DE60118357T2

DE60118357T2 - Rohrdrehvorrichtung

Info

Publication number: DE60118357T2
Application number: DE60118357T
Authority: DE
Inventors: Olav Per HAUGHOM; Magne Moe; Jorn Pollestad
Original assignee: National Oilwell Norway AS
Current assignee: National Oilwell Varco Norway AS
Priority date: 2000-04-28
Filing date: 2001-04-25
Publication date: 2006-11-30
Anticipated expiration: 2021-04-26
Also published as: WO2001083935A1; BR0110416A; ATE321935T1; CA2407661A1; NO20002258D0; AU5687001A; DK1283937T3; NO20002258L; US7036396B2; EP1283937A1; DE60118357D1; US20030164071A1; CA2407661C; EP1283937B1; NO311539B1; BR0110416B1

Description

Diese Erfindung betrifft eine Rotations-/Rotationszangenvorrichtung zur Verwendung beim Verschrauben oder Losschrauben von Gewindeverbindungen in Form von mit Innengewinde versehenen Kastenenden, die jeweils mit einem mit Außengewinde versehenen Bolzenende einer benachbarten Rohrlänge oder eines benachbarten Rohrabschnitts in Eingriff gebracht/von diesem gelöst werden sollen, insbesondere Längen eines Bohrrohrs der Art, die für die Bildung einer durchgehenden Bohrkette zur Verwendung in Verbindung mit dem Bohren nach Öl- und Gaslagerstätten zusammengeschraubt werden sollen.
Im folgenden gibt eine Rotationsvorrichtung eine Rotationsvorrichtung oder Rotationszangen an, wenn nicht explizit anders festgelegt.
Wenn eine Bohrkette aus dem Bohrloch herausgezogen werden soll oder unmittelbar über diesem zusammengesetzt werden soll, beispielsweise in Verbindung mit dem Austausch eines Bohrmeißels, muß die gesamte verwendete Bohrkettenlänge mittels Hebewerken im Ausleger der Bohranlage angehoben oder abgesenkt werden.
Das Verschrauben der Gewindeverbindungen (Kästen und Rohrendbolzen) stellt die Verbindung von Bohrrohrlängen oder die Unterteilung der Bohrkette gemäß dem, was im Einzelfall erforderlich ist, sicher. Das Verschrauben wird mittels eines Eisenroheinstichs bewirkt, der teilweise eine schnell rotierende Schraubvorrichtung/Losschraubvorrichtung mit einem kleinen Drehmoment in Form einer Rotationsvorrichtung und eine Vorrichtung, die das Festziehen/Losschrauben mit einem gewünschten maximalen Drehmoment am Rohrkasten bewirken kann, in Form eines sogenannten Drehmomentschlüssels umfaßt.
Im Prinzip ist eine Rotationsvorrichtung mit vier Walzen ausgebildet, die jeweils durch einen separaten hydraulischen Motor angetrieben werden. Die Walzen werden mittels eines hydraulischen Kolbens und Zylindern gegen die Bohrrohrwand gedrückt.
Es gibt verschiedene bekannte Ausführungsbeispiele, wie z.B. GB 1 499 428 , in denen Vorrichtungen angeordnet sind, um Walzen gegen das Bohrrohr zu drücken.
Aus dem norwegischen Patentdokument Nr. 306 573 ist ein Drehmomentschlüssel für das Festziehen von Bohrrohren mit Kästen mit einem Drehmoment bekannt, wobei die oberen und unteren Spannbacken durch hydraulische Zylinder betätigt werden, und eine Rotationsvorrichtung an einer Hauptstruktur angeordnet ist. Ein Drehmomentschlüssel wird durch eine Schnellösekupplung an einem Teleskopmanipulatorarm montiert, der mittels eines Schwenkrings, der mit einem Bohrboden einer Seebasisanlage fest verbunden ist, um eine vertikale Achse gedreht werden kann.
In Verbindung mit dem Drehmomentschlüssel gemäß NO 306 573 bestand das Ziel darin, den Drehmomentschlüssel so anzuordnen, daß er einem breiten Arbeitsbereich zugeordnet wurde und diesen bedeckt. Spannbacken sind angeordnet, die mittels eines Zahnkranzes gedreht werden, der mit einem Zahnrad verbunden ist. Das letztere wird durch ein Planetenrad in Rotation versetzt, wodurch durch die Rotation der Spannbacken die Drehbewegung sichergestellt wird, die für das Verschrauben (Losschrauben) erforderlich ist. Eine Rotationsvorrichtung ist hier mit einem mechanischen Synchronisationsgetriebe zwischen den Antriebswalzen ausgestattet.
Von anderen bekannten Vorrichtungen zum Verschrauben von Rohrverbindungsvorrichtungen an Bohrrohrenden können beispielsweise GB 1 416 245 , GB 1 469 661 , GB 1 519 086 und NO 143 235 erwähnt werden.
Ein unvorteilhaftes gemeinsames Merkmal von bekannten Ausführungsbeispielen besteht jedoch darin, daß sie nicht ausgebildet sind, um das Zentrieren des Bohrrohrs zu ermöglichen, welches in den gegenüberliegenden Kasten abgesenkt werden soll, wenn zwei Bohrrohre zusammengeschraubt werden.
Wenn die Bohrrohre voneinander losgeschraubt werden sollen, ist es wichtig, daß das Gewicht des Bohrrohrs losgelassen wird, wenn das letzte Gewinde den Kasten verläßt, so daß kein Stoß gegen die Gewindeverbindung besteht.
Diese Methode für die Probleme bildet die Basis der vorliegenden Erfindung, deren allgemeine Aufgabe darin bestand, durch einfache und vernünftige Mittel eine Rotationsvorrichtung bereitzustellen, die die Länge eines betreffenden Bohrrohrs sowohl dreht als auch zentriert, welches mit dem gegenüberliegenden Gewindekasten zusammengeschraubt werden soll. Die Rotationsvorrichtung sollte auch so angeordnet sein, daß sie die Gewinde bezüglich der Gewichtsbelastung entlastet, wenn das letzte Gewinde den Kasten beim Teilen der Bolzen-Kasten-Gelenke verläßt.
Für den erwähnten Zweck ist die Erfindung durch die Merkmale gekennzeichnet, die im kennzeichnenden Teil des unabhängigen Anspruchs 1 angegeben sind. Vorteilhafte, aber untergeordnete Merkmale, die für die beabsichtigte Funktion und die technische Wirkung der Erfindung nicht entscheidend sind, zeigen sich aus den nachfolgenden abhängigen untergeordneten Ansprüchen.
Eine Rotationsvorrichtung dieser Art umfaßt einen Rahmenteil/eine Rahmenstruktur mit Lenkungs/Führungs-Walzen, die an zwei vertikalen Führungen montiert sind und vorzugsweise vier angetriebene Drehwalzen für die Drehung eines Bohrrohrs umfassen, wobei die Drehwalzen aus Stahl oder einem ähnlichen harten Metall oder einer Metallegierung hergestellt werden und vorzugsweise mittels hydraulischer Motoren angetrieben werden. Gemäß der Erfindung werden die angetriebenen Drehwalzen an Drehgestellen abgestützt, die an Klemmarmen angebracht sind, die mittels einer Manövriervorrichtung in Form eines hydraulischen Querkolbens und -zylinders oder eines anderen Stellgliedes manövriert werden, wobei parallele Verschiebungsstege und Zentrierstege für die Klemmarme angeordnet sind.
Für die Rotationszangen kann ein weiterer Kolben und Zylinder angeordnet sein, der eine ausreichende Hubkraft aufweist, um die Rotationsvorrichtung und das Bohrrohr anzuheben. Dadurch können die Rotationsvorrichtung und der Rohrabschnitt frei vom Gewindeteil angehoben werden, wenn die Rohre voneinander losgeschraubt werden.
Die parallelen Verschiebungsstege und Zentrierstege können mit einer federvorgespannten Zentriereinheit versehen sein, die beispielsweise zwei einzelne Federn umfaßt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist auch im Hinblick auf die Verringerung einer Beschädigung an den Gewindeverbindungen, wenn Bohrrohrabschnitte verschraubt und losgeschraubt werden, ausgebildet. Eine Beschädigung der Art, die durch die vorliegende Erfindung verringert oder sogar beseitigt wird, hat jederzeit ein erhöhtes Risiko für einen Bohrkettenzusammenbruch mit großen wirtschaftlichen Konsequenzen dargestellt.
Nicht-begrenzende Beispiele von bevorzugten Ausführungsbeispielen von Vorrichtungen, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet und angeordnet sind, werden im folgenden mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen genauer erläutert, in denen gilt:
1 zeigt in einer Seitenansicht eine Prinzipzeichnung, die einen stark vereinfachten Ausleger mit Hebewerken, einen Eisenroheinstich und eine Aufhängungsvorrichtung zum Aufhängen von Bohrrohrlängen darstellt, die durch die Gewindeverbindungen mittels des Eisenroheinstichs für die Ausbildung einer durchgehenden Bohrkette zusammengeschraubt und gebildet werden sollen;
2 zeigt eine Vorderansicht des Eisenroheinstichs;
3 zeigt den in 2 gezeigten Eisenroheinstich in einer Seitenansicht;
4 zeigt den Eisenroheinstich in einer Draufsicht von oben;
5 zeigt ein Kreisdiagramm eines Druckluftkreises für den Hubzylinder der Rotationsvorrichtung;
6 zeigt die Rotationsvorrichtung selbst im Aufriß;
7A ist eine Draufsicht auf die Rotationsvorrichtung von oben in einer detaillierteren Anordnung gezeigt, wobei die Antriebswalzen zueinander hin nach innen gedreht sind, so daß sie innere aktive Positionen für die Drehung eines nicht dargestellten Bohrrohrs annehmen;
7B entspricht 7A, außer daß hier die Antriebswalzen voneinander weggeführt wurden und in der Querrichtung beabstandet sind, wodurch sie ihre Bereitschafts-Ruhepositionen annehmen;
8 zeigt separat einen parallelen Steg für die parallele Verschiebung der Antriebs/Dreh-Walzen;
9 zeigt separat einen Synchronisationssteg für nicht dargestellte Klemmarme, die die angetriebenen, drehbaren Antriebs/Dreh-Walzen durch Drehgestelle tragen.
Es wird auf 1 Bezug genommen, in der die Bezugsziffer 10 einen Ausleger mit Hebewerken 12 identifiziert, die an diesem am Bohrboden 14 einer Plattform angeordnet sind, die nicht genauer gezeigt ist, wobei eine Drahtleitung 16 von den Hebewerken 12 bis zu einem Flaschenzug 18 führt, der am Ausleger 10 aufgehängt ist und durch die Drahtleitung 16 einen darunterliegenden Flaschenzug 20 trägt, an dem die Bohrrohrlänge/der Bohrrohrabschnitt 22 aufgehängt ist.
Eine Anzahl von solchen Längen/Abschnitten 22 eines Bohrrohrs sollen durch Bolzen-Kasten-Verbindungen, welche aus einem oberen Teil 22a und einem unteren Teil 22b in Form eines Gewindesteckerteils, "eines Bolzens", und eines Gewindebuchsenteils, "eines Kastens", bestehen, für die Bildung einer durchgehenden Bohrkette 24 miteinander verbunden werden.
Zum Zusammenschrauben der Bohrrohrlängen/-abschnitte 22 und zum Festziehen der Gewindeverbindungen an deren Enden wird ein Eisenroheinstich verwendet, der im allgemeinen mit der Bezugsziffer 26 identifiziert ist und im Prinzip zwei Hauptkomponenten umfaßt, eine untere Komponente in Form eines Drehmomentschlüssels 28 und eine obere Komponente in Form einer Rotationsvorrichtung 30. Die Bohrkette 24 wird mittels der Hebewerke 12, deren Drahtleitung 16 über die Flaschenzüge 18, 20 verläuft, die am Ausleger 10 aufgehängt sind, angehoben und in das Bohrloch (nicht dargestellt) abgesenkt. Dies stellt ein gut bekanntes Verfahren dar.
Der Drehmomentschlüssel 28 selbst umfaßt zwei Teile, nämlich einen oberen Teil 32 und einen unteren Teil 34, 2 und 3. Der untere Teil 34 des Drehmomentschlüssels 28 ist mit einem Rahmenteil oder einer Rahmenstruktur 36 fest verbunden, wohingegen der obere Drehmomentschlüsselteil 32 über einen gegebenen Winkel relativ zum unteren Drehmomentschlüsselteil 34 gedreht werden kann, wobei der Drehmomentschlüssel 28 mit Spannbacken 38 versehen ist, die mittels eines hydraulischen Kolbens und Zylindern 40 dazu gebracht werden, ein Bohrrohr 22 zu ergreifen und festzuklemmen.
Wenn Bohrrohrlängen/-abschnitte 22 für die Bildung einer durchgehenden Bohrkette 24 zusammengeschraubt werden sollen, wird der untere Teil 34 des Drehmomentschlüssels 28 zuerst dazu gebracht, um den unteren Teil des Kastenverbindungsteils 22b zu greifen. Dann wird der Rohrabschnitt/die Rohrlänge 22 in der Rotationsvorrichtung 30 mittels einer nicht gezeigten Rohrhandhabungsvorrichtung einer bekannten Ausführungsform angeordnet.
Gemäß der Erfindung ist die Rotationsvorrichtung 30 so ausgebildet und angeordnet, daß sie das jeweilige Rohr 22 zentriert und sie bei der Aufnahme des Rohrs dafür sorgt, daß es zentriert wird, während es gleichzeitig mit seinem Verbindungsteil, dem mit Außengewinde versehenen Bolzen/Zapfenende 22a, in den darunterliegenden Kastenteil 22b der Gelenk/Gewinde-Verbindung abgesenkt wird.
Die angetriebenen Walzen 42 der Rotationsvorrichtung 30, die das Rohr 22 drehen sollen, die sogenannten Rotationswalzen, sind in einer Anzahl von vier angeordnet, die in Paaren angeordnet sind, zwei auf jeder Seite des Rohrs 22, mit Bezug auf die Querrichtung des Eisenroheinstichs, 4 und 6, werden jeweils durch einen hydraulischen Drehmomentmotor 44 angetrieben und bewirken eine Drehung des Rohrs 22, bis der obere und der untere Teil 22a, 22b des Bolzens und Kastens vollständig verbunden sind.
Dann wird der obere Teil 32 des Drehmomentschlüsselteils 28 während der Rotation zum Klemmen gebracht, bis das gewünschte Festziehdrehmoment erreicht ist.
Die vorstehend erwähnte Zentrierung des Rohrs 22 innerhalb der Rotationsvorrichtung 30 wird mittels zwei Klemmarmen 46, 7A und 7B, bewirkt, die einen Kolben und Zylinder 48 aufweisen, der an diesen angeordnet ist, wodurch die Klemmarme 46 zusammen gedrückt und voneinander weggeführt werden können, die jeweils eine Abstützung für ein Drehgestell 50 bilden, das jeweilige zwei Rotationswalzen 42 trägt. Jedes Drehgestell 50 ist am äußeren Ende des benachbarten Klemmarms 46 durch eine Schraubenverbindung 52 montiert.
Die parallele Verschiebung der Rotationswalzen 42 wird mittels paralleler Stege 54, 7A und 7B und 8, ausgeführt, die an einem Rahmenteil oder einer Rahmenstruktur 56 und an jeweiligen Drehgestellen 50 befestigt sind. Die Zentrierung wird durch einen Zentriersteg (Synchronisationssteg) 58, 7A und 7B und 9, bereitgestellt, der durch seine axialen Enden mit den Klemmarmen 46 verbunden ist, so daß die letzteren zwangsweise zentriert werden, wenn der Kolben und Zylinder 48 verkürzt wird und die Klemmarme 46 zusammen zieht. Ein solcher Tätigkeitsverlauf ist durch 7A auf der Basis von 7B dargestellt, in der der Klemmarm-Manövrierzylinder 48 in einem ausgefahrenen Zustand gezeigt ist, wobei die Klemmarme 46 und die Rotationswalzen 46 sich in ihren Ruhepositionen in einem maximalen oder ungefähr maximalen Abstand voneinander befinden.
Sowohl der parallele Steg 54 als auch der Zentriersteg 58 sind mit einer internen Stoßdämpfungsfeder 60 bzw. 62 versehen, siehe 7A, 7B bzw. 8 und 9.
Ein pneumatischer Kolben und Zylinder 64, 3, sorgt für die Rückkehr der Rotationsvorrichtung 30 in ihre anfängliche Position, wenn die Gewindeverbindung der Rohrverbindung vollständig hergestellt ist, und die Rotationswalzen 42 lösen den Griff am Rohr 22. Die gesamte Rotationsvorrichtungseinheit 30 wird entlang Führungsschienen 66 mittels Führungswalzen 68, 3, vertikal bewegt.
Wenn die Bohrkette durch Losschrauben der Gewindeverbindungen/Bolzen-Kasten-Verbindungen unterteilt werden soll, sieht der Drehmomentschlüssel 28 zuerst das Lösen der Bolzen-Kasten-Gelenke vor, so daß die Rotationsvorrichtung 30 dann die Gewinde, die sich in Eingriff befinden, übernehmen und losschrauben kann. Dies wird dadurch ausgeführt, daß die Rotationsvorrichtung 30 dazu gebracht wird, um das Bohrrohr zu greifen, wobei ihre Walzen 42 an dessen Außenfläche anliegen, während gleichzeitig der pneumatische Kolben und Zylinder 64, 3, für eine Kraft bemessen ist und aktiviert wird, die ausreicht, um sowohl die Rotationsvorrichtung 30 als auch das Bohrrohr 22 frei nach oben anzuheben, wenn der Gewindeendteil 22a aus der darunterliegenden Kastenverbindung 22b läuft.
Der Druckluftzylinder 64 wird mittels eines Ventils 70 und eines Wechselventils 72 aktiviert. In einer Ventilposition werden die Zylinderkammern auf beiden Seiten des Kolbens unter Druck gesetzt. In dieser Position reicht die Hubkraft des Druckluftzylinders 64 nur aus, um die Rotationsvorrichtung 30 wieder in ihre obere Position, 5, anzuheben. In einer anderen Ventilposition wird die Zylinderkammer einseitig auf der Kolbenseite unter Druck gesetzt, so daß die Hubkraft ausreichend groß ist, um sowohl die Rotationsvorrichtung 30 als auch den Bohrrohrabschnitt 22 frei von der Kastenverbindung 22b durch das Losschrauben anzuheben. Aus 5 erscheint ferner, daß eine Drosseldüse 74 angeordnet ist, um die Kolbengeschwindigkeit auf ein gewünschtes Niveau zu begrenzen.

Claims

Rotationszange/Rotationsvorrichtung der Art, die in einen Eisenroheinstich integriert ist, zur Verwendung bei Schraub/Losschraub-Vorgängen in Verbindungen mit Bolzen-Kasten-Gelenken/Gewindeverbindungen (22a, 22b) von Bohrrohren (22) für die Bildung einer kontinuierlichen Bohrkette (24) und für deren Unterteilung jeweils in einzelne Rohre/Abschnitte/Längen (22) nach der Verwendung, vorzugsweise mit vier drehbaren, angetriebenen Rotationswalzen (42), die an einer Ausrichtungs/Führungs-Vorrichtung (68, 66) für die vertikale Richtung angeordnet sind und ausgebildet sind, um dem Bohrrohr (22) eine Drehbewegung zu erteilen, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationswalzen (42) vorzugsweise paarweise durch Drehgestelle (50) oder ähnliche Zwischenelemente an angetriebenen Klemmarmen (46) montiert sind, die zueinander hin und voneinander weg bewegbar sind, wobei ein Stellglied, beispielsweise ein Kolben und ein Zylinder (48), zwischen den Klemmarmen (46) montiert und mit diesen verbunden ist, welches durch Druckfluid angetrieben wird, was die erzwungene Bewegung der Klemmarme (46) bewirkt, wobei die Klemmarme (46) für eine erzwungene Zentrierung einen gemeinsamen Zentriersteg (58) aufweisen, wohingegen ein paralleler Steg (54) an jedem der Drehgestelle (50) für die parallele Verschiebung der Walzen (42) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (48) durch seine axialen Enden an einem Zwischenteil jedes Klemmarms (46) angreift, wobei der Zwischenteil zwischen dem Stützende und dem Drehgestell-Trageende des jeweiligen Klemmarms (46) liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmarme (46) eine identische Umfangsform in der horizontalen Ebene von einem ersten axialen Ende, das an einem festen Rahmenteil/einer festen Rahmenstruktur (56) drehbar gelagert ist, an dem/der auch das äußere Ende jeder parallelen Strebe (54) drehbar mit einer vertikalen Achse montiert ist, zum zweiten äußeren Ende, das mit dem zugehörigen Drehgestell (50) verbunden ist und dieses trägt, aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein äußeres Ende des Zentrierstegs (58) mit einem Klemmarm (46) an einem Punkt verbunden ist, der sich auf der entgegengesetzten Seite des Stützpunkts dieses Klemmarms (46) an dem festen Rahmenteil/der festen Rahmenstruktur (56) relativ zum Angriffspunkt des Stellgliedes (48) an diesem Klemmarm (46) befindet, und aus einem Stützzapfen besteht, der die Verlängerung/Fortsetzung dieses Klemmarms bildet, wohingegen das andere äußere Ende des Zentriersteges (58) mit dem anderen Klemmarm (46) an einem Punkt verbunden ist, der sich auf der gleichen Seite des Stützpunkts dieses Klemmarms (46) an dem festen Rahmenteil/der festen Rahmenstruktur (56) befindet wie der Angriffspunkt des Stellgliedes (48), und aus einem Stützzapfen besteht, der seitwärts von diesem Klemmarm (46) vorsteht und zwischen dessen Stützpunkt und dem Angriffspunkt des Stellgliedes (48) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationseinheit (30) so angeordnet ist, daß sie entlang Führungen oder Führungsschienen (66) vertikal bewegt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationszange/Rotationsvorrichtung (30) eine daran angeordnete Hubvorrichtung, beispielsweise in Form eines durch Druckfluid angetriebenen, z.B. pneumatischen, Kolbens und Zylinders (64), aufweist, die eine Hubkraft zum gleichzeitigen Anheben der Rotationsvorrichtung (30) und des Bohrrohrs (22) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hubvorrichtung in Form eines pneumatischen Kolbens und Zylinders (64) ein Aktivierungsventil (70) und ein Wechselventil (72), die daran angeordnet sind, aufweist, wobei die Druckluft-Zufuhr/Ventil-Anordnung derart ist, daß in einer ersten Position beide Zylinderkammern und in einer zweiten Position nur die Kammer auf der Kolbenseite mit Druck beaufschlagt werden können, wobei die erste Position einer Hubkraft entspricht, die nur ausreicht, um die Rotationsvorrichtung (30) allein wieder in ihre obere Position anzuheben, wohingegen die zweite Position einer Hubkraft entspricht, die ausreicht, um sowohl die Rotationsvorrichtung als auch das Bohrrohr (22) frei vom Kastengelenk (22b) beim Losschrauben anzuheben.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Druckluftkreislauf und in der Ventilanordnung des pneumatischen Kolbens und Zylinders (64) eine Drosseldüse (74) eingebaut ist, die dazu beschaffen ist, die Kolbengeschwindigkeit des Zylinders auf den gewünschten Pegel zu begrenzen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der parallele als auch der Zentriersteg (54 und 58) jeweils mit einer eingebauten Zentrierfedervorrichtung versehen sind, die aus zwei Federn (60 bzw. 62) besteht.