DE212015000317U1

DE212015000317U1 - Schwingungserzeuger für eine Bohranlage, Unterwasserbohranlage und Unterwasserbohrsystem

Info

Publication number: DE212015000317U1
Application number: DE212015000317.5U
Authority: DE
Original assignee: Ihc Marine And Mineral Projects Pty Ltd
Current assignee: Ihc Marine And Mineral Projects Pty Ltd
Priority date: 2015-08-31
Filing date: 2015-08-31
Publication date: 2018-04-30
Anticipated expiration: 2025-09-01
Also published as: WO2017041118A2; CA2996894A1; US20180283104A1; US11530575B2; WO2017041118A3

Abstract

Schwingungserzeuger (9) für eine Bohranlage, wobei der Erzeuger ein Gehäuse (16), mindestens einen Drehkörper (17), eine Aufhängung (24), mit der der Drehkörper drehbar in dem Gehäuse aufgehängt ist und wobei der Schwerpunkt des Drehkörpers (17) exzentrisch in Bezug auf die Drehachse der Aufhängung liegt, und einen Antrieb (18) aufweist, um den Drehkörper in Drehung zu versetzen, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (16) ein Fluid (15) enthält, das mit dem Drehkörper (17) in Kontakt ist, so dass eine Relativdrehung zwischen dem Drehkörper und dem Fluid einen Strömungswiderstand erzeugt, und dass der Drehkörper eine Strömungswiderstandsreduziereinrichtung (25) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schwingungserzeuger für eine Bohranlage, wobei der Erzeuger ein Gehäuse, mindestens einen Drehkörper, eine Aufhängung, mit der der Drehkörper drehbar in dem Gehäuse aufgehängt ist, und wobei der Schwerpunkt des Drehkörpers exzentrisch in Bezug auf die Drehachse der Aufhänge ist, und einen Antrieb aufweist, um den Drehkörper in Drehung zu versetzen.
Eine derartige Bohranlage wird verwendet, um eine Bohrgarnitur aus Bohrgestängen, die in einem Lager aufbewahrt werden, zusammenzufügen. Das unterste Bohrgestänge wird mit einem Bohrkopf versehen, so dass bei Drehung der Bohrgarnitur nach und nach ein Bohrloch erzeugt wird. Abhängig von der Natur des Bodenmaterials bewegt sich das Bohrgestänge mit einer gewissen Geschwindigkeit voran. Es wird ein Schwingungserzeuger eingesetzt mit dem Ziel, die Eindringgeschwindigkeit der Bohrgarnitur zu erhöhen. Während der Drehung wird der Schwingungserzeuger der Bohrgarnitur in Bewegung versetzt, wodurch die Effizienz des Bohrkopfes erhöht wird und das Bohrgestänge mit höherer Geschwindigkeit eindringt.
Es wurden diverse Vorschläge für einen derartigen Schwingungserzeuger unterbreitet, wie beispielsweise in US-A-4527637 . Dieser bekannte Schwingungserzeuger hat eine exzentrische Masse, die in dem Gehäuse des Erzeugers in Drehung versetzt wird. Solange der Bohrkopf unter normalen Bedingungen an Land betrieben wird, zeigt der Schwingungserzeuger ein zufriedenstellendes Verhalten. Jedoch im Falle bei Bohrungen am Meeresgrund, muss das Gehäuse im Hinblick auf den Außendruck des Wassers kompensiert werden. Aus diesem Grunde muss das Gehäuse des Erzeugers vollständig mit einem Fluid, etwa Öl, gefüllt werden.
Bei dem Vorgang, bei dem ein vollständig eingetauchter Drehkörper durch das Öl zu bewegen ist, wird eine große Energiemenge verbraucht. Das heißt, die exzentrische Form des Drehkörpers ruft einen hohen Widerstand in Bezug auf die Ölfüllung des Gehäuses hervor. Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Schwingungserzeuger bereitzustellen, der insbesondere für Anwendungen am Meeresboden geeignet ist. Diese Aufgabe wird gelöst, indem das Gehäuse ein Fluid enthält, das mit dem Drehkörper in Kontakt ist, wodurch die relative Drehung zwischen dem Drehkörper und dem Fluid einen Strömungswiderstand erzeugt, und indem der Drehkörper eine Strömungswiderstandsreduziereinrichtung aufweist.
Beim Drehen des Drehkörpers unterliegt dieser dennoch dem Einfluss der Ölfüllung in dem Gehäuse; jedoch ermöglicht die Strömungswiderstandsreduziereinrichtung eine widerstandsarme Bewegung durch das Öl, während das Auftreten eines Druckanstiegs in dem Öl und/oder eines Reibungswiderstands in Bezug auf die Ölfüllung vermieden wird. In der Hydrodynamik ist die Gestaltung derartiger Formen, die den Strömungswiderstand begrenzen, gut bekannt. Insbesondere umfasst der Strömungskörper mindestens eine Kante, die einer Vorwärtsdrehrichtung zugewandt ist, wobei die mindestens eine Kante mit der Strömungswiderstandsreduziereinrichtung versehen ist. Zusätzlich oder alternativ kann die gegenüberliegende Kante des Drehkörpers, die von der Vorwärtsdrehrichtung wegzeigt ist, mit einer Strömungswiderstandsreduziereinrichtung versehen sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Drehkörper einen Umfang aufweisen, dessen Kontur vollständig zwischen zwei Kreisen liegt, die in Bezug auf die Drehachse konzentrisch sind, wobei die Differenz zwischen den Radien der Kreise um mindestens eine Größenordnung kleiner ist als einer der Radien. Eine derartige Ausführungsform ähnelt in hohem Maße einem kreisförmigen Umfang, obwohl dies nicht ein perfekter Kreis sein muss. Dennoch kann eine wesentliche Reduzierung des Strömungswiderstands mittels einer derartigen in gewisser Weise nicht-kreisförmigen Kontur erhalten werden, die beispielsweise eine Wellenform haben kann, die zwischen den beiden konzentrischen Kreisen, die aufgrund ihrer ähnlichen Größenordnung nahe aneinander positioniert sind, einbeschrieben werden kann.
Gute Ergebnisse werden für den Fall erhalten, dass alle radialen Abschnitte des Drehkörpers eine im Wesentlichen gleiche Form haben. Insbesondere der Umfang des Drehkörpers kann vollständig kreisförmig sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Drehkörper mindestens zwei Materialien mit unterschiedlichen spezifischen Massen aufweisen. Trotz der Symmetrie des geometrischen Umfangs des Drehkörpers können dennoch Schwingungen beim Drehen des Drehkörpers erzeugt werden. Ferner kann der Drehkörper einen Teil aufweisen mit einer asymmetrisch angeordneten Kammer, und er kann einen zweiten Teil aufweisen, der in der Kammer angeordnet ist, wobei die spezifische Masse des zweiten Teils höher ist als die spezifische Masse des ersten Teils. Der zweite Drehkörperteil ist vorzugsweise mit Formschluss in der Kammer des ersten Drehkörperteils angeordnet. Insbesondere wenn ein scheibenförmiger Drehkörper verwendet wird, sind die gegenüberliegenden Oberflächen, die in einer axialen Richtung voneinander wegweisen, vollständig glatt oder flach, wodurch der Strömungswiderstand weiter reduziert wird.
Die Erfindung betrifft ferner einen Unterwasserbohranlage mit einer Plattform, die mit einer Trägereinrichtung zur Anordnung auf dem Boden eines Wasservolumens versehen ist, und mit einer Bohreinrichtung zur Ausführung von Bohrvorgängen in dem Boden, wobei die Bohreinrichtung mit einem Schwingungserzeuger, wie er zuvor beschrieben ist, versehen ist.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Unterwasserbohrsystem mit einem Schwimmlastkahn, einer Hebeeinrichtung, die von dem Lastkahn getragen wird, und einer derartigen Unterwasserbohranlage, die von der Hebeeinrichtung gehalten wird, um damit die Unterwasserbohranlage auf den Boden eines Wasservolumens abzusenken, oder um die Unterwasserbohranlage von dem Boden anzuheben.
Die Drehachse der Aufhängung ist quer, vorzugsweise senkrecht, in Bezug auf die Drehachse der Bohreinrichtung orientiert. Dadurch wird eine sinusförmige Kraft in der Längsrichtung der Bohrgarnitur erzeugt, wodurch bewirkt wird, dass die Bohrgarnitur zum verstärkten Eindringen bei relativ geringer Eingangsleistung in Resonanz schwingt.
Die Erfindung wird nunmehr in Bezug auf die Ausführungsform, die in den Zeichnungen gezeigt ist, weiter beschrieben.

1 zeigt ein Unterwasserbohrsystem.
2 zeigt eine Unterwasserbohranlage.
3 zeigt einen Längsschnitt durch den Schwingungserzeuger.
4 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Drehkörper.

Das in 1 gezeigt Unterwasserbohrsystem besteht aus der Unterwasserbohranlage 1 und dem Lastschiff oder dem Lastkahn 2, an welchem die Unterwasserbohranlage mittels der Hebeanlage 3 aufgehängt ist. Der Lastkahn schwimmt auf Wasser bzw. in dem Wasservolumen 27, und in der dargestellten Situation wird die Unterwasserbohranlage von dem Boden 28 des Volumens getragen. In dieser Position ist die Unterwasserbohranlage 1 geeignet, Bohrungen in dem Boden auszuführen.
Dazu weist die Unterwasserbohranlage (siehe 2) einen Grundrahmen 4, der den eigentlichen Bohrturm 5 trägt, ein Karussell-Lager 6, das eine Reihe von Bohrgestängen 6 trägt, und einen Roboter 29 auf. In der der in 1 und 2 dargestellten Situation ist die Unterwasserbohranlage 1 nicht in Betrieb. Während des Betriebs werden mittels eines Roboters 29 die Bohrgestänge 7 nacheinander aus dem Karussell-Lager 6 aufgenommen und so miteinander verbunden, dass sie die Bohrgarnitur 10 bilden. Dies wird in einer automatisierten Weise, die bekannt ist, ausgeführt. Am unteren Ende der Bohrgarnitur wird ein Bohrkopf angebracht.
Durch Drehen der Bohrgarnitur mittels der Bohrgarnitur-Antriebseinrichtung 8 des Bohrturms 5 wird im Boden in bekannter Weise ein Bohrloch gebildet. Wie ferner bekannt ist, kann dieser Vorgang weiter verbessert werden, indem eine Schwingung in der Bohrgarnitur erzeugt wird. Derartige Schwindungen können aus dem Schwingungserzeuger 9 erhalten werden, der an der Antriebseinrichtung 8 montiert ist. Eine Ansicht des Innenaufbaus der Bohrgarnitur-Antriebseinrichtung 8 und des Schwingungserzeugers 9 ist in 3 gezeigt.
Wie in 3 gezeigt, besteht die Antriebseinrichtung aus dem Elektromotor oder Hydraulikmotor 11, der über einen Getriebesatz 12 antreibend mit dem Klemmkopf 13 verbunden ist. In dem Klemmkopf 13 wird die Bohrgarnitur 10 gehalten und mittels des Schublagers 30 drehend gelagert. Die Antriebseinrichtung weist ein Abteil 14 auf, in welchem diese Komponenten aufgenommen sind. Der Schwingungserzeuger 9 ist starr an dem Abteil 14 montiert.
Der Schwingungserzeuger 9 besteht aus einem Gehäuse 16, das an dem Abteil 14 montiert ist und das zwei scheibenförmige Drehkörper 17 und eine Drehkörperantriebseinrichtung 18 enthält. Diese Drehkörperantriebseinrichtung 18 besteht aus einem Getriebesatz 19 und einem Elektromotor oder Hydraulikmotor 20. Der Getriebesatz 19 der Drehkörperantriebseinrichtung 18 weist ein Zahnrad 21 auf, das jeweils an den Drehkörpern 17 montiert ist, und ein Zwischenzahnrad 22, das mit jedem der Zahnräder 21 im Eingriff und mit dem Motor 20 verbunden ist. Durch Aktivieren des Motors 20 werden die Drehkörper 17 in entgegengesetzten Richtungen und mit gleicher Geschwindigkeit in Drehung versetzt. In der Ansicht der 4 sind die Drehkörper 17 getrennt und in gleicher Ansicht wie in 3 gezeigt.
Wenn die Bohranlage unter Wasser betrieben wird, muss Sorgfalt darauf verwendet werden, ein Eindringen des umgebenden Wassers in das Gehäuse 16 des Schwingungserzeugers zu vermeiden. Dazu wird der Innenraum 15 des Gehäuses 16 vollständig mit einem Fluid, etwa Öl, gefüllt. Somit werden die Drehkörper 17 sowie die Antriebseinrichtung 18 vollständig in einem Ölbad betrieben. Es ist ersichtlich, dass die Ölfüllung einen Strömungswiderstand auf die Drehelemente ausübt und insbesondere auf die Drehkörper, die aufgrund ihrer Funktion für gewöhnlich eine exzentrische Form haben.
Um diesen Strömungswiderstand so weit wie möglich zu begrenzen, sind die Drehkörper vorzugsweise gemäß der in 4 gezeigten Ausführungsform ausgeführt. Jeder Drehkörper 17 ist auf einer Welle bzw. Achse 24 montiert, die auch das Zahnrad 21 trägt. Die Drehkörper 17 bestehen jeweils aus einem ersten Drehkörperteil 25 mit einem vollständig kreisförmigen Umfang sowie einer Kammer 27, die ungefähr nierenförmig ist. In der nierenförmigen Kammer 27 ist ein entsprechend geformter zweiter Drehkörperteil 26 eingepasst. Wie in 3 gezeigt, ist der zweite Drehkörperteil 26 in der entsprechenden Kammer 27 des ersten Drehkörperteils 25 mit Formschluss eingepasst.
Durch Auswählen unterschiedlicher spezifischer Massen für den ersten und den zweiten Drehkörperteil 25, 26 wird ein Ungleichgewicht erhalten. Bei Drehung der Drehkörper werden somit Schwingungen in der Längsrichtung der Bohrgarnitur 10 hervorgerufen. Andererseits wird als Folge des vollständig kreisförmigen Umfangs der Drehkörper und des Formschlusses des zweiten Drehkörperteils 26 in dem ersten Drehkörperteil 25 nur ein geringer Strömungswiderstand auf die Drehkörper ausgeübt, wenn sie sich in Bezug auf die Ölfüllung innerhalb des Gehäuses 16 drehen.
Bezugszeichenliste

1.: Unterwasserbohranlage
2.: Lastkahn
3.: Hebeeinrichtung
4.: Grundrahmen
5.: Bohrturm
6.: Karussell-Lager bzw. Vorratslager
7.: Bohrgestänge
8.: Bohrgarnitur-Antriebseinrichtung
9.: Schwingungserzeuger
10.: Bohrgarnitur
11.: Motorantriebseinrichtung
12.: Getriebesatz
13.: Klemmklopf
14.: Abteilantriebseinrichtung
15.: Innenraum
16.: Schwingungserzeugergehäuse
17.: Drehkörper
18.: Antriebseinrichtung des Schwingungserzeugers
19.: Getriebesatz des Schwingungserzeugers
20.: Motor des Schwingungserzeugers
21.: Zahnrad
22.: Zahnrad
23.: Fluidfüllung
24.: Drehkörperwelle
25.: Erster Drehkörperteil
26.: Zweiter Drehkörperteil
27.: Wasservolumen
28.: Boden
29.: Roboter
30.: Schublager

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 4527637 A [0003]

Claims

Schwingungserzeuger (9) für eine Bohranlage, wobei der Erzeuger ein Gehäuse (16), mindestens einen Drehkörper (17), eine Aufhängung (24), mit der der Drehkörper drehbar in dem Gehäuse aufgehängt ist und wobei der Schwerpunkt des Drehkörpers (17) exzentrisch in Bezug auf die Drehachse der Aufhängung liegt, und einen Antrieb (18) aufweist, um den Drehkörper in Drehung zu versetzen, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (16) ein Fluid (15) enthält, das mit dem Drehkörper (17) in Kontakt ist, so dass eine Relativdrehung zwischen dem Drehkörper und dem Fluid einen Strömungswiderstand erzeugt, und dass der Drehkörper eine Strömungswiderstandsreduziereinrichtung (25) aufweist.
Erzeuger (9) nach Anspruch 1, wobei der Drehkörper (17) mindestens eine Kante aufweist, die in Bezug auf die Drehrichtung quer orientiert ist, wobei die mindestens eine Kante mit der Strömungswiderstandsreduziereinrichtung (25) versehen ist.
Erzeuger (9) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Drehkörper (17) einen Umfang hat, dessen Kontur vollständig zwischen zwei Kreisen liegt, in Bezug auf die Drehachse konzentrisch ist, und die Differenz zwischen den Radien der Kreise mindestens eine Größenordnung kleiner als einer der Radien ist.
Erzeuger (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei alle radialen Abschnitte des Drehkörpers (17) eine im Wesentlichen gleiche Form haben.
Erzeuger (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Umfang des Drehkörpers (17) vollständig kreisförmig ist.
Erzeuger (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Drehkörper (17) mindestens zwei Materialien mit unterschiedlichen spezifischen Massen aufweist.
Erzeuger (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Drehkörper (17) einen Drehkörperteil (25) mit einer asymmetrisch angeordneten Kammer (27) und einen zweiten Drehkörperteil (26), der in der Kammer (27) aufgenommen ist, aufweist, und wobei die spezifische Masse des zweiten Drehkörperteils unterschiedlich ist zu der spezifischen Masse des ersten Drehkörperteils.
Erzeuger (9) nach Anspruch 7, wobei der zweite Drehkörperteil (26) mit Formschluss in die Kammer (27) des ersten Drehkörperteils (25) eingepasst ist.
Erzeuger (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Drehkörper (17) scheibenförmig ist.
Erzeuger (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Drehkörper (17) in dem Fluid (15) untergetaucht ist.
Erzeuger (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (16) vollständig mit dem Fluid (15) gefüllt ist.
Erzeuger (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit zwei identischen Drehkörpern (17) sowie einem Antrieb (18), der die Drehkörper in entgegengesetzten Richtungen synchron in Drehung versetzt.
Unterwasserbohranlage ((1) mit einer Plattvorm (4), die mit einer Trägereinrichtung zur Anordnung auf dem Boden (28) eines Wasservolumens (27) versehen ist, und mit einer Bohreinrichtung (5) zum Ausführen von Bohrungen in dem Boden, wobei die Bohreinrichtung mit einem Schwingungserzeuger (9) nach einem der vorhergehenden Ansprüche versehen ist.
Unterwasserbohranlage (1) nach Anspruch 13, mit einem Lager (6) für Bohrgestänge (7) und einen Roboter (29) zum Überführen der Bohrgestänge (7) von dem Lager (6) zu der Bohreinrichtung (5) und zum Zusammenfügen der Bohrgestänge (7) zu einer Bohrgarnitur (10) und umgekehrt.
Unterwasserbohrsystem mit einem Schwimmlastkahn (2), einer Hebeeinrichtung (3), die von der Lastkahn getragen wird, und einer Unterwasserbohranlage (1) nach Anspruch 13 oder 14, die von der Hebeeinrichtung (3) zum Absenken der Unterwasserbohranlage auf den Boden (28) eines Wasservolumens (27) und zum Abheben der Unterwasserbohranlage von dem Boden gehalten wird.
Unterwasserbohrsystem nach einem der Ansprüche 13-15, wobei die Drehachse der Aufhängung (24) quer, vorzugsweise senkrecht, in Bezug auf die Drehachse der Bohreinrichtung (10) orientiert ist.