BRPI0414009B1

BRPI0414009B1 - braço automatizado para posicionamento de ferramentas de perfuração tal como um estaleirador automático de tubo de perfuração

Info

Publication number: BRPI0414009B1
Application number: BRPI0414009A
Authority: BR
Inventors: Jaroslav V Belik
Original assignee: Nat Oilwell Lp
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2004-08-16
Publication date: 2015-10-20
Also published as: US20060118335A1; WO2005024169A2; CA2535610C; US20050047884A1; US7455128B2; EP1660754A2; US20070251728A1; BRPI0414009A; MXPA06002259A; EP1660754B1; US7249639B2; CA2535610A1; EP1660754A4; WO2005024169A3; NO20060666L; US7178612B2; NO340639B1

Abstract

"braço automatizado para posicionamento de ferramentas de perfuração tal como um estaleirador automático de tubo de perfuração". a invenção se refere a um aparelho para movimento de um estaleirador automático de tubo de perfuração para uma posição, para se permitir a constituição ou a ruptura de juntas roscada em uma coluna de perfuração. o aparelho também pode ser usado para se mover um outro equipamento de perfuração para uma posição na linha de centro do poço ou em buracos do ratinho. um braço de paralelogramo sincronizado duplo é utilizado para se realizar o movimento dos dispositivos. cilindros hidráulicos ou pneumáticos são usados para extensão ou retração do braço, ao invés de para suporte da ferramenta. o braço pode manter a ferramenta em qualquer posição sem assistência de cilindro. a ligação no paralelogramo sincronizado pode ser realizada por engrenagens, ligações, fendas e rolos.

Description

BRAÇO AUTOMATIZADO PARA POSICIONAMENTO DE FERRAMENTAS DE PERFURAÇÃO TAL COMO UM ESTALEIRADOR AUTOMÁTICO DE TUBO DE

PERFURAÇÃO

REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS [001] Este pedido reivindica o beneficio do Pedido Provisório U.S. N° 60/499.087, depositado em 29 de agosto de 2003 e do Pedido de Patente de Utilidade N° 10/916.164, depositado em 11 de agosto de 2004, intitulado "Automated arm for positioning of drilling tools such as an iron roughneck", requerente BELIK, Jaroslav.

CAMPO DA INVENÇÃO [002] A presente invenção se refere a um dispositivo de posicionamento particularmente útil na indústria de óleo e gás. Em particular, a invenção se refere a um dispositivo de posicionamento que permite o posicionamento de ferramentas de perfuração em torno de um piso de sonda com mais eficiência e com menos risco para o pessoal da sonda do que os dispositivos de posicionamento prévios.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO [003] Na indústria de óleo e gás, uma coluna de perfuração é usada por uma sonda de perfuração para a perfuração de um furo de poço. A coluna de perfuração tipicamente é composta por um tubo de perfuração e um conjunto de fundo de furo; o último inclui a broca de perfuração, colares de perfuração e outras ferramentas relacionadas à perfuração. Um aparelho automatizado geralmente conhecido como "estaleirador automático de tubo de perfuração" pode ser utilizado para a constituição e a ruptura de juntas roscadas de tubo de perfuração em uma coluna de perfuração. Os estaleiradores automáticos de tubo de perfuração têm sido usados na indústria de perfuração por muitos anos e estão comercialmente disponíveis a partir de vários fornecedores. Por exemplo, vários estaleiradores automáticos de tubo de perfuração são fabricados e comercializados pela National Oiwell, L.P. em Houston, Texas. [004] Um estaleirador automático de tubo de perfuração geralmente compreende uma unidade de chave de duas peças e uma unidade de enrolador. O enrolador gira uma junta de tubo de perfuração em relação a uma segunda junta para enroscar a extremidade de pino da junta de ferramenta da primeira junta de tubo de perfuração na extremidade de caixa da junta de ferramenta da segunda junta, ou para desenroscar as juntas de ferramenta das duas juntas de tubo de perfuração. A unidade de chave provê o torque necessário para a constituição ou a ruptura da conexão. A chave de fundo, a qual serve como uma chave de reserva, sujeita a junta de ferramenta do tubo de perfuração suspenso na mesa rotativa ou no buraco do ratinho. A chave superior sujeita a junta de ferramenta do tubo suspensa a partir da torre e aplica o torque de constituição final ou o torque de ruptura inicial à conexão. [005] Em vários momentos durante as operações de perfuração, o estaleirador automático de tubo de perfuração precisa ser movido entre vários locais na sonda, incluindo a linha de centro de poço, um ou mais buracos do ratinho e uma posição de estacionamento ou armazenamento. Um movimento do estaleirador automático de tubo de perfuração pode ser difícil, devido ao tamanho e ao peso da unidade. Os estaleiradores automáticos de tubo de perfuração existentes podem ser montados em um carrinho que corre em um par de trilhos paralelos. 0 problema com esta configuração é que se múltiplos locais forem desejados, tal como um buraco do ratinho e a posição de alinhamento de linha de centro, trilhos extras são necessários. Quanto mais trilhos no convés, maiores os riscos de armadilhas que são criados para o pessoal da sonda. Se um acesso a um segundo buraco do ratinho for desejado, então, podería haver três conjuntos de trilhos todos convergindo em um único ponto. [006] Um segundo tipo de dispositivo de posicionamento de estaleirador automático de tubo de perfuração é um braço telescópico ou braço de tesoura. Este tipo de braço usa hidráulica para um movimento telescópico do estaleirador automático de tubo de perfuração para o local desejado. Estes braços telescópicos são dispendiosos e pesados, e eles ocupam um espaço substancial quando retraídos para a posição armazenada ou estacionada. [007] Um terceiro tipo de dispositivo de posicionamento de estaleirador automático de tubo de perfuração é um aparelho de paralelogramo suspenso, onde o estaleirador automático de tubo de perfuração é suspenso a partir da torre e um dispositivo de paralelogramo oscila o estaleirador automático de tubo de perfuração para a posição. Uma outra variação tem o estaleirador automático de tubo de perfuração se pendurando a partir de um braço montado em um dispositivo de posicionamento em formato de C. Os problemas associados a estes dispositivos são que a distância a partir da base do braço até o tubo é muito curta, o estaleirador automático de tubo de perfuração continua a oscilar após ser colocado em posição (a gravidade é usada para se mantê-lo na vertical), o estaleirador automático de tubo de perfuração é difícil de instalar, o estaleirador automático de tubo de perfuração é pesado e o estaleirador automático de tubo de perfuração não é muito ajustável para futuras posições. [008] US 4,765,401 (Boyadjieff et al) é um exemplo de um equipamento de movimentação de tubos de poço, o qual inclui uma estrutura se estendendo verticalmente, a qual transporta meios para engatar e manter um tubo em uma condição vertical e é móvel com o suporte de tubo entre uma primeira posição e uma segunda posição. O tubo que transporta os meios pode incluir um mecanismo de paralelogramo. [009] Muitos destes dispositivos da técnica anterior usam cilindros hidráulicos para elevação e suporte dos estaleiradores automáticos de tubo de perfuração e, assim, são susceptíveis à falha dos cilindros ou a uma falha de potência. Assim, seria desejável ter um sistema que fosse de peso leve, de tamanho compacto, facilmente instalado, para o movimento dos estaleiradores automáticos de tubo de perfuração. Um sistema como esse também podería ser usado com outras ferramentas de perfuração ou um equipamento, os quais fossem pesados e/ou incômodos de se mover em torno da sonda de perfuração.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO [0010] [0011] A invenção se refere a um aparelho para movimento de um estaleirador automático de tubo de perfuração para posição para permitir a constituição e a ruptura de juntas roscadas em uma coluna de perfuração. 0 estaleirador automático de tubo de perfuração pode ser posicionado em torno da linha de centro do poço, bem como em um ou mais buracos do ratinho. Um braço de paralelogramo sincronizado duplo auto-equilibrado é utilizado para extensão e retração do braço, ao invés de se suportar o peso da ferramenta. 0 braço mantém a ferramenta em qualquer posição, sem assistência de um cilindro. Adicionalmente, o braço mantém o dispositivo na posição vertical em todos os pontos de extensão. Ainda, o braço move o dispositivo paralelamente ao piso de perfuração. A ligação no paralelogramo sincronizado pode ser realizada usando-se engrenagens, ligações, fendas ou rolos. 0 aparelho também pode ser usado para se mover um outro equipamento para posição em torno da sonda de perfuração, tal como a linha de centro do poço ou os buracos do ratinho.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [0012] As figuras a seguir fazem parte do presente relatório descritivo e são incluídas para demonstração adicional de certos aspectos da presente invenção. A invenção pode ser mais bem compreendida por uma referência a uma ou mais dessas figuras em combinação com a descrição detalhada de modalidades específicas apresentadas aqui. [0013] A Fig. 1 é uma vista isométrica do conjunto de braço e estaleirador automático de tubo de perfuração. [0014] A Fig. 2 é uma vista em perfil do conjunto de braço e estaleirador automático de tubo de perfuração. [0015] As Fig. 3A e 3B mostram a conexão de engrenagem sincronizada nas posições retraída e estendida. [0016] As Fig. 4A e 4B mostram a conexão de braço de rolo sincronizada nas posições retraída e estendida. [0017] As Fig. 5A e 5B mostram a conexão de pino e braço de fenda sincronizada nas posições retraída e estendida. [0018] As Fig. 6A e 6B mostram a conexão de braço de ligação sincronizada nas posições estendida e retraída.

DESCRIÇÃO DE MODALIDADES ILUSTRATIVAS [0019] Os exemplos a seguir são incluídos para demonstração das modalidades preferidas da invenção. Deve ser apreciado por aqueles de conhecimento na técnica que as técnicas mostradas nos exemplos que se seguem representam técnicas descobertas pelo inventor como funcionando bem na prática da invenção e, assim, podem ser consideradas como constituindo modos preferidos para a sua prática. Contudo, aqueles versados na técnica devem apreciar, à luz da presente exposição, que muitas mudanças podem ser feitas nas modalidades específicas as quais são mostradas e ainda se obter um resultado igual ou similar, sem se desviar do espírito e do escopo da invenção. Mais ainda, embora a presente invenção seja discutida nos parágrafos a seguir por uma referência ao posicionamento de um estaleirador automático de tubo de perfuração em uma sonda de perfuração. Será evidente a partir da presente exposição que o dispositivo de posicionamento da presente invenção não deve estar limitado ao posicionamento de ferramentas em uma sonda de perfuração. [0020] A Fig. 1 representa uma vista isométrica de uma modalidade da invenção. O conjunto de braço 10 compreende uma coluna 12 na qual corre uma guia de coluna 11. A base da coluna 12 compreende uma haste 48, que pode ser alinhada em um receptáculo localizado no piso de perfuração, e um mancai 14 usado para rotação. Ao invés de uma haste, a base pode apenas ter um flange que é aparafusado ao piso de perfuração ou pode ser simplesmente soldado ao piso de perfuração. É afixado à guia de coluna 11 pelo menos um braço de paralelogramo, o qual compreende uma ligação de tração 20, um braço de suporte inferior 22, um braço de suporte 24 e uma ligação de compressão 26. Os braços de suporte superior e inferior 24, 22 podem ser afixados por um de vários mecanismos, como mostrado nas Fig. 3 a 6. [0021] O meio de afixação pode consistir em uma conexão de braço de engrenagem 28 (Fig. 3A-3B), uma conexão de braço de rolo 30 (Fig. 4A-4B), uma conexão de pino e braço de fenda 32 (Fig. 5A-5B) ou uma conexão de braço de ligação 34 (Fig. 6A-6B). A junta de transferência de carga 29 afixa os vários braços de suporte e ligações em conjunto. Um cilindro de extensão / retração 38 é usado para se mover o braço para fora para várias distâncias a partir da posição de armazenamento vertical. Se mais de um braço for usado, uma ou mais braçadeiras 60 podem ser usadas para a conexão deles. [0022] Ao final do braço de suporte de carga superior 24 e da ligação de compressão 2 6, há uma ferramenta ou suporte de chave 36. É afixado à braçadeira de ferramenta o estaleirador automático de tubo de perfuração, que compreende um enrolador 42, uma chave de topo 44 e uma chave de fundo 46. Um suporte de enrolador 4 0 e molas 56 também podem estar presentes. O suporte de enrolador 40 e as molas 56 são usados para se garantir que todos os rolos no enrolador 42 estejam tocando o tubo, e permite que o enrolador se mova para baixo pelo tubo, conforme a junta de ferramenta é constituída. Se o enrolador for aberto, ele se moverá para longe do tubo. [0023] De modo a se elevar e abaixar o conjunto de braço ao longo da coluna 12, um cilindro de elevação 13, como mostrado na Fig. 2, é usado. O cilindro de elevação 13 preferencialmente é atuado de forma hidráulica. Alguém versado na técnica, contudo, reconhecerá que o cilindro 13 também pode ser atuado de forma pneumática. O cilindro de elevação 13 pode elevar a guia de coluna 11 para uma altura determinada por um batente elétrico 54, se um controlador lógico programável (PLC) for usado com um sensor para a determinação da localização da junta de tubo. Um batente manual também pode ser usado, sem a necessidade de um PLC. Por exemplo, para controle da distância do estaleirador automático de tubo de perfuração da coluna 12, um batente mecânico 58 pode ser usado. Pode haver mais de um batente mecânico 58 para posições diferentes do braço, tal como o poço central ou buracos do ratinho. O conjunto de braço 10 pode incluir batentes elétricos e mecânicos. [0024] Um painel de controle de regulagem de torque 50 pode ser utilizado para controle de vários movimentos do braço. Um invólucro hidráulico 51 pode alojar válvulas e solenóides para os vários alojamentos hidráulicos necessários para o controle das funções do estaleirador automático de tubo de perfuração e do braço. As mangueiras (não mostradas) usadas pelo estaleirador automático de tubo de perfuração podem ser afixados aos braços por grampos 52 para se permitir um percurso mais seguro e com menos interferência de saída para o estaleirador automático de tubo de perfuração. [0025] As juntas de braço 62 podem compreender mancais de latão, mancais de plástico, mancais não lubrificados, e/ou buchas e luvas de compressão. As juntas de braço 62 compreendem as juntas compreendem as juntas no suporte de ferramenta 36, a junta de transferência de carga 29 e aquelas conectando os braços à guia de coluna 11 (nem todas as juntas são rotuladas nas Fig.). [0026] O conjunto de braço 10 da presente invenção é auto-equilibrado, o que permite que o braço seja movido para uma certa posição e permaneça estável (estacionário) sem a necessidade de um cilindro de posicionamento 38. O braço também não precisa ser suportado por um cilindro. Os cilindros 38 são usados apenas para extensão ou retração do braço. Isto é uma vantagem, porque se houver uma falha de um cilindro de suporte ou uma falha de potência, o braço pode cair ou ser deixado em uma posição estendida. Isto tem ramificações de segurança e econômicas, porque um braço caindo podería machucar pessoas ou danificar um equipamento, e um braço estendido não retraído em si pode impedir a operação de perfuração ao bloquear o piso de perfuração. [0027] Um outro recurso de uma modalidade preferida da presente invenção é a capacidade de mover o estaleirador automático de tubo de perfuração para todos os pontos de extensão do braço, enquanto é mantido em uma posição vertical constante. Assim, uma vez que o estaleirador automático de tubo de perfuração esteja montado no braço e orientado na posição vertical correta, nenhum ajuste adicional é necessário para encaixe das juntas de tubo de perfuração nas suas posições normais. Devido ao fato de o embolo de atuação estar sempre na vertical, diferentemente de com os dispositivos da técnica anterior de pendurar e oscilar, não há tempo perdido enquanto se espera que o estaleirador automático de tubo de perfuração pare de oscilar antes de se encaixar no tubo. [0028] Um recurso adicional do braço é a capacidade de movimento do estaleirador automático de tubo de perfuração paralelamente ao piso de perfuração. Diferentemente de alguns sistemas de pendurar ou oscilar na técnica anterior, o braço na presente invenção provê uma segurança adicional ao manter o êmbolo de atuação na mesma distância fora do piso de perfuração em todos os pontos, de modo que o tubo possa ser constituído substancialmente à mesma altura. [0029] Em uma modalidade da presente invenção, como mostrado nas Fig. 3A e 3B, o meio de afixação para os braços de suporte superior e inferior 24, 22 é uma engrenagem sincronizada 28. Tipicamente, os braços das outras modalidades da presente invenção descritas abaixo têm uma faixa de movimento entre cerca de 0 o e cerca de 60°, com 0o sendo a posição retraída vertical mostrada na Fig. 3A. O braço de engrenagem sincronizado não está limitado a 60° - ele é limitado apenas pelo número de "dentes" nas engrenagens, como mostrado nas Fig. 3A e 3B. [0030] Uma segunda modalidade que utiliza uma conexão de rolo 30 é mostrada nas Fig. 4A e 4B. Um rolo pode ser usado, porque nunca há uma força para cima, apenas uma força para baixo. Preferencialmente, o rolo é feito de aço. O rolo rola em torno de uma superfície estendida no braço de suporte superior 24, durante um movimento do braço. [0031] Uma terceira modalidade utiliza uma afixação de pino 32 e fenda 33, como mostrado nas Fig. 5A e 5B. A fenda 33 pode ser uma fenda aberta, como descrito nas Fig. 5A-B, mas o uso de um batente mecânico 58 (como mostrado nas Fig. 1 e 2) é necessário, para se evitar que os braços se separem. É possível utilizar, também, uma endereçabilidade fechada (não mostrada) que não requerería um batente mecânico. O pino 32 desliza na fenda 33 durante um movimento do braço. Uma quarta modalidade utiliza uma ligação sincronizada 34, como mostrado nas Fig. 6A e 6B. [0032] Em todas as modalidades descritas acima, o braço de paralelogramo inteiro pode ser invertido, isto é, girado em torno de seu eixo longitudinal 180 graus, de modo que a junta de transferência de carga 29 esteja localizada essencialmente no fundo do braço de paralelogramo. [0033] Tipicamente, a altura de trabalho desejada acima do piso de plataforma é de 76,2 cm. A maior parte do tempo, a altura de trabalho para o estaleirador automático de tubo de perfuração é de cerca de 76,2 cm a 1,52 m. Os braços da presente invenção, tipicamente, têm uma distância de alcance horizontal de cerca de 1,40 m a cerca de 2,44 m. Se um alcance mais longo for desejado, braços de suporte mais longos e ligações podem ser usados. [0034] Os braços e as ligações são conectados pelo uso de buchas e pinos 62. As juntas de braço 62 podem compreender mancais de latão, mancais de plástico, mancais não lubrifiçados, luvas de compressão e/ou buchas -tipicamente as buchas são de bronze ou de plástico e os pinos são de aço inoxidável. As juntas de braço 62 compreendem as juntas no suporte de ferramenta 36, a junta de transferência de carga 29 e aquelas conectando os braços à guia de coluna 11 (nem todas as juntas estão rotuladas nas Fig.). [0035] Se a resistência ao atrito for baixa o bastante, o braço pode ser estendido ou retraído usando-se meios não hidráulicos convencionais, tal como ter um operador de sonda manualmente puxando ou empurrando o braço para a posição. Contudo, a modalidade preferida usa um ou mais cilindros hidráulicos 38 para se vencer a resistência ao atrito para se mover o braço entre várias posições em torno do piso de sonda. [0036] O braço da presente invenção pode ser utilizado para o posicionamento de outros tipos de equipamento em uma sonda, tal como um cesto de lama, uma chave flutuante de revestimento, um engraxador de rosca e um braço de alinhamento. Dispositivos como esses são bem conhecidos na indústria de perfuração. O equipamento pode ser montado diretamente no braço de posicionamento da presente invenção, ou no estaleirador automático de tubo de perfuração já afixado ao braço de posicionamento. O cesto de lama é usado quando se puxam colunas úmidas para a provisão de um piso de perfuração mais limpo pela captura da lama e pelo retorno dela para o sistema de lama. Os cestos de lama também permitem a reutilização de uma lama dispendiosa. Um engraxador de rosca limpa e caixa e adiciona graxa às roscas de tubo de perfuração. Ele pode ser operado remotamente e permite uma aplicação consistente de graxa de rosca. Ele também reduz o consumo de graxa. Um braço de alinhamento também pode ser afixado ao braço -aquele dispositivo controla o posicionamento do tubo para alinhamento . [0037] Em uma modalidade adicional, o ajuste de altura para o estaleirador automático de tubo de perfuração está localizado na extremidade do braço, ao invés de na base do braço. Em uma outra modalidade, a coluna 12 pode ser afixada à torre, para a eliminação de qualquer movimento aplicado à base do conjunto de braço no piso de perfuração. [0038] Embora os aparelhos e métodos desta invenção tenham sido descritos em termos de modalidades preferidas ou ilustrativas, será evidente para aqueles versados na técnica que variações podem ser aplicadas ao processo descrito aqui, sem se desviar do conceito e do escopo da invenção. Todos esses substitutos similares e modificações evidentes para aqueles versados na técnica são julgados como estando no escopo e no conceito da invenção, como é estabelecido nas reivindicações a seguir.

Claims

1. Aparelho para movimento de um equipamento de perfuração, compreendendo: uma coluna (12) afixada a um piso de perfuração; uma guia de coluna (11) afixada à coluna; pelo menos um braço de paralelogramo (10) afixado à guia de coluna (11) em um primeiro ponto de conexão; o aparelho, caracterizado pelo fato de o pelo menos um braço de paralelogramo (10) compreender uma ligação de tração (20) , um braço de suporte inferior (22) , um braço de suporte superior (24), uma ligação de compressão (26), e uma junta de transferência de carga (29) , em que o braço de suporte superior (24) e o braço de suporte inferior (22) estão conectados por uma engrenagem sincronizada (28), uma conexão de rolo (30) , uma conexão de pino (32) e fenda (33), ou uma ligação sincronizada (34); e um aparelho de perfuração afixado ao braço de paralelogramo (10) em um segundo ponto de conexão.

2. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender ainda meios afixados à guia de coluna (11) e ao braço de paralelogramo (10) para extensão e/ou retração do braço de paralelogramo (10).

3. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender ainda um cilindro (13) afixado à guia de coluna (11) e um braço de paralelogramo (10) para extensão e/ou retração do braço de paralelogramo.

4. Aparelho, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato do cilindro (13) ser um cilindro hidráulico (38), ou um cilindro pneumático.

5. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato da coluna ser alinhada em um receptáculo localizado no piso de perfuração.

6. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato do primeiro ponto de conexão e/ou o segundo ponto de conexão compreender uma bucha e um parafuso, ou um sistema de mancai de esfera (14).

7. Método de manipulação de um aparelho de perfuração, compreendendo: a afixação de uma coluna (12) a um piso de perfuração; a afixação de uma guia de coluna (11) à coluna (12); a afixação de pelo menos um braço de paralelogramo (10) à guia de coluna (11) em um primeiro ponto de conexão; o método, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um braço de paralelogramo (10) compreender uma ligação de tração (20), um braço de suporte inferior (22), um braço de suporte superior (24), uma ligação de compressão (26), e uma junta de transferência de carga (29) , em que o braço de suporte superior (24) e o braço de suporte inferior (22) estão conectados por uma engrenagem sincronizada (28), uma conexão de rolo (30), uma conexão de pino (32) e fenda (33), ou uma ligação sincronizada (34); e a afixação de um aparelho de perfuração ao braço de paralelogramo (10) em um segundo ponto de conexão; e a extensão e/ou a retração do braço de paralelogramo (10) para a manipulação do aparelho de perfuração.

8. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por compreender ainda a afixação de um cilindro (13) à guia de coluna e ao braço de paralelogramo (10) .

9. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato do cilindro (13) ser um cilindro hidráulico (38), ou um cilindro pneumático.

10. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato da coluna (12) ser alinhada em um receptáculo localizado no piso de perfuração.

11. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato do primeiro ponto de conexão compreender uma bucha e um pino, ou um sistema de mancai de esferas (14).