-axis towards and away from the borehole axis. Manual and automatic operation of the servo controls can be selected on the control panel --650-- for the drill master.
The servo control --600-- for the upper tube shifter --600-- has feedback loops with sensors for the carriage and boom drive. The feedback loop with the vehicle drive sensor includes a gearbox --607--, a tachodynamo --605--, a resolver --606-- and a car drive control relay --646--. The feedback loop with the sensor for the boom drive includes the gearbox --617--, the tachodynamo --615--, the resolver --616-- and a boom drive control relay --648--. The servo control --600-- also includes a digital angle converter --604--, the DC servo controller --602--, the servo valve --630-- and solenoid valves - 631 and 632--.
If the operating mode selector switch --238-- (Fig.8B) on the control panel --650-- is in the automatic position for the drill master, the movement of the pipe shifter is stopped by the
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Calculator --235-- controlled. This movement only takes place along one axis. To initiate the automatically controlled sequence of operations for moving the boom using the boom drive --642-the computer --235-- sends a signal to the coil --618-- of a boom drive control relay --648-so that the relay contacts- 613 and 614-- can be closed.
The signal applied by the computer --235-- to the coil --610-- or the coil --618-- can be the output of an output circuit with an open collector, for example that from the company Digital Equipment Corporation under the designation BM 684 manufactured contact output module. This circle arranged in the computer --235-- represents part of the above-mentioned interface device UDC-6.
Information relating to the movement of the boom drive --642-- is fed back by the tachodynamo --615-- and the resolver-616--. The tachodynamo measures the speed and the resolver uses a three-wire sensor to measure the position of the boom relative to the borehole axis. The tachodynamo --615-- and the resolver --616-- are connected to the cantilever drive --642-- by a gearbox --617--, which can consist of spur gears on the motor shaft, the tachodynamic shaft and the resolver shaft to sit. The various spur gears can be connected to one another by intermediate gears in such a way that motion transmission and specific transmission ratios are achieved. The transmission can also have a chain drive which connects the motor shaft to the intermediate wheels.
When the shaft of the tachodynamo --615-- rotates, it produces an electrical output in the form of a rippled DC voltage. If the speed of the hydraulic motor changes - the angular speed of the shaft of the tachodynamo --615-- also changes, and with it the output DC voltage. The output of the tachodynamo --615-- is applied to the detector --628-, which detects the movement of the tube shifter. The detector --628-- determines the speed of the boom drive --642-- and sends this information to the computer --235-- via the line --629--. The output DC voltage of the tachodynamo is smoothed in the detector --628--, so that a pure DC voltage is obtained.
It is then determined whether this DC voltage is below a preselected level. If the desired condition is met, a signal is sent to the computer --235--, which causes the movement to stop. The boom drive - provides position information to the resolver --616--. The output --612-- of the resolver is an electrical signal with suppressed carrier, which is transmitted via three conductors at which different voltage levels are present, which indicate the extent of the movement of the boom drive --642-- and thus the position of the boom. An excitation voltage with a frequency of 400 Hz is applied to the resolver --616--. When the hydraulic motor --634-- moves the boom drive --642--, the rotor of the resolver --616-- is also moved.
When the rotor rotates, voltages are applied to the three conductors. The voltage shows the angle of rotation of the rotor and, since the rotor is connected to the boom drive --642-- via a gearbox, also its position. The position information provided by the resolver --616-- is output via the contact --613-- of the boom drive control relay to the digital angle converter --604--. Information relating to the speed and position of the carriage drive --644-- is obtained in a similar manner.
The digital rotation angle converter --604-- receives position information from the resolver --616-- via three conductors and from the computer --235-- via the output line --627-- digital commands. The digital rotation angle converter --604-- processes the position information and the digital command and emits an analog output signal via line --623--, which is referred to as a signal with suppressed carrier and whose amplitude is the amount of the position error of the controlled one Drive indicates. The phase of the analog signal indicates the direction of the error. Digital rotation angle converters are known in control systems. For example, the device manufactured by Vernitron under the name VDCT-401SB could be used as the digital rotation angle converter --604.
The output signal of the digital rotation angle converter --604-- is sent via line --623-- to the DC servo controller --602--, in particular to a phase-sensitive demodulator - -624--. Its output is a DC voltage, the amplitude of which indicates the amount and the polarity of which indicates the direction of the position error. The DC signal generated by the demodulator --624-- as an error signal is sent via line --637-- to the detector --603--, which responds to an impermissibly large error and switches off the servo control when the pipe slide valve reaches the programmed position does not exactly occupy.
The error signal is also sent via line --637-- to the gain adjustment network-625--, which is activated with the help of potentiometers connected in parallel.
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meters --656 and 657-- and the loop gain for the servo control --600--.
Potentiometers connected in parallel are required because the boom drive --642-- has a different inertia than the carriage drive --644-- and therefore with the adjustment of a single loop gain, the servo controls for the boom and carriage drives would not be properly addressed. The loop gain is the product of the gain factors that occur in the loop, which consists of the feedback path and the control path. The gain factor is a link in the transfer function of the closed circuit of the servo control that describes the response of the servo control.
When the carriage drive - 644 - is activated, the loop gain control relay --635-- for the carriage drive switches on the potentiometer --657-- used to set the loop gain for the carriage drive in the control. When the boom drive --642-- is activated, the loop gain control relay --636-- for the boom drive switches on the potentiometer --656-- used to set the loop gain for the boom drive in the control. Now the DC voltage amplifier --626-- receives the DC voltage error signal from the network --625-- and depending on the controlled axis the output signal of the tachodynamo --615 or 605--.
The DC voltage amplifier --626-- generates a correction signal to reduce the position error indicated by the output signal of the digital rotation angle converter. To stabilize the servo control, loop damping is brought about by applying the output of the tachodynamo --615 or 605-- to the DC voltage amplifier --626--. As a DC voltage servo controller --602--, the controller manufactured by Moog under the name MWOG82E453 can be used in a manner known to those skilled in the art.
During operation, the servo control --600-- alternately controls the carriage drive --644-- and the boom drive --642-- based on the commands from the computer --235. By switching on the control relay --646-- for the carriage drive and the loop amplification control relay --635-- for the carriage drive, the feedback device comprising the sensors is switched into the closed circuit of the servo control. The control relay --648-- for the boom drive and the loop gain control relay --636-- for the boom drive have a similar effect.
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electrical output signal of the DC servo controller --602-- and controls the pressurization of the selected hydraulic motor in such a way that the boom or the wagon is moved.
The servo valve --630-- can be used in the usual way as the servo valve manufactured by Moog under the designation 72-102. The reversible hydraulic motors with variable flow rate manufactured by the Staffa company under the designation B80 can be used as hydraulic motors --633 and 634--. The pipe shifter is expediently only moved along one axis. As described above, the detector --628-- for displaying the movement of the pipe shifter only allows the movement to be switched from one axis to another if the speed of the respectively controlled drive is approximately zero, which also means that the output voltage of the corresponding tachodynamic is approximately zero.
A servo control similar to that just described can be used to control the movement of the middle and lower tube shifters, if any. In this case, the correspondingly expanded computer with regard to the operation of the servo controls for the additional pipe shifters has further input and output functions which correspond to those described above.
10A, 10B and IOC the hydraulic system according to the invention is shown. The motors for driving the pipe shifters are fed with hydraulic fluid from a pump or a series of pumps from a container, which is expediently arranged under the drilling rig floor. Such a container is indicated, for example, at --300--. It is used to deliver and take up liquid to or from the lines, which deliver liquid to the pumps --301 and 303--, which in turn pressurized liquid to the motors for driving the middle pipe shifter and any existing upper and lower ones Submit pipe shifter.
The carriage motors --140 and 140a-- and the boom motors --143 and 143a-- of the corresponding pipe shifters can be fed with hydraulic fluid from a positive displacement pump --301--.
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A similar pump --302-- is used to deliver hydraulic fluid to the same pipe displacement motors. However, the two pumps do not work at the same time. With the help of suitable pressure relief devices, both pumps could also be operated simultaneously. In the present preferred embodiment, however, the one pump only works if the pump connected in parallel fails. 10B, two motors --301b and 302b-- are provided for driving the gear pumps 301, 301a, 302, 302a. As mentioned above, the hydraulic pumps --301a and 302a-- are connected in parallel and only one of them works at a time.
The pumps - 301a and 302a-- are used to supply hydraulic fluid to the piston drive for the lifting head, to the release device for the lower block (not shown), to the upper and the middle claw and to the boom rake. The hydraulic pumps 301 and 302 are also connected in parallel, and only one of them works at a time. They deliver hydraulic fluid to the upper and middle pipe shifters. In the embodiment according to FIGS. 10A, 10B and IOC, the upper and the lower carriage are fed by a single source of hydraulic fluid, the respective carriage being controlled by means of a directional control valve --141-.
Since the upper and lower carriages are rarely used at the same time, the directional control valve --141-- is used to pressurize the desired carriage, so that the effort for the hydraulic system is reduced.
The carriage drive motors --140 and 140a-- for moving the carriages of the corresponding pipe shifters sideways are reversible positive displacement motors which can run in opposite directions depending on the direction of flow of the hydraulic fluid supplied to them. The boom drive motors --143 and 143a-- are also reversible positive displacement motors, so that the motors fed with hydraulic fluid from the pumps --301 or 301a-- can be reversed with the help of optionally actuatable valve devices. When operating with manual control, the maximum speed of the motors depends on the displacement of the pumps --301 or 302--.
In the following, the hydraulic system is explained primarily with reference to FIG. 10B, in particular in connection with the upper pipe shifter. In embodiments with a middle and an upper pipe shifter, in the hydraulic system for the middle pipe shifter there is generally a valve which corresponds to the valve of the hydraulic system for the upper pipe shifter. Reference is made in each case to both valves, the reference symbol of the valve of the hydraulic system for the upper pipe shifter being put in brackets. For example, the specification --304 (404) - designates the valve --304-- of the hydraulic system for the middle pipe shifter and the valve --404-- of the hydraulic system for the upper pipe shifter. Both valves have similar functions.
As mentioned above, pumps --301a and 302a-- for delivering hydraulic fluid to the lifting head, the upper and middle claw and the boom rake are connected in parallel and only one of them works at a time. The pumps --301 and 302 - for delivering hydraulic fluid to the upper and middle pipe shifters are also connected in parallel, and only one of them works at a time. When using suitable pressure relief devices, however, all pumps could also run continuously.
Now consider the part assigned to the upper tube shifter according to FIG. 10B and the part assigned to the middle tube shifter according to FIG. 10C. The pumps --301 and 302-deliver hydraulic fluid to the parts assigned to the upper and lower pipe shifters via a line --451-- and one of these downstream distributors --1018--. A safety valve --1019-- is connected upstream of the distributor, from which a suitable line leads to the tank --300--.
The overflow line-1020-- and all similar overflow lines are directly connected to the --300-- tank. The distributor --1018-- has three elements --1010, 1011 and 1012--. The element - 1010 - delivers hydraulic fluid to the middle pipe shifter and the element --1011-- delivers hydraulic fluid to the upper or lower pipe shifter. The elements --1010, 1011 and 1012 - are connected to each other by gears in such a way that the hydraulic fluid present in the line --451-- and the elements --1010 and 1011-- of the distributor also drive the element via suitable mechanical gears - -1012-- drives. This is described in more detail below in connection with the boom rake and claws.
Now consider again the part assigned to the upper pipe shifter according to FIG. 10B and the part assigned to the middle pipe shifter according to FIG. 10C. With manually controlled operation
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the pumps --301, 301a, 302 and 302a-- deliver liquid to the drive motors --140 (140a) - for the carriages of the middle and the upper pipe shifter via line-303 (403) -which is a valve - -304 (404) - which is normally open and can be operated in the closing sense. With the valve 304 (404) open, the liquid can flow through the line 303 (403) in both directions so that the motor can run forwards and backwards - 140 (140a).
The direction of flow of the liquid in line 303 (403) is controlled by means of the throttle and directional valve --330 (430). The valve 330 (430) can be used to control the flow of the hydraulic fluid supplied to line --303-- and the direction of flow of the hydraulic fluid in lines --303a (403a) and 303b (403b).
By reversing the direction of flow of the liquid in the lines 303 (403), the motor 140 (140a) is reversed during manually controlled operation.
Hydraulic fluid is delivered to the throttle valve 331 (431) via the line 308 (408).
As explained above, each tube shifter only moves along one axis. Therefore only one of the motors --140 and 143-- is running. Of course, the corresponding motor of the upper pipe shifter also works with a motor of the middle pipe shifter.
For this purpose, a loop is provided which includes the two-position and zero-position valve - 330 (430) - and is used to deliver fluid to valve-331 (431) - when the motor is -143 (143a ) - should run. Valve-331 (431) - is similar in function to valve --330 (430) - in that it controls both the flow and direction of hydraulic fluid in lines --308A (408A) and 308B (408B) )-can be used. A reversal of the direction of flow of the liquid fed to the lines --308 (408) - causes a reversal of the direction of flow of the liquid through the boom motor --143 (143a) - and thus a reversal of the direction of movement of the boom.
In the lines --308 (408) - there is also a solenoid valve 310 (410) - which is normally open when the pipe manipulation system is operated manually. These directional control valves --330 (430) and 331 (431) - contain pressure compensation devices which ensure that the speed of the drive motors is independent of the load and only dependent on the position of the piston.
Valves --304 (404), 310 (410) and 311 (411) - are provided for switching over to the automatically controlled operation of the system for manipulating pipes. When solenoid valve-311 (411) is actuated, line-303 (403) -is blocked and the hydraulic fluid flows into line-312 (412) -.
The switch valves --311 (411), 304 (404) and 310 (410) - are actuated in the case of automatically controlled operation. The valves-311 (411) - conduct the liquid instead of to the manually operated valve-330 (430) - via the line-312 (412) -to the pressure accumulators-1115 (1015) -. Valves --304 (404) and 310 (410) - are now closed so that no liquid can flow or seep through manual valves --330 (430) and 331 (431).
If the carriage is to be moved during automatically controlled operation, the x-axis control valve-318 (418) - is opened by its electromagnet receiving a control signal from the computer --235--. The computer --235-- then generates the control signal for positioning the servo valve --313 (413) - so that the hydraulic fluid for driving the carriage drive motor --140 (140a) - flows in the correct amount and in the correct direction . The direction of rotation and speed of the carriage drive motor --140 (140a) - are then controlled by the computer --235--.
To move the boom, the y-axis control valve --317 (417) - is opened by its solenoid receiving a control signal from the computer --235--.
To switch on the carriage drive motor-140 (140a) - the X-axis control valve - -318 (418) - is opened so that the servo valve-313 (413) - via lines-303 (403) - with the carriage drive motor - -140 (140a) - is connected. To switch on the boom drive motor --143 (143a) - the y-axis control valve --317 (417) - is opened so that the servo valve --313 (413) - with lines-308 (408) - is connected. Due to the use of the axis control valves, a single servo valve is sufficient for the operation of two or more motors and a simultaneous movement along more than one axis is prevented.
If the solenoid of the valve - -311 (411) - is switched on to switch over to automatically controlled operation, hydraulic fluid flows through line-312 (412) - and the filter --314 (414) - to the servo valve-313 (413) -. The filter-314 (414) is provided with a pressure differential sensor-258 (358) -which indicates that the filter-314 (414) is misplaced by being on
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sends a suitable feedback signal to the computer --235--. The line --312 (412) - also contains the pressure accumulator-1015 (1115) - and a pressure regulator --1016 (1116).
The pressure accumulator-1015 (1115) - which is supplied with compressed air fluid from line --312 (412) - is at a preselected pressure by means of the pressure regulator - -1016 (1116) - which can also be referred to as a relief valve
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achieved, which are actuated in the automatically controlled operation and are therefore closed so that they prevent flow from the servo valve -313 (413) through the manually operated valves -303 (403) and 310 (410). The servo valve-313 (413) is a bidirectional flow control valve that controls the flow and direction of the pressure under the control of a proportional electrical signal.
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--317Only move the open position
if they have received a command signal from the computer --235-- to control a wagon or boom motor.
It has been recognized that due to the vertical arrangement of the parked pipes, a significant portion of the working area in the hall of the derrick is used to park the pipes and is not available for other work. It has also been recognized that parking the tubing in an inclined position such that the lower ends of the tubing are further from the borehole axis than the upper ends, as indicated by dashed lines in FIG. 1, to an appropriate compromise with respect to Exploitation of the drilling rig corridor for the storage of pipes and for work. You can therefore program the computer --235-- so that the upper pipe shifter --51-- and the middle pipe shifter --52-- are offset against each other along the y-axis.
The program logic of the computer makes it possible to achieve this displacement of the pipe shifters and thus an inclined parking of the pipes. If an oblique parking is desired, the upper and middle and possibly also the lower pipe shifter are program-controlled such that the pipe run is inclined along the x-axis at the beginning of the movement and then in an inclined position in the manner described above for the vertical parking of pipe runs is moved to the place where it should be parked.
The subject matter of the invention was explained above in connection with the automatically controlled operation, in which the movement of the pipe runs takes place in a program-controlled sequence of operations. However, the circuit diagrams, in particular FIGS. 10B and 10C, show that the various functions of the pipe shifters can also be controlled manually. Each of the throttling valves --301 (331) - (Fig.10C) and --430 (431) - (fig.10B) is connected via a simple mechanical linkage to a single hand-operated control lever, which is shown schematically on each Valve is indicated schematically to indicate the possibility of manual actuation of the valve.
By manually operating the operating lever in the directions assigned to the x or y axis, the pipe shifters can be caused to move in the selected direction along the x or y axis. A limitation device can be provided for the movement of the operating lever, for example in the form of a simple lever guide, which prevents simultaneous movement of the pipe shifters along the x and y axes, because in some cases this could impair the control of the pipe movement.
If a movement of the carriage is desired in the automatically controlled mode, is indicated by a
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desired amount and flow direction is supplied. With the help of the x-axis control valve - -317 (417) - the boom motor can be controlled, whereby the direction of rotation and speed of the
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Changes in fluid pressure and prevent damage to lines in the event of a sudden engine stop.
The pumps --301, 301a, 302 and 302a-- also deliver hydraulic fluid to a tensioning device --350 (450) -, the piston --196-- being identical to that shown in FIG. 5. The clamping device --350-- is assigned to the middle pipe shifter --52-- and serves to clamp the drill pipe --49-- (Fig. 1) in the lifting head-152--. The clamping device --350 (450) - is supplied with hydraulic fluid from the hydraulic pumps --301a and 302a--. The pressure of the hydraulic fluid flowing in the line is increased by the pump --1012--, which is driven by the distributor pumps - 1011 and 1010--.
Hydraulic fluid, the pressure of which is limited to a preselected value, is supplied to the pressure accumulator --1022--, in which there is a pressure controlled by the relief valve --1023. Excess liquid gets through the relief valve and a suitable pipe into the tank --300--. Hydraulic fluid reaches the valves --352 (452) and 353 (453) - through line-1024 (1124). If the system is in manually controlled operation
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(452) -Pressure fluid- -353 (453) - can have a return spring that tries to move it to the zero position, in which the valve is closed, so that this valve closes in the event of a power failure.
Line --1021-- releases hydraulic fluid to the actuating device for the rake bar. The automatic function of this device has been described above. The mechanical control of the rake bars is generally similar to that described in US Pat. No. 3, 615, 027, but the manual control device is supplemented by a suitable electrical circuit, which is connected to the computer and is operated in the automatically controlled mode allows single or multiple bars of the boom rake.
Figea shows the device for actuating the lifting head. The lifting head --152-- is connected by a rope to a hydraulic piston drive --67--, which is supplied with hydraulic fluid by the pump --301a or 302a-- via line --1030--. In the case of manually controlled operation, the hydraulic fluid is fed to the valve --1025--, which can have two working positions and one zero position and which, depending on its selected position, releases hydraulic fluid to the line --1030a or 1030b, depending on the direction in which the Lifting head --152-- should be moved.
In automatically controlled operation, hydraulic fluid is fed to the solenoid valve --1028--, which has two working positions and one zero position and which, according to the direction of movement selected for the lifting head, hydraulic fluid via line --1030a or 1030b-- to the piston drive --67-- delivers. The line --1030b-- also contains a device --1029--, which has a holding and a safety valve and has the effect that the pipe pull is kept clamped in the event of a failure.
The valve --1028- is assigned a creeper control --1027--, which is used to control the speed of the lifting head. For example, it may be appropriate to slow down the movement of the lifting head somewhat from normal speed when it approaches the end point of the intended movement.
It has already been mentioned above that hydraulic fluid from the pump --301a or 302a-- is supplied to the piston drive for actuating the lifting head, the rod rake and the claw arrangements. The hydraulic fluid is first fed to the line that leads to the piston drive --67-- for actuating the lifting head, and then through the distributor pump --1012-- to the boom rake and the claw arrangements.
Based on the description of the operation of the controls for the middle and upper carriage and boom it is understood that the controls for the middle and upper boom function similarly. The lower car can be controlled automatically in a similar way to the upper and middle car. In the case of manual control, the lower carriage is controlled in a manner similar to that in accordance with the aforementioned US Pat. No. 3,615,027.
Fig. 6 shows a hydraulic diagram with two directional control valves --201--, each one hydraulic
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its piston moves to a position in which pressure fluid is - depending on the desired movement of the bolt --97-- via line --206 or 208-- delivered to the piston drive, which actuates the rake bolt --97- - serves. If this is to be opened, for example, the piston of the directional control valve --201-- moves into a position in which the direction of flow indicated in FIG. 6 is obtained because the line --207-- with the line --206-- is aligned so that the piston - moves downwards and therefore liquid runs through line --208-- into the return line --203-- leading to the container.
If hydraulic fluid enters line --208-- into the return line - the pressure in line --203-- increases. This pressure increase acts on line - -209-- on pressure switch --210--. The flow sensor --212-- has a narrow orifice --211--, which causes the pressure in line --209-- to be maintained for as long as the piston drive for the rake bar is actuated, so that actuation of the Switch --210-- is guaranteed.
For example, the orifice can have a diameter of approximately 1.3 mm, so that the liquid can pass through the orifice --211-- in a small amount and then through the line --213-- and the check valve --214-- in the return line-215-- can drain. When the piston --205-- reaches the end of its movement, the pressure in the line --208-- necessarily drops so that the pressure switch --210-- is reset and ready to indicate the actuation of the next actuated bar.
In order to ensure the proper functioning of the pressure sensor, a filling valve --460-- is also provided, through which pressure fluid constantly flows in a small amount into the line --209--, so that no air can get into it because if there is air in the line --209-- the switch --210-- is less suitable for detecting a pressure increase that indicates the actuation of a bar.
7 is a simplified block diagram of the sequence of operations used to extract a drill string from a borehole. The drill string can be removed for a variety of reasons, particularly to replace the drill bit, either because it has encountered a different earth formation or because it has become dull during operation.
Reference is now made to FIGS. 7 and 1.
Block --220-- represents the phase in which the pipe shifters designated by --51 and 52-- in Fig. 1 are in a standby position, in which they are offset from the borehole axis and generally between the borehole axis and the side of the derrick.
First, the expansion of the drill string is prepared by a manual process. The operator must lift the sub-block and drill string and insert the intercept wedges so that they clamp the drill string and prevent its further vertical movement. This position of the drill string --49-- is shown in Fig. 1. The rope drum --37 and the ropes --34-- are used to lift the lower block. Block --222-- represents the phase in which the two pipe shifters move to the borehole axis and the claws of the pipe shifters engage the drill pipe pull. Then another process is carried out manually according to block --223--. the cable connector --18-- is opened using a manually or automatically operated pliers, not shown.
Furthermore, the elevator --44-- is opened and the lower block -35-according to Fig. 1 is moved to the side of the drilling tower so that the pipe pull --49-- can be removed from the area of the borehole axis.
Block --224-- represents a phase in which the pipe shifting system is controlled automatically. The lifting head --152-- operated by the piston drive --67-- via the rope --66-- lifts the pipe pull --49- from the upper end of the drill string --26--. The block --225-- represents the next automatically controlled phase, in which the pipe shifters --51 and 52-- are moved synchronously into a position that corresponds to a tine gap --90-- of the boom rake --55-- (Fig .3) is assigned. The block - represents the next phase, in which the pipe shifters --51 and 52-- synchronously to the
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represents the phase in which the pipe pull --49-- is released by opening the claws --152 and 119--. becomes.
Block --230-- represents the phase in which the pipe shifters --51 and 52-- return to a standby position, in which they are located between the side of the derrick and the borehole axis.
A computer program can be derived from the process scheme shown in FIG. 18. The successive operations of the automatically controlled pipe manipulation system are shown in the form of blocks. The first of the successive program-controlled steps begins at time A. As indicated by block --800--, the operator must now select the operating mode. According to Fig. 8 this can be done by entering information into the computer --235-- for the drilling master using the display device --236-- or the control panel --237--.
The computer program is a written sequence of commands that can be written in a binary coded machine language and are stored in the memory of the computer --235--. Via the visual display device --236--, the operator inputs commands in a form to which the programmed computer --235-- responds. The operator can choose between five operating modes.
According to block --801--, the operator can input a stop signal which causes the computer --235-- to remain in a standby state or if the computer --235-- is in a state to execute the program is, this execution of program instructions is interrupted and the computer comes into a standby state. Block --802-- represents the operator entering data related to the amount and types of pipes in the borehole. A drill string can consist of different types of pipes, for example pipes with rubber sleeves, drill collars and normal drill pipe pipes.
If the operator selects this mode, the program returns to point A according to block --805-- so that further commands can be entered after entering the required data relating to the downhole pipes.
According to block --803--, the operator can initiate the programmed sequence of operations in which the drill string is removed from the borehole. In this case, the program proceeds to point C, where further commands can be entered. The sequence of operations following point C is explained in detail below.
Block --804-- shows the process in which certain parameters of the drilling rig are entered into the computer --235--, u. between the distance of the idle position of the pipe shifters from the borehole axis, the heights of the upper and middle boom, the dimensions of the boom rake and the speed of the pipe shifters during their automatically controlled movement.
Block --806-- represents the fifth mode of operation that can be selected by the operator. It is used to install a drill string in the borehole. Block --807-- denotes a phase in which the operator receives a request whether individual pipe sections should be attached to the drill string or removed from it. In this case, the data entered in step --802-- into the computer --235-- must be modified with regard to the structure of the drill string.
If the operator informs that the drill string data stored in the computer --235-- should be changed, the information can be updated in block --808--. The block --809-- following the block --808-- in the program represents that the operator again receives a request whether he is ready to continue the program. If not, a request is made again according to block --810-whether the operator is ready to continue the program. When the operator uses the keypad on the display device --236-- to indicate that they are ready to continue the program, the computer emits a signal which causes the claws of the pipe shifters to open.
In the embodiment shown in FIG. 1, three or more claws can be assigned to the pipe shifters -51, 52 and 62-. The computer then sends a signal to the pipe shifter, which causes them to move from their rest position in the area of the side of the drilling tower to a standby position adjacent to the rod rake 55 (FIG. 2). The tube shifters are moved by means of the tube shifter servo controls described above with reference to FIG. 9. In particular, the computer controls --235-- that of the two axes along which the pipe shifter (carriage or boom) is to be moved first, whereupon the axis control solenoid valve pressurizes the hydraulic motor --633 or 634-- in such a way that the desired movement is performed.
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At this point, the feedback devices described above take effect. The sensor-253- (Fig. 8) for indicating the open or closed position of the claws indicates the position of the claws by the position of the switches --288 and 289-- in Fig. 15. When installing the drill string in embodiments with two claws, both switches --288 and 289-- must be closed so that a feedback signal is applied to the computer --235--, which allows the computer to initiate the next program step. In accordance with block --811--, the operator now receives a request again whether he is ready to continue the program for removing pipe runs from the rod rake. In the event of an affirmative answer, block 812 continues.
The pipe shifters are first moved to the desired position on the boom rake, u. between again with the aid of the tube shift servo control shown in FIG. 9. The exact position in which the pipe shifters are moved is determined on the basis of the parameters of the drilling rig, which were entered into the computer --235-- in step --804--. These parameters include the number of pipe runs in the boom rake and the locations where they are located so that the computer can select the correct location in the boom rake.
When the pipe shifters have reached the correct position, the claws of the upper and middle boom are closed. With the help of the electrical circuit shown in FIG. 15, a feedback signal is sent to the computer --235-- again, which indicates that the claws are actually closed and the next program step can be initiated. This consists of opening the corresponding calculation bar. The computer --235-- opens the corresponding bar and now waits for a feedback signal from sensor --255--, which indicates that the bar is working properly. The sensor --255-- was described above with reference to FIG. 6.
When the bar has been opened and this has been confirmed by a feedback signal, the computer --235-- issues the next program command, which states that the pipe run on the drilling rig floor or the support should be lifted vertically. The lifting head --152-- (Fig. 1) engaging the pipe pull is provided with a load sensor-254- (Fig. 8), which is connected to the computer --235-- after the lifting head engages the pipe pull Output signal that the pipe has been lifted from the support and is supported by the boom.
When the calculator --235-- has learned that the pipe run is ready to move, it issues the next program command, which, according to block --812--, raises the pipe run to a certain height and moves it out of the rake a predetermined standby position is moved in the area of the boom rake.
According to blocks --813 and 814--, the operator receives another request regarding the construction of the pipe train. It was explained above that in step --802-- pipe data was entered into the calculator --235--. If there has been no change to the data entered, the computer initiates the next program step (block 815) in which the information about the pipes located in the borehole or in the drill rake is updated. Immediately after removing a pipe run from the drill rake, this information is automatically saved in the computer so that the pipe shifters can be moved to the right place for the next drill pipe run. The program now proceeds to the sequence of operations following point D, which is shown in FIG.
20, when installing pipes in the borehole, the next step is to move the tubing to the borehole axis (block 810). When the pipe run has reached the programmed position in the borehole axis, the lifting head lowers the pipe run into the sleeve (or the thread) of the next pipe run below. This is shown in Fig. 1, in which the upper end of the drill string located in the borehole is denoted by --26-- and the pipe run lowered to the drill string --26-- is denoted by - 49--.
If the drill pipe string --49-- touches the drill string --26--, this is indicated by the load sensor of the lifting head --152-- by a feedback signal, which is applied to the computer - and says that the Lifting head --152-- is relieved, d. H. that the pipe pull --49 touches the drill string --49--. The computer --235-- then outputs a signal that interrupts the further vertical movement of the lifting head --152--.
Before the pipe run moved to the borehole axis, certain operations were performed by hand. This includes disengaging the sub-block --35-- and lifting it into the area of the upper end of the derrick to a point where the sub-block does not hinder the movement of the pipe run to the borehole axis. When the sub-block is disengaged, a corresponding
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the sensor sends a feedback signal to the computer --235--, which indicates that there is enough space in the area of the borehole axis for moving the pipe pull.
If the pipe pull --49-- has been inserted into the socket, several operations must be carried out manually before continuing the automatically controlled program. This includes screwing the pipe run --49-- to the drill string --26-- and removing the device used for this from the area of the train connector. By lowering the sub-block --35--, the elevator --44-- is moved to a position just below the train connector. Then the operator presses the "Start" button, so that the sub-block is placed against the pipe pull --49-- and, when the elevator touches the pipe pull --49--, the latter is automatically clamped in and the elevator is locked and secured.
In accordance with block --817--, the operator now receives a request whether he is ready to continue the program. When the connection has been made properly and the elevator --44-- has clamped the pipe pull --49-- and is secured, the operator can use the keyboard of the visual display device-236- (Fig. 8) or by pressing the switch - -239-- the control panel for the drill master (Fig. 8B) with that the program can be continued. As part of the program, the computer --235-- now interrogates the sensor assigned to the elevator --44-- to ensure that the elevator is secured and supports the drill string before the pipe shifters are released.
If the elevator is not secured, according to block --819-- the operator is indicated by an error signal that there is an error in the system. When the operator has resolved this error, he is again asked if he is ready to continue the program. After an affirmative answer, in the program step represented by block --818-- the sensor assigned to elevator-44- (FIG. 2) is queried as to whether the elevator is secured. After receiving a confirmation signal, the claws of the booms are opened (block 821) and it is determined how many pipe runs are still in the boom rake (block 822). If there are still pipe runs in the boom rake, the program proceeds to point E and the sequence of operations shown in FIG. 18 is initiated.
If a negative answer to the request in block --822-- is given, the operator receives, for example via the visual display device --236--, a visual indication that the program has been completed and gives the computer --235-- a command (Block 824), which causes the booms to move to their rest position and the claws to be closed.
According to FIG. 18, one of the operating modes that can be selected by the operator in the phase --800-- consists in removing the drill string from the pipe. After selecting this operating time, the program proceeds to point C.
The program for removing the drill string from the borehole starting at point C is shown in FIG. 19. According to block --830--, the operator must indicate to the computer --235-- by means of a signal whether the pipe runs should first be parked on the left or on the right side of the boom rake --55--. After receiving this information, the computer --235-- issues the commands which, according to block --831--, open the claws and move the pipe shifters from the rest position to the standby position. At this time, the structure of the drill string located in the borehole is stored in the computer --235. This information includes the number of pipe runs, the type of pipe and the length of each pipe run.
In the next program step, in accordance with block --832--, the operator receives a request as to whether individual pipe runs have been removed since the information was entered into the computer --235-- or whether the drill string has been changed in any other way. The operator can then update the information relating to the drill string if necessary. In accordance with block --833--, the operator again receives a request as to whether he is ready to continue the program. In the event of an affirmative answer, the automatic sequence of operations is initiated in which, according to block --834--, the booms to the borehole
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is moved. The computer then asks the sensor assigned to the corresponding claws whether the claws are closed.
Now the operator opens the pull connector --19-- and releases the elevator --44-- from the pipe pull --49--, which is now ready to be lifted off the drill string --26--.
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After receiving the feedback signal which actuates the closing of the claws, the operator receives a request whether he is ready to continue the program (block 835). The operator checks that the sub-block is disengaged and the interception wedges are in place. Then, by actuating the restart switch --239-- on the control panel for the drill master (Fig. 8 B), she informs that the program can be continued.
The computer --235-- now determines by querying the corresponding sensor whether the elevator --44-- has disengaged from the borehole axis and has therefore moved away from the pipe run --49--. Then the automatic sequence of operations in block --836-- is continued, whereby the pipe run is first lifted off the drill string --26--. By querying the load sensor of the lifting head, the computer --235-- determines whether the tubing has been lifted from the drill string --26--, and then gives the computer further commands which cause the lifting head to be moved one more time specified distance is lifted until the pipe pull is above the equipment at the upper end of the drill string --26--, and the pipe pull is then moved to the correct position in the drill rake --55--.
After reaching this point, the pipe pull is placed on the support and a command to close the corresponding bar is issued.
The computer --235-- then queries the load sensor of the lifting head --152-- to ensure that it is relieved of weight. The computer then determines by querying the corresponding sensor whether the latch has been operated correctly, whereupon the next command to open the claws is issued. When the claws are open and this has been confirmed by a feedback signal applied to the computer --235--, the pipe shifters are moved to their ready position.
According to block --837--, the information regarding the pipes in the borehole and in the drill rake is updated. According to block --838--, the computer --235-- determines by querying the information stored in it whether the last pipe run has been removed from the borehole. In the event of a negative answer, the program starts again according to block --832--. In the event of an affirmative answer, according to block 839, the operator on the display device is given a display indicating that the program has been completed and all pipes have been removed from the borehole. After completing the program, the booms are moved to a rest position and the claws are closed.
The program then proceeds to point A, whereupon the operator can enter further commands as shown in FIG.
Based on the above description, the mode of operation of the system according to the invention should be understandable without further explanation. Modifications of the illustrated and described exemplary embodiment are possible within the scope of the inventive concept.
PATENT CLAIMS:
1.Operating device for drill pipe tubing of a derrick with a rod rake for receiving the tubing in vertical, in the area of one side of the rig spaced from each other, substantially parallel receiving spaces and with a pipe displacement device for moving successive pipes between a position in the area of the drilling rig axis and
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