DE4412776C1

DE4412776C1 - Supporting unit to grip and feed the drill string of a boring tool

Info

Publication number: DE4412776C1
Application number: DE4412776A
Authority: DE
Inventors: Peter Heinrichs
Original assignee: Wirth Maschinen und Bohrgeraete Fabrik GmbH
Current assignee: Mhwirth GmbH
Priority date: 1994-04-18
Filing date: 1994-04-18
Publication date: 1995-08-17
Anticipated expiration: 2014-04-19

Abstract

The use of a supporting unit (10) to grasp the drill string(9) of a boring tool. The unit is mounted in a boring mast, and can be advanced in the axial direction (S) by an hydraulically driven feed from an external feed (100). The hydraulically operated chuck has two or more gripping members (21) pressing opposite each other at right angles to the axis (S). A holder (18) in the unit (10) fixes the string in both axial (S) directions.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung einer Vorrichtung zum Anklemmen des Bohrgestänges eines Bohr werkzeugs an eine Antriebseinrichtung für das Bohrwerkzeug gemäß der dem Anspruch 1 entsprechenden Art bei der Her stellung oder Überarbeitung von Bohrungen, die der Er schließung von Eröllagerstätten dienen.The invention relates to the use of a Device for clamping the drill pipe of a drill tool to a drive device for the drilling tool according to the type corresponding to claim 1 in the Her provision or revision of holes that the Er serve to close off mineral deposits.

Der Herstellung derartiger Bohrungen dienen traditio nell Bohrvorrichtungen, bei denen der Bohrstrang, welcher im allgemeinen aus einem dessen vorderes Ende bildenden Bohrwerkzeug besteht, an welches sich nach oben eine das Bohrwerkzeug vortreibende Schwerstange anschließt, von der aus sich wiederum nach oben ein verschraubbares Bohrge stänge erstreckt. Außerhalb der Bohrung setzt sich der Bohrstrang in einer Mitnehmerstange, der sogenannten Kel lystange fort, deren oberes Ende in einem Bohrhaken dreh bar gelagert ist. Der Bohrhaken ist üblicherweise an einem Flaschenzugblock befestigt, der mittels eines über die Krone des Bohrmastes mehrfach umgelenkten Seils getragen wird. Der Vortrieb des Bohrwerkzeugs in der Bohrung er folgt durch Nachlassen des Seiles.The production of such bores serves traditionally nell drilling devices where the drill string, which generally from one forming its front end Drilling tool exists, which is the one up Drilling tool advancing drill collar, from which in turn up a screwable Bohrge rod stretches. Outside of the hole, the Drill string in a driving rod, the so-called Kel lystange continues, the upper end of which rotates in a hook is stored in bar. The hook is usually on one Pulley block attached, which by means of a Crown of the drilling mast worn multiple-deflected rope becomes. The advance of the drilling tool in the hole follows by loosening the rope.

Dem Antrieb eines derartigen Bohrstranges dient ein in Bodennähe angeordneter Drehtisch. Der Drehtisch umfaßt eine Mitnehmeröffnung, die einen mehreckigen - meist qua dratischen - Querschnitt aufweist. Durch die Mitnehmeröff nung erstreckt sich die einen entsprechenden Querschnitt aufweisende Kellystange, wobei die Abmessungen ihres Quer schnitts gerade so gewählt sind, daß sie in der Mitnehmer öffnung axial verschiebbar ist. Beim Tiefergehen des Bohr stranges kann die Kellystange daher in der Mitnehmeröff nung hinabgleiten.The drive of such a drill string is used rotary table arranged near the floor. The turntable includes a driver opening that a polygonal - usually qua dratic - cross-section. Through the driver opening voltage extends a corresponding cross-section featuring Kelly bar, the dimensions of its cross Cut are chosen so that they are in the driver opening is axially displaceable. As the drill goes deeper The Kelly rod can therefore be stranged in the driver opening slide down.

Wie aus der obigen Darstellung unmittelbar ersicht lich ist, entspricht die maximale Länge, die eine Bohrung kontinuierlich vorangetrieben werden kann, der Länge der Kellystange. Ist deren oberes Ende im Bereich des Dreh tisches angelangt, so muß die Bohrung unterbrochen werden, um einen neuen Bohrgestängeteil, dessen Länge etwa der Länge der Kellystange entspricht, nachzusetzen. Der Halte rung des Bohrgestänges während des Nachsetzens dient eine unterhalb des Drehtisches angeordnete Spannvorrichtung - die sogenannte Abfangvorrichtung - welche üblicherweise eine manuell betätigbare Spannzange umfaßt, die zur Auf nahme der Gewichtskraft des Erdbohrstranges geeignet ist. Dabei ist die Spannzange derart konzipiert, daß Kräfte, die entgegen der Gewichtskraft nach oben wirken, zu einem Lösen der Spannzange führen, da bei einer derartigen tra ditionellen Bohrvorrichtung eine nach oben gerichtet Bewe gung des Bohrstranges lediglich zum Lockern des Seiles führen würde, wodurch dieses leicht aus seinen Führungen springen könnte. Es ist mit anderen Worten bei einer der artigen traditionellen Bohranlage nicht möglich, beim Tiefgehen des Bohrstranges auf diesen einen aktiven Vor schub durch zusätzlichen, in Bohrungsrichtung gerichteten Druck auszuüben. Auch ist es bei einer derartigen, konven tionellen Bohranlage mit einem Drehtisch als Antrieb für das Bohrgestänge nachteilig, daß die maximale Länge der Kellystange wegen des von ihr auf das Bohrgestänge zu übertragenden Drehmoments begrenzt ist und die Bohrturmhö he nicht vollständig für einen kontinuierlich gefahrenen Bohrvorschub - einem sogenannten Schuß - genutzt werden kann.As can be seen directly from the above illustration is the maximum length that a hole corresponds to can be continuously advanced, the length of the Kelly bar. Is their top end in the area of the shoot When the table arrives, the drilling must be interrupted, around a new drill pipe part, the length of which is about Corresponds to the length of the Kelly bar. The stop the drill pipe during repositioning is used clamping device located below the turntable - the so-called interception device - which usually comprises a manually operable collet for opening Taking the weight of the earth drill string is suitable. The collet is designed so that forces, that work upwards against the weight, to one Loosen the collet, because with such a tra traditional drilling device an upward movement supply of the drill string only for loosening the rope would cause this easily from its guides could jump. In other words, it is one of the like traditional drilling rig not possible Deepening the drill string on this one active fore thrust by additional, directed in the direction of the bore To exert pressure. It is also one of those, convents tional drilling rig with a rotary table as a drive for the drill string disadvantageous that the maximum length of the Kelly rod because of her towards the drill pipe transmitting torque is limited and the Bohrturmhö hey not completely for a continuously driven Drilling feed - a so-called shot - can be used can.

Seit etwa zehn Jahren sind daher Bohranlagen in Be trieb, bei denen der Antrieb direkt mit dem oberen Ende des Bohrgestänges verbunden ist und im Bohrmast in Rich tung der Achse des Bohrgestänges verlagert werden kann. Bei diesem sogenannten Kraftdrehkopfbetrieb wird das Dreh moment von in dem Bohrmast integrierten Schienen aufgenom men, mit welchen der feststehende Teil des Antriebs zu sammenwirkt.For this reason, drilling rigs have been in Be for about ten years in which the drive is directly with the upper end of the drill pipe is connected and in the drilling mast in Rich tion of the axis of the drill pipe can be shifted. In this so-called power turret operation, the rotation moment of rails integrated in the drilling mast with which the fixed part of the drive increases interacts.

Durch diese Anordnung des Antriebs, durch die - wie bereits erläutert - keine Kellystange mehr benötigt wird, kann die gesamte Bohrmasthöhe für einen Schuß ausgenutzt werden, bevor ein weiterer Bohrgestängeteil nachgesetzt werden muß.By this arrangement of the drive, by the - how already explained - no Kelly bar is needed anymore, can use the entire mast height for one shot be added before another drill pipe part must become.

Üblicherweise wird ein derartiger Antrieb bei Bohr anlagen eingesetzt, bei denen der Bohrstrang nicht wie bei der beschriebenen traditionellen Bohranlage von einem Seil getragen wird, sondern der Kraftdrehkopf direkt mit einem hydraulischen Andruckzylinder verbunden ist, über den zum Niederbringen des Bohrstranges zusätzlich Druck auf das Bohrgestänge ausgeübt werden kann. Dabei ist der maximal ausübbare Druck selbstverständlich durch das Eigengewicht der Bohranlage begrenzt, sofern diese nicht fest im Boden verankert ist.Such a drive is usually used at Bohr systems used in which the drill string is not as in the traditional drilling rig described by a rope is carried, but the power turret directly with one hydraulic pressure cylinder is connected via the to Bringing down the drill string puts additional pressure on the Drill pipe can be exercised. The maximum is exercisable pressure, of course, by its own weight the drilling rig is limited unless it is firmly in the ground is anchored.

Da durch Verwendung des hydraulischen Vorschubsystems nur Betriebszustände auftreten, bei denen der Bohrstrang keine Zugbelastung auf seine obere Halterung ausübt, son der der Bohrstrang gegen die Halterung drückt, muß dafür Sorge getragen werden, daß die Druckbelastung nicht zu einem Lösen des Bohrstranges führt. Da die bekannten Ab fangvorrichtungen Kräfte nur in einer Richtung des Bohr gestänges aufnehmen können, finden bei Bohranlagen mit hydraulischem Vorschubsystem zwei Abfangvorrichtungen bekannter Bauart Verwendung, die jedoch derart angeordnet sind, daß sie in entgegengesetzter Richtung wirksam sind.Because by using the hydraulic feed system only operating conditions occur in which the drill string exerts no tensile load on its upper bracket, son who presses the drill string against the bracket must do so Care should be taken that the pressure load does not increase loosening the drill string. Since the well-known Ab Catchers forces only in one direction of the drill can take up rods, find with drilling rigs hydraulic feed system two interception devices known type of use, but arranged in such a way are that they work in the opposite direction.

Bei einem derartigen Antrieb befindet sich üblicher weise zusätzlich eine untere Abfangvorrichtung feststehend in Bodennähe und entspricht in ihrer Wirkungsweise derje nigen, die bei der konventionellen Bohranlage oberhalb des Drehtisches angeordnet sein kann.With such a drive is more common additionally, a lower interception device is fixed close to the ground and corresponds to the way it works nigen, which in the conventional drilling rig above the Rotary table can be arranged.

Nachteilig ist bei einer derartigen Bohranlage mit Kraftdrehkopf und hydraulischem Vorschubsystem, daß sich der konstruktive Aufwand durch den Einbau zweier Abfang vorrichtungen - neben der unteren Abfangvorrichtung - erhöht und daß von dem Bedienpersonal beim Nachsetzen eines Bohrgestängeteils nunmehr zwei Abfangvorrichtungen betätigt werden müssen, wodurch sich die Ausfallzeiten der Bohranlage verlängern, zusätzliche Arbeitskraft benötigt wird und das Bedienpersonal einem erhöhte Verletzungsrisi ko ausgesetzt wird.The disadvantage of such a drilling rig Power turret and hydraulic feed system that the design effort by installing two interceptors devices - next to the lower interception device - increased and that by the operating personnel when repositioning of a drill pipe part now two interception devices must be operated, which increases the downtime of the Extend drilling rig, additional labor required and the operating personnel are at increased risk of injury is exposed.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine vorbeschriebene Bohranlage mit Kraftdrehkopf hinsichtlich dieser Nachteile zu verbessern.The invention is therefore based on the object described drilling rig with power turret regarding to improve these disadvantages.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 wiederge gebene Erfindung, bei der eine Abfangvorrichtung mit einem externen Antrieb zum Öffnen und Schließen, die Kräfte in beiden Längsrichtungen des Bohrgestänges aufnehmen kann, zum Anklemmen des Bohrgestänges eines Bohrwerkzeugs an eine als Kraftdrehkopfausgebildete Antriebseinrichtung für das Bohrwerkzeug nachgeschaltet ist, gelöst.This object is achieved by the in claim 1 Given invention, in which an interception device with a external drive to open and close, the forces in can accommodate both longitudinal directions of the drill pipe, for clamping the drill pipe of a drilling tool a drive device designed as a rotary head is connected downstream for the drilling tool.

Dadurch, daß die Anfangsvorrichtung ein hydraulisch betätigbares Spannfutter aufweist, welches mindestens zwei einander gegenüberliegende, etwa senkrecht zur Bohrgestän geachse verlagerbare Spannglieder umfaßt, welche im akti vierten Zustand der Spannvorrichtung das obere Ende des Bohrgestänges zwischen sich einspannen, kann die Abfang vorrichtung über einen externen Hydraulikantrieb geöffnet und geschlossen werden. Wesentlich für die Funktionssi cherheit der Vorrichtung ist es, daß diese einen Halter für die Spannglieder aufweist, der diese in Richtung der Bohrgestängeachse fixiert. Durch diese Maßnahme wird ge währleistet, daß auch in axialer Richtung des Bohrstranges nach oben gerichtete Kräfte, die z. B. - wie bereits erläu tert - durch das hydraulische Vorschubsystem oder durch einen in der Bohrung herrschenden Öldruck hervorgerufen werden können, nicht zu einem Lösen der Spannvorrichtung führen kann.Because the starting device is a hydraulic actuatable chuck which has at least two opposite each other, approximately perpendicular to the drill pipe includes shiftable tendons, which in acti fourth state of the jig the top of the The drill pipe can clamp between them device opened via an external hydraulic drive and be closed. Essential for the functional security The safety of the device is that it has a holder for the tendons, this in the direction of Drill pipe axis fixed. By this measure is ge ensures that also in the axial direction of the drill string upward forces that z. B. - as already explained tert - through the hydraulic feed system or through an oil pressure prevailing in the bore can not be a release of the clamping device can lead.

Die prinzipielle Wirkungsweise derartiger Abfangvor richtungen ist zwar aus dem Wasserbau bereits bekannt. Eine technische Verwandtschaft zu entsprechenden Vorrich tungen, die bei der Herstellung von Ölbohrungen Verwendung finden, besteht nicht, da einerseits Ölbohrungen eine im Bereich einer Größenordnung größere Tiefe erreichen, ande rerseits beim Wasserbau derartige hydraulische Vorschubsy steme keine Verwendung finden und das Problem eines hohen Ölgegendrucks in der Bohrung gar nicht auftritt.The basic mode of action of such interception directions are already known from hydraulic engineering. A technical relationship to the relevant device tions used in the manufacture of oil wells find, does not exist because on the one hand oil holes in the Reach greater depth in an order of magnitude, others on the other hand in hydraulic engineering such hydraulic feed system steme find no use and the problem of a high Oil back pressure does not occur in the bore.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemäßen Abfangvorrichtung dargestellt.In Fig. 1 an embodiment of an inventive interception device is shown.

Wenn im folgenden von "oben" bzw. "unten" die Rede ist, so beziehen sich die Angaben auf die in der Zeichnung dargestellte aufrechte Betriebsstellung der Abfangvorrich tung.If in the following we speak of "above" or "below" is, the information refers to that in the drawing shown upright operating position of the interception device tung.

Die in Fig. 1 als Ganzes mit 100 bezeichnete An triebseinrichtung für einen Bohrstrang umfaßt einen Kraft drehkopf 1, welcher eine aus diesem nach unten herausra gende, rohrförmige Abtriebswelle 2 antreibt. Nach oben kommuniziert die rohrförmige Abtriebswelle 2 mit einem feststehenden Spülrohr 3, an welches über einen Spülrohr krümmer 4 ein in der Zeichnung nicht dargestellter Aus laufschlauch für die Spülflüssigkeit und das Bohrgut an schließbar ist.In Fig. 1 as a whole designated 100 to drive device for a drill string comprises a power rotary head 1 , which drives a downward out of this, tubular output shaft 2 . Upwards, the tubular output shaft 2 communicates with a fixed flushing pipe 3 , to which manifold 4 a flushing pipe, not shown in the drawing, from a running hose for the flushing liquid and the drilling material can be closed.

Das untere Ende der Abtriebswelle 2 weist ein koni sches Außengewinde 5 auf, auf welches ein ein entsprechen des Innengewinde 6 aufweisendes Zwischenstück 7 aufge schraubt ist. Bei der in Fig. 1 dargestellten Antriebsein richtung 100 umfaßt das Zwischenstück 7 eine nicht näher dargestellte Sicherungskupplung, welche zur Vermeidung von Beschädigungen der Antriebseinrichtung bzw. des Bohrwerk zeugs das übertragbare Drehmoment auf einen Maximalwert begrenzt. Das untere Ende des Zwischenstücks 7 bildet ein Flansch 8, an welchen eine in der Zeichnung als Ganzes mit 10 bezeichnete Abfangvorrichtung für das Bohrgestänge 9 angebracht ist.The lower end of the output shaft 2 has a koni cal external thread 5 , on which a corresponding to the internal thread 6 having an intermediate piece 7 is screwed up. In the drive device 100 shown in FIG. 1, the intermediate piece 7 comprises a safety coupling (not shown in any more detail) which limits the transmissible torque to a maximum value in order to avoid damage to the drive device or the boring machine. The lower end of the intermediate piece 7 forms a flange 8 to which a catch device for the drill pipe 9, designated as a whole in the drawing with 10, is attached.

Im folgenden soll die Abfangvorrichtung 10 im einzel nen erläutert werden. Sie umfaßt einen starr mit dem Flansch 8 verbundenen Käfig 11, welcher über Rollenlager 12 in dem feststehenden Gehäuse 13 der Abfangvorrichtung 10 um die Achse S des Bohrgestänges 9 drehbar gelagert ist. Im Innenraum 14 des Käfigs 11 ist drehfest ein aus wechselbarer Mitnehmerzapfen 15 angeordnet, welcher an seinem unteren Ende ein konisches Außengewinde 16 trägt, auf welches das Bohrgestänge 9 mit einem an seinem oberen Ende vorgesehenen, entsprechenden Innengewinde 17 auf schraubbar ist. Die Auswechselbarkeit des Mitnehmerzapfens 15 dient der Montagefähigkeit von Bohrgestängen 9 unter schiedlichen Durchmessers. In Fig. 1 sind beidseitig der Achse S zwei Bohrgestänge 9 unterschiedlichen Durchmessers mit den dazu passenden Mitnehmerzapfen 15 dargestellt.In the following, the interception device 10 will be explained in detail. It comprises a cage 11 rigidly connected to the flange 8 , which is rotatably supported about roller axis 12 in the fixed housing 13 of the intercepting device 10 about the axis S of the drill pipe 9 . In the interior 14 of the cage 11 there is arranged a non-rotatable driving pin 15 which carries at its lower end a conical external thread 16 onto which the drill string 9 can be screwed with a corresponding internal thread 17 provided at its upper end. The interchangeability of the driver pin 15 serves to install drill rods 9 under different diameters. In Fig. 1, two drill rods 9 of different diameters are shown on both sides of the axis S with the corresponding driver pin 15 .

Von dem Käfig 11 erstreckt sich konzentrisch zur Achse S nach unten ein Halter 18, welcher mit dem Käfig 11 verschraubt ist. Der Halter 18 weist einen zylindrischen Innenraum 19 auf, welcher der axialen Führung eines einge führten Bohrgestänges 9 dient. Daher ist der Halter 18 - wie der Mitnehmerzapfen 15 - dem jeweiligen Durchmesser des Bohrgestänges 9 anzupassen. In seinem unteren Bereich weist der Halter 18 zwei einander gegenüberliegende, sich symmetrisch zur Achse S erstreckende Öffnungen 20 auf, in welchen jeweils ein senkrecht zur Achse S verlagerbares Spannglied 21 ruht. Die radial nach außen weisenden Seiten 22 der Spannglieder 21 verlaufen schräg zur Achse S, der art, daß der Abstand zwischen den Seiten 22 und der Achse S nach oben zunimmt.Of the cage 11, a retainer 18 which is bolted to the cage 11 extends concentric with the axis S downward. The holder 18 has a cylindrical interior 19 , which is used for the axial guidance of an inserted drill pipe 9 . Therefore, the holder 18 - like the driver pin 15 - must be adapted to the respective diameter of the drill pipe 9 . In its lower region, the holder 18 has two openings 20 which lie opposite one another and extend symmetrically to the axis S, in each of which rests a clamping member 21 which can be displaced perpendicularly to the axis S. The radially outwardly facing sides 22 of the tendons 21 extend obliquely to the axis S, the art that the distance between the sides 22 and the axis S increases upwards.

Der untere Bereich des Halters 18 ist von einem Spannring 23 umgeben, dessen Innenfläche als sich nach oben erweitender Konus, der mit den schrägen Seiten 22 der Spannglieder 21 zusammenwirkt, ausgestaltet ist. Der Spannring 23 ist über Rollenlager 24 um die Achse S dreh bar in einem Gehäuseteil 25 gelagert. Die Gehäuseteile 13,25 sind mittels zweier einander gegenüber und mit der Achse S in einer Ebene liegender Hydraulikzylinder 26 in Richtung der Achse S verlagerbar miteinander verbunden.The lower region of the holder 18 is surrounded by a clamping ring 23 , the inner surface of which is designed as an upwardly widening cone which interacts with the oblique sides 22 of the clamping members 21 . The clamping ring 23 is mounted in a housing part 25 via a roller bearing 24 about the axis S rotating bar. The housing parts 13, 25 are connected to one another in the direction of the axis S by means of two hydraulic cylinders 26 located opposite one another and with the axis S in one plane.

Die Hydraulikzylinder 26 sind derart konzipiert, daß durch eine Druckbeaufschlagung der Gehäuseteil 25 in Rich tung des Gehäuseteils 13 verlagert wird. Durch den Innen konus des Spannrings 23 werden hierbei die Spannglieder 21 in Richtung auf das Bohrgestänge 9 verlagert und klemmen dieses ein.The hydraulic cylinders 26 are designed such that the housing part 25 is displaced in the direction of the housing part 13 by pressurization. Through the inner cone of the clamping ring 23 , the tendons 21 are shifted in the direction of the drill string 9 and clamp this.

Die gesamte Antriebseinrichtung 100 ist mittels an dem Kraftdrehkopf 1 vorgesehenen Befestigungsaugen 27 über in Fig. 1 nicht dargestellte Haken und Bügel oder einem Schlitten, der auf einer ebenfalls nicht dargestellten Schienenanordnung vertikal verlagerbar ist, befestigt.The entire drive device 100 is fastened by means of fastening eyes 27 provided on the power rotary head 1 via hooks and brackets (not shown in FIG. 1) or a slide which can be displaced vertically on a rail arrangement (likewise not shown).

Claims

Use of an interception device ( 10 ) for clamping the drill pipe ( 9 ) of a drilling tool to a drive device ( 100 ) for the drilling tool, which can be displaced in the direction of the axis (S) of the drill pipe and is arranged in a drilling mast and connected to a hydraulic feed system.
which has a hydraulically actuated chuck which comprises at least two mutually opposite clamping members ( 21 ) which can be displaced approximately perpendicular to the drill pipe axis (S) and which clamp the upper end of the drill pipe ( 9 ) between them when the chuck is activated, the intercepting device ( 10 ) has a holder ( 18 ) for the tendons ( 21 ) which fixes them in both directions of the drill pipe axis (S),
in the production or revision of wells that serve the development of oil deposits.