DE60210017T2

DE60210017T2 - Bidirektionaler Befestigungsmechanismus für eine grosse Anzahl von Bohrlochgrössen

Info

Publication number: DE60210017T2
Application number: DE60210017T
Authority: DE
Inventors: Roger A. Post; Todor K. Sugar Land. Sheiretov; Carl J. Roy; Joseph F. Missouri City. Cordera
Original assignee: Gemalto Terminals Ltd; Schlumberger Technology BV; Schlumberger Holdings Ltd
Current assignee: Gemalto Terminals Ltd; Schlumberger Technology BV; Schlumberger Holdings Ltd
Priority date: 2001-08-03
Filing date: 2002-07-26
Publication date: 2007-02-22
Anticipated expiration: 2022-07-27
Also published as: NO20023658L; DE60210017D1; CA2396822A1; US20030024710A1; US6629568B2; NO322981B1; AU2002300367B2; CA2396822C; EP1281834B1; NO20023658D0; SA02230231B1; EP1281834A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Verfahren zum Befördern von Bohrlochmesswerkzeugen für stark abgelenkte oder horizontale Bohrlöcher. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Bohrloch-Traktorwerkzeuge, die zum Befördern anderer Bohrlochmesswerkzeuge in einem Bohrloch verwendet werden können.
Technischer Hintergrund
Die Erfindung ist eine Vorrichtung, die die Bohrlochwand wahlweise ergreift oder freigibt. Sie kann außerdem das Traktorwerkzeug in der Mitte des Bohrlochs positionieren.
Sobald ein Bohrloch gebohrt ist, werden gewöhnlich gewisse Abschnitte von diesem mit elektrischen Instrumenten untersucht. Diese Instrumente werden manchmal als "Drahtleitungsinstrumente" bezeichnet, da sie über einen elektrischen Draht oder ein elektrisches Kabel, an dem sie eingesetzt werden, mit der Bohrlochmesseinheit an der Oberfläche des Bohrlochs kommunizieren. Bei vertikalen Bohrlöchern werden häufig die Instrumente einfach an dem Bohrlochmesskabel in das Bohrloch abgesenkt. Bei horizontalen oder stark abgelenkten Bohrlöchern ist die Schwerkraft jedoch häufig unzureichend, um die Instrumente in die zu untersuchenden Tiefen zu bewegen. In diesen Fällen müssen alternative Beförderungsverfahren angewandt werden. Ein solches Verfahren basiert auf der Verwendung von Bohrloch-Traktorwerkzeugen, die mit Energie, die über das Bohrlochmesskabel zugeführt wird, betrieben werden und andere Bohrlochmesswerkzeuge längs des Bohrlochs ziehen oder schieben.
Bohrloch-Traktoren verwenden verschiedene Mittel, um die zum Befördern von Bohrlochmesswerkzeugen erforderliche Traktion zu erzeugen. Einige Entwürfe verwenden angetriebene Räder, die durch hydraulische oder mechanische Betätigungsvorrichtungen oder Aktoren gegen die Bohrlochwand gedrängt werden. Andere verwenden hydraulisch betätigte Gelenk- oder Hebelmechanismen, um einen Teil des Werkzeugs an der Bohrlochwand zu verankern, und dann lineare Aktoren, um den Rest des Werkzeugs in Bezug auf den verankerten Teil zu bewegen. Ein gemeinsames Merkmal sämtlicher der oben genannten Systeme ist, dass sie "aktive" Greifer verwenden, um die Radialkräfte zu erzeugen, die die Räder oder Gelenkmechanismen gegen die Bohrlochwand drücken. Der Begriff "aktive Mittel" bedeutet, dass die Vorrichtungen, die die Radialkräfte erzeugen, Energie für ihren Betrieb verbrauchen. Die Verfügbarkeit von Energie im Bohrloch ist durch die Notwendigkeit, über ein langes Bohrlochmesskabel zu kommunizieren, begrenzt. Da ein Teil der Energie für das Betätigen des Greifers verwendet wird, läuft dies darauf hinaus, dass Traktoren, die aktive Greifer verwenden, weniger Energie zur Verfügung steht, um den Werkzeugstrang längs des Bohrlochs zu bewegen. Folglich ist ein aktiver Greifer geeignet, die Gesamtleistungsfähigkeit des Traktorwerkzeugs zu senken. Aktive Greifer besitzen einen weiteren Nachteil, nämlich die relative Komplexität der Vorrichtung und folglich ihre geringe Zuverlässigkeit. Eine effizientere und zuverlässigere Greifvorrichtung kann so konstruiert sein, dass sie einen passiven Greifer verwendet, der zur Erzeugung großer Radialkräfte keine Energie benötigt. Bei einem solchen Entwurf wird die Greifwirkung durch Gruppen von bogenförmigen Nocken erreicht, die um eine gemeinsame Achse schwenken, die sich in der Mitte des Werkzeugs befindet. Durch dieses Greifsystem kann das Traktorwerkzeug eine ausgezeichnete Leistung erzielen. Jedoch ermöglichen die Nocken aufgrund der physikalischen Grundlagen ihrer Wirkungsweise nur das Verfahren des Traktors (Tractoring) in einer Richtung (der Bohrlochabwärtsrichtung). Eine weitere Beschränkung dieses Systems ist der relativ schmale Bereich von Bohrlochgrößen, bei denen diese Nocken arbeiten können. Außerdem können die Nocken nicht selbst das Werkzeug zentralisieren oder mittig halten (centralize). Dies erfordert die Verwendung von speziell entworfenen Zentralisierern (centralizers), die die Traktorwerkzeuglänge erhöhen.
Bohrloch-Traktorwerkzeuge, die verschiedene Betätigungsverfahren zum Befördern von Bohrlochmesswerkzeugen längs eines Bohrlochs anwenden, sind früher offenbart worden und im Handel erhältlich.
Das US-Patent Nr. 6.179.055 offenbart eine Beförderungsvorrichtung zum Befördern wenigstens eines Bohrlochmesswerkzeugs durch eine Erdformation, die von einem horizontalen oder stark abgelenkten Bohrloch durchquert wird. Die Beförderungsvorrichtung umfasst ein Paar bogenförmiger Nocken, die an einem Stützelement schwenkbar angebracht sind, ein Federelement zum Vorbelasten der gekrümmten Oberfläche jedes Nockens in einen Kontakt mit der Bohrloch wand und Betätigungsvorrichtungen, die funktional mit den einzelnen Nocken verbunden sind. An der Beförderungsvorrichtung ist ein Bohrlochmesswerkzeug angebracht. Wenn eine Betätigungsvorrichtung in einer ersten Richtung aktiviert wird, wird der mit der aktivierten Betätigungsvorrichtung verbundene Nocken geradlinig nach vorn verlagert, wobei die gekrümmte Oberfläche des Nockens entlang der Bohrlochwand gleitet. Wenn eine Betätigungsvorrichtung in einer zweiten Richtung aktiviert wird, zieht die aktivierte Betätigungsvorrichtung den verbundenen Nocken nach hinten, wobei das Federelement die gekrümmte Oberfläche des Nockens dazu zwingt, an der Bohrlochwand festzusitzen. Sobald der Nocken festsitzt, treibt eine weitere Bewegung der Betätigungsvorrichtung sowohl die Beförderungsvorrichtung als auch das Bohrlochmesswerkzeug längs des stark abgelenkten oder horizontalen Bohrlochs nach vorn.
Das US-Patent Nr.6.089.323 offenbart ein Traktorsystem, das in bestimmten Ausführungsformen einen Körper, der mit einem Gegenstand verbunden ist, erste Ansetz- oder Feststellmittel an dem Körper, um das System wahlweise und zuverlässig in einer Bohrung zu verankern, und erste Bewegungsmittel mit einer Oberseite und einer Unterseite umfasst, wobei die ersten Bewegungsmittel an dem Körper zum Bewegen des Körpers und des Gegenstands dienen, wobei die ersten Bewegungsmittel einen ersten Arbeitshub besitzen und wobei das Traktorsystem zum Bewegen des Gegenstands durch die Bohrung mit einer Geschwindigkeit von wenigstens 10 Fuß pro Minute dienen.
Das US-Patent Nr. 6.082.461 offenbart ein Traktorsystem zum Bewegen eines Gegenstands durch ein Bohrloch mit einer zentralen Schraubenspindel, die mit dem Gegenstand verbunden ist, ersten Ansetzmittel um die zentrale Schraubenspindel, um das System wahlweise und zuverlässig in einem Bohrloch zu verankern, wobei die zentrale Schraubenspindel eine Oberseite und eine Unterseite aufweist und ein erstes Kraftgewinde enthält, wobei die ersten Ansetzmittel einen ersten Zuhaltestift aufweisen, der mit dem ersten Kraftgewinde in einen Eingriff gelangt, um die ersten Ansetzmittel anzutreiben und diese an einer Innenwand der Bohrung anzusetzen. In einem Aspekt dient das Traktorsystem zum Bewegen des Gegenstands durch die Bohrung mit einer Geschwindigkeit von wenigstens 10 Fuß pro Minute. In einem Aspekt besitzt das Traktorsystem zweite Ansetzmittel an der zentralen Schraubenspindel, um das System wahlweise und zuverlässig in der Bohrung zu verankern, wobei die zweiten Ansetzmittel von den ersten Ansetzmitteln beabstandet sind und wobei die zentrale Schraubenspindel ein zweites Kraftgewinde und ein zweites Rückholgewinde enthält, wobei das zweite Rückholgewinde mit dem zweiten Kraftgewinde in Verbindung steht und wobei die zweiten Ansetzmittel einen zweiten Zuhaltestift aufweisen, der mit dem zweiten Kraftgewinde in einen Eingriff gelangt, um die zweiten Ansetzmittel anzutreiben und an der Innenwand der Bohrung anzusetzen.
Das US-Patent Nr. 5.954.131 offenbart eine Beförderungsvorrichtung zum Befördern wenigstens eines Bohrlochmesswerkzeugs durch eine Erdformation, die von einem horizontalen oder stark abgelenkten Bohrloch durchquert wird. Die Beförderungsvorrichtung umfasst ein Paar bogenförmiger Nocken, die an einem Stützelement schwenkbar angebracht sind, Mittel zum Vorbelasten der gekrümmten Oberfläche jedes Nockens in einen Kontakt mit der Bohrlochwand und Betätigungsvorrichtungen, die funktional mit den einzelnen Nocken verbunden sind. An der Beförderungsvorrichtung ist ein Bohrlochmesswerkzeug angebracht. Wenn eine Betätigungsvorrichtung in einer ersten Richtung aktiviert wird, wird der mit der aktivierten Betätigungsvorrichtung verbundene Nocken geradlinig nach vorn verlagert, wobei die gekrümmte Oberfläche des Nockens entlang der Bohrlochwand gleitet. Wenn eine Betätigungsvorrichtung in einer zweiten Richtung aktiviert wird, zieht die aktivierte Betätigungsvorrichtung den verbundenen Nocken nach hinten, wobei das Vorbelastungsmittel die gekrümmte Oberfläche des Nockens dazu zwingt, an der Bohrlochwand festzusitzen. Sobald der Nocken festsitzt, treibt eine weitere Bewegung der Betätigungsvorrichtung sowohl die Beförderungsvorrichtung als auch das Bohrlochmesswerkzeug längs des stark abgelenkten oder horizontalen Bohrlochs nach vorn.
Das US-Patent Nr. 5.184.676 offenbart eine Vorrichtung mit Eigenantrieb zum Verfahren längs eines rohrförmigen Elements, die motorisch angetriebene Räder zum Vortreiben der Vorrichtung, ein Vorbelastungsmittel zum Vorbelasten der angetriebenen Räder in einen Kontakt mit der Innenfläche des rohrförmigen Elements und ein Rückholmittel zum Rückholen der angetriebenen Räder aus der Antriebsposition, damit die Vorrichtung von dem rohrförmigen Element weggezogen werden kann, umfasst. Das Rückholmittel umfasst außerdem Mittel, um die angetriebenen Räder aus der Antriebsposition automatisch rückzuholen, wenn die Energie für die Vorrichtung weggenommen wird.
Das US-Patent Nr. 4.325.438 offenbart eine Transportvorrichtung, die eine gewickelte elektrische Leitung enthält und geeignet ist, in einem Bohrstrang positioniert zu werden. Die Transportvorrichtung ist mit Greifnocken versehen, die mit der Innenwand des Bohrstrangs in Kontakt gelangen können, um eine Abwärtsbewegung der Transportvorrichtung in dem Bohrstrang zu verhindern, wenn die gewickelte elektrische Leitung aus der Transportvorrichtung herausgezogen wird, jedoch zuzulassen, dass die Transportvorrichtung nach oben gezogen wird.
Das US-Patent Nr.3.063.372 offenbart eine Perforiervorrichtung zur Verwendung in Bohrlöchern mit einem Zweigdurchgang, wobei die Vorrichtung einen Nockenstößel enthält, der mit der Innenwand der Verrohrung in Kontakt gelangt und beim Erreichen der Umgebung des Zweigs dazu dient, die Perforationsladungen der Vorrichtung von dem Zweigdurchgang weg zu orientieren.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Aspekt der Erfindung sieht eine Vorrichtung zum wahlweisen Ergreifen und Freigeben der Innenwand einer Rohrleitung vor, wie sie in Anspruch 1 offenbart ist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht ein Verfahren zum Befördern eines Werkzeugkörpers durch eine Rohrleitung vor, wobei das Verfahren umfasst: (a) Bewegen eines doppelseitigen Greifnockens, der die Innenwand der Rohrleitung sowohl in Bohrlochabwärts- als auch in Bohrlochaufwärtsrichtung ergreifen kann, in einen Kontakt mit der Wand; (b) seitliches Verriegeln einer Position des Nockens; und (c) Bewegen des Werkzeugkörpers in axialer Richtung in Bezug auf den Nocken in einer ersten Richtung.
Vorteile von bevorzugten Implementierungen der Erfindung umfassen eines oder mehreres des Folgenden: eine Vorrichtung, die als Werkzeugzentralisierer dient, eine Vorrichtung, die die Innenwände einer kreisförmigen Röhre wie etwa eines Bohrlochs oder eines Rohrs wahlweise ergreift oder freigibt, eine Vorrichtung mit einem erweiterten Operationsbereich von Bohrlochgrößen, eine Vorrichtung mit doppelseitigen Nocken, die sowohl in Bohrlochabwärts- als auch in Bohrlochaufwärtsrichtung in Eingriff gelangen kann, eine Vorrichtung, die eine ausgezeichnete Leistung und Zuverlässigkeit bietet, und eine Vorrichtung mit einem passiven Greifsystem.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Querschnittsansicht der Gesamtarchitektur eines Bohrloch-Traktorbeförderungssystems.
2 ist eine dreidimensionale, perspektivische Ansicht der Erfindung.
3 ist eine vergrößerte, perspektivische Ansicht eines der Gelenkmechanismen der Erfindung.
4 ist eine auseinander gezogene Ansicht der Elemente des in 3 gezeigten Gelenkmechanismus.
Die 5A und 5C sind Seitenansichten der doppelseitigen Nockengeometrie, 5B ist eine perspektivische Ansicht derselben.
Die 6A, 6B und 6C sind Seitenansichten, die die Greifwirkung des Nockens aufzeigen.
Die 7A bis 7H sind Seitenansichten, die den Vorgang der Nockenumkehr veranschaulichen.
Die 8A, 8B und 8C sind longitudinale Querschnittsansichten einer hydraulischen Ausführungsform der Erfindung.
Die 9A und 9B sind longitudinale Querschnittsansichten einer hydraulischen Ausführungsform der Erfindung in verschiedenen Betriebszuständen.
10A ist eine Draufsicht der Erfindung in ihrem vollständig geöffneten Zustand.
10B ist eine längs der Schnittlinie A-A in 9A aufgenommene Querschnittsansicht einer hydraulischen Ausführungsform der Erfindung in einem vollständig geschlossenen Zustand.
Die 11A bis 11E sind longitudinale Querschnittsansichten einer hydraulischen Ausführungsform der Erfindung, die schematisch die wesentlichen Betriebsprozesse zeigt.
Die 12A, 12B und 12C sind longitudinale Querschnittsansichten einer elektromechanischen Ausführungsform der Erfindung, die schematisch die wesentlichen Betriebsprozesse zeigt.
Genaue Beschreibung
Die vorliegende Erfindung schlägt ein verbessertes passives Greifsystem vor. Sie kann verwendet werden, um ein Bohrlochmesswerkzeug oder ein anderes Bohrlochwerkzeug zu zentralisieren und eine bidirektionale Bewegung zu ermöglichen, und/oder kann einen größeren Operationsbereich von Bohrlochgrößen haben als Systeme des Standes der Technik. Die Erfindung ist eine Kombination aus Greifnocken und einem Zentralisierer mit verriegelbarer Geometrie. Sie kann verwendet werden, um zwei Hauptfunktionen zu erfüllen. Die erste ist, als Werkzeugzentralisierer zu dienen. Die zweite ist, die Innenwände einer Röhre wie etwa eines Bohrlochs oder eines Rohrs wahlweise zu ergreifen oder freizugeben. In einer Ausführungsform kann die Erfindung als Teil eines Bohrloch-Traktorbeförderungssystems verwendet werden. Ihre Hauptelemente können einen Greiferkörper oder Greifkörper, doppelseitige Nocken, Nockenfedern, Zentralisiererarme, Räder, eine Nabe, eine Vorrichtung zum Öffnen/Schließen des Zentralisierers und/oder eine Verriegelungsvorrichtung umfassen. Die Arme und die Nabe können zu Gelenkmechanismen kombiniert sein, die sich radial ausdehnen oder zusammenziehen können, wenn die Nabe in Bezug auf den Greifkörper in der axialen Richtung gleitet. Diese Gelenkmechanismen verschaffen einen erweiterten Operationsbereich, eine Zentralisierungswirkung und dann, wenn die Nabe an Ort und Stelle verriegelt ist, eine Unterstützung der Nocken bei ihrem Greifen. Die Vorrichtung zum Öffnen/Schließen des Zentralisierers kann die Gelenkmechanismen wahlweise in Richtung der Bohrlochwände vorbelasten oder die Arme in den Greifkörper zurück zuzufahren. Die Nocken sind an den Spitzen der Gelenkmechanismen, die mit der Bohrlochwand in Kontakt kommen, angebracht. Die Nocken können verwendet werden, um die Greifwirkung zu verschaffen. Da die Nocken doppelseitig sind, können sie dazu verwendet werden, sowohl in Bohrlochabwärts- als auch in Bohrlochaufwärtsrichtung in Eingriff zu gelangen. Um die Nocken in Kontakt mit der Rohrleitungswand zu halten, können Nockenfedern vorgesehen sein. Die Räder verringern die Reibung zwischen den Armen und der Rohrleitungswand, wenn die Vorrichtung nicht in Eingriff ist. Die Funktion der Verriegelungsvorrichtung besteht darin, die die Nabe und somit die Geometrie des Zentralisierers wahlweise zu verriegeln oder zu entriegeln. Alle diese Elemente können auf dem Greifkörper angebracht sein.
Die Erfindung kann mit einem linearen Aktor, Schienen, einem Kompensator und einem Elektronikblock so kombiniert sein, dass eine Traktorwerkzeugsonde gebildet ist. Der Greifkörper kann auf den Schienen der Sonde vor und zurück gleiten. Eine der Funktionen des linearen Aktors kann das Hin- und Herbewegen des Greifkörpers in Bezug auf die übrige Sonde sein. Der Kompensator sorgt für eine Druckkompensation der inneren Volumen und stellt das für den Betrieb des Greifers erforderliche Fluid bereit. Der Elektronikblock kann den Elektromotor für den linearen Aktor und die Verriegelungsvorrichtung antreiben und steuern. In einem kompletten Traktorwerkzeug können zwei oder mehr Sonden verwendet werden, um eine kontinuierliche Bewegung des Traktors zu ermöglichen. Außerdem kann das Traktorwerkzeug eine Elektronikkartusche und einen Bohrlochmesskopf, der das Werkzeug mit dem Bohrlochmesskabel verbindet, enthalten. Es kann auch zusätzliche Hilfsvorrichtungen enthalten. Das Traktorwerkzeug kann an anderen Bohrlochmesswerkzeugen, die es längs des Bohrlochs befördern kann, befestigt sein.
In einer Ausführungsform kann die auch als Greifer bezeichnete Erfindung Teil eines Bohrloch-Traktorbeförderungssystems sein, Eine mögliche Ausführungsform des Traktorsystems in einem Werkzeugstrang ist in 1 schematisch gezeigt. Der in der Figur gezeigte Werkzeugstrang umfasst einen Bohrlochmesskopf 4, der den Werkzeugstrang mit dem Bohrlochmesskabel 2 verbindet, eine Hilfseinrichtung 6, eine Elektronikkartusche 8, zwei mechanische Traktorsonden 10 und mehrere Bohrlochmesswerkzeuge 12. Die Elektronikkartusche 8 und die zwei mechanischen Sonden 10 bilden das Bohrloch-Traktorbeförderungssystem. Die Elektronikkartusche 8 ist für die Kommunikation mit der Oberflächeneinrichtung und anderen Werkzeugen in dem Werkzeugsstrang, die Versorgung der Bohrlochmesswerkzeuge mit Energie und die Steuerung der mechanischen Sonden 10 verantwortlich. In einer anderen Ausführungsform sind die Elemente des Traktorsystems nicht miteinander verbunden und können Bohrlochmesswerkzeuge 12 zwischen sich haben, wie in 1 gezeigt ist.
In einer weiteren Ausführungsform kann der mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnete Greifer Teil einer mechanischen Sonde 10 sein. Weitere Elemente der mechanischen Sonde können einen Elektronikabschnitt 14, einen Linearaktorabschnitt 16, einen Schienenabschnitt 18, einen Kompensatorabschnitt 22 und einen unteren Kopf 24 umfassen. Der Greifer 20 gleitet innerhalb des Schienenabschnitts 18 vor und zurück und ist mit dem Linearaktorabschnitt 16 und dem Kompensatorabschnitt 22 durch Schubstangen 26 und 28 verbunden. Der Greifer 20 und die Linearaktor-, Schienen- und Kompensatorabschnitte 16, 18 und 22 sind mit Öl gefüllt, während der Elektronikabschnitt 14 und der untere Kopf 24 typischerweise mit Luft gefüllt sind. Trennwände 30 und 48 trennen die mit Öl und mit Luft gefüllten Abschnitte des Werkzeugs und sorgen für eine elektrische Verbindung zwischen diesen Abschnitten. Die Rolle des linearen Aktors 16 besteht darin, den Greifer 20 längs der Schienen 18 hin- und her zu bewegen. In dieser Ausführungsform sind die Hauptelemente des linearen Aktors 16 ein Motor 32, ein Getriebe 34, eine Kugelumlaufspindel 36 und eine Kugelmutter 38. Die Kugelmutter 38 ist an der Schubstange 26 angebracht. Der Motor 32 ist die Hauptquelle mechanischer Energie für das Werkzeug. Die Energie- und Steuerschaltungen für den Motor können sich in dem Elektronikabschnitt 14 befinden. Die Kugelumlaufspindel 36 und die Kugelmutter 38 setzen die Drehbewegung an der Abtriebswelle des Getriebes 34 in eine geradlinige Bewegung um. Wenn sich der Motor 32 vor und zurück dreht, bewegt sich die Kugelmutter 38 auf der Kugelumlaufspindel 36 hin und her. Diese Hin- und Herbewegung wird durch die Schubstange 26 auf den Greifer 20 übertragen. Die Schubstange 26 enthält außerdem einen Spannkolben 42, der beim Aktivieren des Greifers 20 als Quelle hohen Drucks dient. Eine kompensatorseitige Schubstange 28 ist hauptsächlich für elektrische und hydraulische Verbindungen zwischen dem Greifer 20 und dem übrigen Werkzeug verantwortlich. Dies ist durch den Draht 44 angedeutet. Es sei angemerkt, dass der Greifer 20 Bohrlochfluid ausgesetzt ist. Die Schubstangen 26 und 28 müssen wiederholt die mit Öl gefüllten Abschnitte des Werkzeugs verlassen, in die Bohrlochfluide gelangen und danach in das Werkzeug zurückkehren. Dynamische Dichtungen 40 und 46 verhindern jegliches Eindringen von Bohrlochfluiden in das Werkzeug. Die Funktion des Kompensators 22 besteht darin, eine Druckkompensation vorzunehmen und das für die Betätigung des Greifers 20 erforderliche Hydraulikfluid bereitzustellen. Der Kompensator 22 ist vom Kolbentyp, dessen Hauptelemente ein Kolben 50, eine Feder 52 und dynamische Dichtungen 54 sind. Mit Ausnahme des Greifers 20 sind alle anderen Elemente der mechanischen Sonde bereits offenbart worden und in Ausführungsformen, die den in 1 gezeigten gleichen, im Handel erhältlich. Diese Vorrichtungen werden hier besprochen, weil ihr Vorhandensein bei der Erläuterung der Arbeitsweise der Erfindung hilfreich ist.
Im Allgemeinen umfasst die Erfindung einen Greifkörper, doppelseitige Nocken, Räder, Vorbelastungsfedern, Zentralisierer-Gelenkmechanismen, eine Nabe, Vorrichtungen zum Öffnen/Schließen des Zentralisierers und eine Verriegelungsvorrichtung. Eine dreidimensionale Ansicht einer möglichen Ausführungsform der Erfindung ist in 2 gezeigt, wo der Greifkörper mit dem Bezugszeichen 60 bezeichnet ist. An dem Greifkörper 60 und an einer Nabe 64, die in Bezug auf den Greifkörper 60 gleiten kann, sind drei Gruppen von Gelenkmechanismen 62 befestigt. Der Greifkörper 60 ist mit Schubstangen 26 und 28 an den anderen Teilen des Werkzeugs (nicht gezeigt) befestigt. Eine vergrößerte Ansicht einer der Gelenkmechanismen 62 ist in 3 gezeigt. Die Gelenkmechanismen 62 sind aus einem ersten Arm 66, einem zweiten Arm 67 und Zapfen 68, die den ersten Arm 66 und den zweiten Arm 67 an dem Greifkörper 60 und an der Nabe 64 befestigen, zusammengesetzt. Die Nocken 70 und die Räder 72 sind an einer gemeinsamen Achse 74, die auch die zwei Arme 66 verbindet, angebracht. Eine mögliche Anordnung der Elemente, die sich an der Spitze des Gelenkmechanismus 62 befinden, ist in 4 gezeigt. Die Räder 72 können sich auf der Achse 74 frei drehen. Die Nocken 70 können sich ebenfalls auf der Achse 74 drehen, jedoch werden sie durch Vorbelastungsfedern (in der Figur nicht gezeigt), die in Schlitzen 76, die in die Arme 66 geschnitten sind, in einer nach außen weisenden Richtung orientiert. Die Räder 72 und die Nocken 70 sind durch Abstandsstücke 78, die eine direkte Reibungswechselwirkung zwischen den Rädern 72 und den Nocken 70 verhindern, getrennt. Die Achse 74 ist durch einen Haltering 79 an Ort und Stelle festgehalten.
Die Form der Nocken 70 ist ein wichtiges Merkmal der Erfindung. Die Form wird verwendet, um sowohl die Greifwirkung als auch die Bidirektionalität zu verschaffen. Ein bidirektional greifender Nocken ist in den 5A, 5B und 5C gezeigt. 5A ist eine Vorderansicht, während 5B eine dreidimensionale Ansicht des Nockens wiedergibt. Die Geometrie des Nockens ist durch einen konstanten Kontaktwinkel, der durch den Buchstaben α in den 5A und 5C bezeichnet ist, gekennzeichnet. Der Kontaktwinkel ist als Winkel zwischen einer Linie, die die Mitte des Nocken-Drehzapfens mit dem Kontaktpunkt zwischen der Nockenoberfläche und einer Tangentialebene verbindet, und der Normalen zu jener Ebene, die durch die Nockenachse geht, definiert. Der Vorteil dieses Nockens ist, dass sich der Kontaktwinkel nicht mit dem Ort des Kontaktpunkts an der Nockenoberfläche verändert, was eine konsistente Greifkraft sicherstellt.
Obwohl der konstante Winkel die Geometrie für die in 4 gezeigte Ausführungsform ist, können auch andere Geometrien wie etwa exzentrische Räder (in 5C gezeigt) oder Nocken mit veränderlichem Kontaktwinkel konstruiert sein und eine ähnliche Funktionalität bieten.
Die Kombination aus dem doppelseitigen Nocken 70 und den Rädern 72 ist ein wichtiges Merkmal der Erfindung. Ihre verschiedenen Möglichkeiten der Wechselwirkung mit der Bohrlochwand bestimmen die wichtigsten Funktionen der Erfindung einschließlich ihrer Fähigkeit als Zentralisierer zu dienen, ihrer Fähigkeit die Bohrlochwand zu ergreifen und ihrer Fähigkeit zur Richtungsumkehr. Die Wechselwirkung des Nockens 70 und der Räder 72 mit der Bohrlochwand ist in den 6A, 6B und 6C erläutert. 6B zeigt einen statischen Kontakt zwischen dem Nocken/Rad-System und der Bohrlochwand 150. Der Kontakt wird als statischer Kontakt beschrieben, weil keine Axialkräfte (zur Bohrlochmittellinie parallele Kräfte) auf die Achse 74 ausgeübt werden. Auf die Achse 74 wird durch eine Zentralisierungsvorrichtung, die in der Figur nicht gezeigt ist und später näher besprochen wird, eine radiale, zentralisierende Kraft F_C 152 ausgeübt. Außerdem wird eine viel kleinere Kraft F_S 154, die die Resultierende der Wirkung von zwei Nockenfedern (in der Figur nicht gezeigt) ist, auf die Nockenoberfläche ausgeübt. Die Funktion der Nockenfedern besteht darin, den Nocken 70 in einem ständigen Kontakt mit der Bohrlochwand 150 zu halten. Die zentralisierende Kraft F_C lässt eine Reaktionskraft F_N 156 am Kontaktpunkt zwischen dem Rad 72 und der Wand 150 entstehen. Der Nocken 70 kontaktiert ebenfalls die Wand 150, jedoch an einem anderen Kontaktpunkt. Wie in 5A erläutert ist, entsteht dieser Kontaktpunkt stets in einem Winkel α zur Richtung der Normalen. Die Kraft an dem Punkt, an dem der Nocken 70 die Wand kontaktiert, ist mit F_RS 158 bezeichnet. Es sei angemerkt, dass diese Kraft viel kleiner ist als F_C 152, da die durch die Nockenfeder ausgeübte Kraft F_S viel schwächer ist als die durch die Zentralisierungsvorrichtung ausgeübte Kraft F_C. Somit trägt in diesem Fall das Rad 72 den Hauptteil der radialen Last.
Nun sei das Ausüben einer nach rechts weisenden axialen Kraft F_R 160 auf die Achse 74 betrachtet. Dieser Fall ist in 6C gezeigt. Die axiale Kraft erzeugt eine Tendenz des gesamten Systems, sich nach rechts zu bewegen, und lässt an beiden Kontaktpunkten an dem Rad 72 und dem Nocken 70 Reibungskräfte entstehen. Unter dem Einfluss der axialen Kraft F_R 160 beginnt das Rad 72 an der Bohrlochwand 150 zu rollen, wie durch den Pfeil 164 angegeben ist. Da Rollkontakte durch sehr kleine Reibungskoeffizienten gekennzeichnet sind, ist der Reibungswiderstand infolge der Wechselwirkung zwischen dem Rad und der Bohrlochwand vernachlässigbar. Aus diesem Grund ist er in 7C nicht gezeigt. Der andere Kontaktpunkt entsteht zwischen dem Nocken 70 und der Bohrlochwand 150. Er ist durch Gleitreibung gekennzeichnet und besitzt folglich einen viel größeren Reibungskoeffizienten. Dieser Kontakt erzeugt dennoch keinen großen Reibungswiderstand. Der Grund dafür ist; dass die Reibungskraft F_FR 162 danach strebt, den Nocken im Uhrzeigersinn und somit außer Kontakt mit der Bohrlochwand 150 zu drehen. Somit wirken die Federkraft F_S 154 und die Reibungskraft F_FR 162 einander entgegen, was zu einem minimalen Reibungswiderstand führt. Ein weiterer Grund für die kleine Größe von F_FR ist, dass die radiale Kraft F_S, die sie erzeugt, ziemlich klein ist. Zusammengefasst erzeugt die Bewegung des Nocken/Räder-Systems nach rechts eine sehr geringe Reibungswechselwirkung zwischen der Spitze des Gelenkmechanismus 62 (4) und der Bohrlochwand 150. Dies führt praktisch zu einem freien Rollen des Greifers in Bezug auf die Bohrlochwand 150, wenn er nach rechts geschoben wird. Es sei außerdem angemerkt, dass die Achse 74 während dieser Rollbewegung in einem im Wesentlichen konstanten Abstand von der Bohrlochwand bleibt.
Das Ausüben einer axialen Kraft F_P 166 in der entgegengesetzten (nach links weisenden) Richtung ist in 6A gezeigt. Wenn sich die Bewegungsrichtung ändert, entstehen Reibungskräfte an allen Kontaktpunkten. Die Reibungskraft, die in 6C danach strebt, den Nocken 70 im Uhrzeigersinn und folglich von der Wand 150 weg zu drehen, zwingt nun den Nocken 70, sich entgegen dem Uhrzeigersinn zu drehen, wie durch den Pfeil 172 angegeben ist. Die Geometrie des Nocken 70 ist derart (5), dass dann, wenn er sich um seine Achse dreht, sein Kontaktradius (der als Abstand zwischen dem Kontaktpunkt und der Achse der Nockenachse definiert ist) entweder zunimmt oder abnimmt. In diesem Fall nimmt er zu. Somit wird der Nocken 70, wenn er sich dreht, infolge der Reibungskraft F_FP 176 im Kontaktpunkt an der Bohrlochwand 150 verkeilt. Außerdem wird sein Kontaktradius größer als der Radius der Räder 72, wobei die Räder 72 außer Kontakt mit der Bohrlochwand gelangen. Es sei angemerkt, dass dieser Vorgang auch erfordert, dass sich die Achse 74 von der Bohrlochwand weg bewegt, wie durch die mit Δh 170 bezeichnete Abstandsänderung angegeben ist. Diese Abstandsänderung beinhaltet gewöhnlich eine Zunahme der Größe der radialen Kraft. In 6A ist dies durch die Addition der Kraft F_L zu der vorhandenen Zentralisierungskraft F_C 168 gezeigt. Nach dem Abheben der Räder von der Wandoberfläche wird die gesamte radiale Last durch den Nocken 70 getragen. Dies führt wiederum zu höheren normalen Kontaktkräften und folglich zu einer höheren Reibung. Höhere Reibungskräfte verkeilen den Nocken härter an der Wand, was zu noch höheren Reibungskräften führt und so weiter. Dies ist ein selbsttätiger Prozess, der zu einer extrem hohen radialen Kontaktkraft führen kann. Die gilt vor allem dann, wenn durch irgendeine mechanische Verriegelungsvorrichtung (nicht gezeigt) verhindert wird, dass sich die Achse 74 von der Bohrlochwand weg bewegt. Im letzten Fall hört das Rollen des Nockens 70 in Bezug auf die Bohrlochwand auf, wobei die einzige Möglichkeit für eine Relativbewegung zwischen dem Nocken und der Bohrlochwand über Gleitreibung besteht. Ein mittlerer Reibungskoeffizient in dem Kontaktpunkt zwischen dem Nocken 70 und der Bohrlochwand 150, kombiniert mit der sehr großen Kraft F_N 174, kann eine Reibungskraft F_FP 176 erzeugen, die groß genug ist, um jegliches relatives Gleiten zwischen dem Nocken 70 und der Bohrlochwand 150 zu verhindern. In diesem Fall ergreift der Greifer (20 in 1) die Bohrlochwand und wird an Ort und Stelle verankert.
Die 7A bis 7H zeigen die Umkehr des Nockens 70, die dann eine Richtungsänderung des Traktorvorgangs ermöglicht. Der Nockenumkehrprozess gleicht dem Prozess des Ergreifens der Ummantelung, der in Gegenüberstellung mit 6A erläutert worden ist. Jedoch ist die vertikale Verlagerung der Achse 74 in diesem Fall nicht beschränkt. In der in 7A gezeigten Position des Nocken/Rad-Systems kann sich das System frei nach links bewegen und, falls erzwungen, in einen Eingriff nach rechts gelangen. Der Nockenumkehrprozess folgt in seinem Anfangsstadium den in 6A erläuterten Ereignissen. Auf die Nockenachse 74 wird eine axiale Kraft F_R 160 ausgeübt. Durch die Neigung des Nockens 70 in Bezug auf die Bohrlochwand 150 zu gleiten, wird dann eine Reaktions-Reibungskraft μF_RS 162 erzeugt. Die Kräfte F_R und μF_RS drehen den Nocken 70 in der durch den Pfeil 164 angegebenen Richtung. Die Drehung des Nockens 70 im Uhrzeigersinn versucht, den Kontaktradius des Nockens zu vergrößern, was die Achse 74 nach oben schiebt. Da der Räderradius kleiner als der Kontaktradius des Nockens 70 ist, gelangen die Räder 72 außer Kontakt mit der Bohrlochwand. Diese Ereignisse sind in 7B gezeigt, wobei die axiale Kraft auf die Achse 74 mit F_P 166 bezeichnet ist. Dies gibt die Zunahme der axialen Kraft an, die erforderlich ist, um die Achse 74 nach oben zu schieben und den Nocken in eine solche Richtung zu rollen, dass sein Kontaktradius zunimmt. Die nächste Phase der Drehung des Nockens ist in 7C gezeigt. Diese Figur ist das Spiegelbild von 6A. Wie mit Bezug auf 6A erläutert worden ist, hält die Drehung des Nockens 70 an, wobei der Nocken die Ummantelung ergreift, wenn die Achse 74 radial an Ort und Stelle verriegelt ist. Umgekehrt bleibt in 7C die Achse 74 unverriegelt, wobei sich die Drehung des Nockens 70 fortsetzt. Dieser Prozess führt zu dem in 7D gezeigten Fall. In dieser Position nimmt der Nocken 70 bei seinem größten Kontaktradius Kontakt auf und befindet sich am Wendepunkt, an dem er umklappt bzw. umkehrt. 7E zeigt den Moment genau nach dem Umklappen des Nockens jenseits seines größten Radius. Es sei angemerkt, dass der Wert der axialen Kraft, die wieder durch F_R 160 angegeben ist, stark abgefallen ist. Ab diesem Punkt wirken die Kräfte F_C, F_N und F_R alle so, dass sie die Drehung des Nockens fortsetzen, die aus diesem Grund sehr schnell vor sich geht. In den 7F und 7G sind aufeinander folgende Positionen des Nockens gezeigt. Abschließend gelangt der Nocken in die in 7H gezeigte Position, die genau dieselbe wie die in 6C gezeigte ist. Ab diesem Punkt bewegt sich die Nocken/Rad-Anordnung mit sehr kleinem Widerstand in Bezug auf die Bohrlochwand 150, wie mit Bezug auf 6C erläutert worden ist. Die schließt die Umkehr des Nockens 70 ab. Es sei angemerkt, dass sich das Nocken/Rad-System nun frei nach rechts bewegt und in Eingriff gelangt, wenn der Versuch unternommen wird, es nach links zu bewegen, solange die radiale Position der Achse 74 verriegelt oder fixiert ist. Dies ist genau das Gegenteil von der in 7A gezeigten Position. Somit besitzt die Umkehr des Nockens 70 die Auswirkung, dass die Richtung des Traktorvorgangs geändert wird.
Neben den oben erläuterten Elementen umfasst der Greifer (20 in 1) außerdem eine Vorrichtung zum Öffnen/Schließen des Zentralisierers und eine Verriegelungsvorrichtung. Es gibt eine Anzahl möglicher Ausführungsformen für diese Vorrichtungen einschließlich, jedoch nicht darauf begrenzt, eines vollständig hydraulischen Systems, eines elektromechanischen Systems und Kombinationen dieser Systeme. Die Ausführungsform eines vollständig hydraulischen Systems für die Vorrichtung zum Öffnen/Schließen des Zentralisierers und die Verriegelungsvorrichtung ist in den 8–11 ausführlich gezeigt. Die Ausführungsform eines elektromechanischen Systems ist in 12 schematisch gezeigt.
Der obere Abschnitt der hydraulischen Ausführungsform des Greifers ist in 8A gezeigt. 8B ist eine Fortsetzung von 8A, während 8C eine Fortsetzung von 8B ist. Der Greifkörper 60 ist mit anderen Teilen des Traktorwerkzeugs (in 8 nicht gezeigt) durch Schubstangen 26 an der Oberseite und 28 an der Unterseite verbunden. Wie oben erläutert worden ist, werden die Schubstangen dazu verwendet, den Greifer in dem Schienenabschnitt (18 in 1) hin- und herzubewegen und elektrische und hydraulische Verbindungen herzustellen.
Die in 8 gezeigte Ausführungsform des Greifers kann in mehrere Hauptabschnitte, die von ihrer Funktionalität abhängen, unterteilt werden. Diese Hauptabschnitte sind von oben nach unten eine Antriebsstangenbefestigung 80, ein Hydraulikblock 90 zum Öffnen/Schließen, ein Hochdruckspeicher 100, ein Gelenkmechanismenabschnitt 110, eine Greiferbetätigungsvorrichtung 120, ein Verriegelungshydraulikblock 130 und eine Kompensatorstangenbefestigung 140. Diese Elemente werden weiter unten näher besprochen.
Die am Hin- und Herbewegen des Greifers längs der Schienen beteiligten Kräfte sind gleich der Zugkraft die das Traktorwerkzeug erzeugt, und können groß sein. Daher sollte der Befestigung der Schubstangen 26 und 28 an dem Greifkörper 60 besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Die Antriebsabschnittbefestigung besteht aus einer geteilten Klemme 83 und einer Endkappe 82, die mit Bolzen 84 an dem Greifkörper 60 befestigt ist. Der Durchgang 81 in der Schubstange 26 wird für die Fluidverbindung zwischen dem Greifer und einem (in 8 nicht gezeigten) Spannkolben verwendet, was später erläutert wird. Zum Abhalten äußerer Bohrlochfluide von den Innenvolumen des Werkzeugs werden statische Dichtungen 85 verwendet. Die Erfindung weist außerdem mehrere gleichartige Befüllanschlüsse 86 auf, die zum anfänglichen Befüllen des Werkzeugs mit Öl für Druckmessungen und die Inspektion verwendet werden.
Der Hydraulikblock 90 zum Öffnen/Schließen umfasst einen Hydraulikblockkörper 96, ein Magnetventil 92, Rückschlagventile 98 und eine Kontaktbaugruppe 94. Die Letztere wird verwendet, um dem Magnetventil 92, das durch die in dem Elektronikblock (14 in 1) befindlichen Steuerschaltungen wahlweise geöffnet oder geschlossen werden kann, elektrische Energie zuzuführen. Die Funktion der Rückschlagventile 98 besteht darin, den Fluidfluss in die richtige Kammer des Greifers zu leiten. Eine ausführlichere Beschreibung der Rolle der verschiedenen Hydraulikkomponenten wird später mit Bezug auf 11 gegeben.
Der dritte Hauptabschnitt, der in 8 gezeigt ist, ist der Hochdruck speicher 100. Er befindet sich in der Kammer 108 des Greifkörpers 60. Die Hauptelemente des Hochdruckspeichers sind ein schwimmender Kolben 103 und eine Feder 106. An dem Kolben 103 sind dynamische Hochdruckdichtungen 102 angebracht, die den Hochdruckbereich 101 an der Oberseite des Kolbens von dem Niederdruckbereich 105 an der Unterseite trennen. Außerdem ist in dem Kolben 103 ein Überdruckventil 104 angebracht. Die Rolle des Ventils 104 besteht darin, den Maximaldruck des Hochdruckspeichers 100 festzulegen.
Der nächste Abschnitt des Greifers ist der Gelenkmechanismenabschnitt 110. In der gezeigten Ausführungsform nimmt dieser Abschnitt drei gleiche Gelenkmechanismen 62 (oben in den 3–6 beschrieben) sowie die Zentralisierernabe 64 auf. In anderen Ausführungsformen kann der Gelenkmechanismenabschnitt 110 2, 4, 5 oder 6 Gelenkmechanismen aufweisen. Die Nabe 64 ist mit der Kolbenstange 118 durch einen Bolzen 116 verbunden, der sicherstellt, dass die Bewegung der Kolbenstange 118 auf die Nabe 64 übertragen wird. Weitere Elemente dieses Abschnitts sind die Zusatzräder 112, die sich an Naben 114 drehen. Diese Räder 112 werden verwendet, um das Öffnen der Arme bei Bohrlochgrößen kleinen Durchmessers zu unterstützen. Merkmale des Greifkörpers 60 in diesem Abschnitt umfassen spezielle Ausnehmungen 115 und Schlitze 117, die Raum für die Gelenkmechanismen schaffen, wenn der Greifer vollständig geschlossen ist. Das Zufahren der Gelenkmechanismen 62 in den Greifkörper 60 wird durch Studium von 9, die später besprochen wird, verständlicher. Außerdem sind in 8 innere Durchgänge 107 gezeigt, die für die hydraulische Verbindung sowie für den Durchgang von elektrischen Drähten verwendet werden. Die Hydraulikverbindungen werden in 11 näher besprochen.
Die Funktion der Greiferbetätigungsvorrichtung 120 besteht darin, die Nabe 64 zum Gleiten in Bezug auf den Greifkörper 60 zu zwingen, um dadurch die Gelenkmechanismen 62 in dem Greifkörper 60 zu öffnen oder zu schließen. Eine weitere Funktion der Betätigungsvorrichtung 120 besteht darin, den großen axialen Kräften entgegenzuwirken, die durch die Nocken 70 erzeugt werden können und dann über die Gelenkmechanismen 62 und die Nabe auf die Betätigungsstange 118 übertragen werden. Die Betätigungsvorrichtung 120 ist einem einfachwirkenden Hydraulikzylinder ähnlich. Sie besteht aus einem Kolben 125, der an der Betätigungsstange 118 befestigt ist. Der Kolben 125 gleitet in einer Innenbohrung 128 in dem Greifkörper 60. Der Kolben 125 trennt die Zylinderkammer 128 in einen Niederdruckbereich 124 an der Oberseite des Kolbens 125 und einen Hochdruckbereich 127 an der Unterseite. Dynamische Hochdruckdichtungen 126 verhindern eine Fluidverbindung zwischen dem Niederdruckbereich 124 und dem Hochdruckbereich 127. Außerdem dichten dynamische Dichtungen 122, die in einer Dichtungskassette 121 angebracht sind, um die Oberfläche der Betätigungsstange 118 ab und verhindern das Eindringen von äußerem Fluid in die Zylinderkammer 128. Wenn der Druck im Bereich 127 den Druck im Bereich 124 übersteigt, wird der Kolben 125 nach oben geschoben. Diese Bewegung wird durch die Betätigungsstange 118 auf die Nabe 64 übertragen, die ihrerseits die Gelenkmechanismen 62 aus dem Greifkörper 60 treibt. Wenn der Druck auf beiden Seiten des Kolbens 125 gleich ist, drückt die Feder 123 den Kolben 125 nach unten, was zum Zufahren der Gelenkmechanismen 62 in den Greifkörper 60 führt.
Der Druck in der Betätigungsvorrichtung 120 wird durch den Verriegelungshydraulikblock 130 gesteuert. Seine Funktion besteht darin, die Durchlassöffnungen, die die Kammer 128 mit dem übrigen Greifer verbinden, zu öffnen oder zu verschließen. Wenn diese Durchlassöffnungen verschlossen sind, ist das Fluidvolumen in der Betätigungsvorrichtung 120 eingeschlossen. Da dieses Fluid (Öl in einer Ausführungsform) praktisch inkompressibel ist, ist die Auswirkung des Eingeschlossenseins des Fluids, die Nabe 64 und somit die Geometrie der Gelenkmechanismen 62 an Ort und Stelle zu verriegeln. Ähnlich wie der oben besprochene Hydraulikblock 90 besteht der Verriegelungshydraulikblock 130 aus einem Körper 132, einem Magnetventil 134 und einer Kontaktbaugruppe 136, die dem Magnetventil elektrische Energie liefert. Die Kontaktbaugruppe ist über den Draht 138, der durch ein Loch 139 in dem Greifkörper 60 verläuft, mit anderen elektrischen Kontakten 141 verbunden.
Der Hauptabschnitt des Greifers ist die kompensatorseitige Schubstangenbefestigung 140, die die Schubstange 28 mit dem Greifkörper 60 verbindet. Diese Befestigung ist der Antriebsstangenbefestigung 80 sehr ähnlich. Sie besteht aus einer Klemme 143 und einer Endkappe 144, die durch Schrauben 145 mit dem Greifkörper 60 verschraubt ist. Die Befestigung 140 weist ebenfalls statische Dichtungen 142 auf, die die Innenvolumen des Greifer vor äußeren Fluiden isolieren. Die kompensatorseitige Schubstangenbefestigung 140 bewirkt außerdem durch einen inneren Kanal 148 eine Ölverbindung mit dem Traktorwerkzeug-Niederdruckkompensator (24 in 1). Der Hauptunterschied zwischen den Stangenbefestigungen 80 und 140 ist das Vorhandensein elektrischer Kontakte 142 bei der Befestigung 140. Diese Kontakte werden verwendet, um den Magnetventilen 92 und 134 Energie zuzuführen. Diese Kontakte sind außerdem durch Drähte 146, die in dem Kanal 148 verlaufen, mit dem Elektronikblock (14 in 1) verbunden.
In 8 sind die Gelenkmechanismen 62 in einer vollständig geöffneten Position gezeigt. Diese entspricht der obersten Position der Nabe 64 und des Kolbens 125. Wie oben erwähnt worden ist, ist einer der Vorteile eines Greifers gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung seine Fähigkeit, einen großen Bereich von Bohrlochgrößen abzudecken. Um dies zu erreichen, können sich die Gelenkmechanismen 62 vollständig in den Greifkörper 60 einklappen. Die Gelenkmechanismen 62 sind außerdem in der Lage, irgendeine Zwischenposition zwischen ihrem vollständig geöffneten und ihrem vollständig geschlossenen Zustand einzunehmen. Dies ist in den 9A und 9B aufgezeigt. 9A zeigt dieselben Elemente des Greifers, die in 7B beschrieben worden sind, wobei sich die Gelenkmechanismen 62 in der vollständig geschlossenen Position befinden. 9B zeigt andererseits die Gelenkmechanismen 62 in einer Zwischenposition. Es sei angemerkt, dass in 9A die Arme 66 vollständig in die Ausnehmungen 115 im Greifkörper zurückgezogen sind. Sogar die Nocken 70 sind hinter den Umriss des Greifkörpers 60 zurückgezogen. Es sei außerdem angemerkt, dass die Nabe 64 mit der Dichtungskassette 121 in Kontakt ist und die Betätigungsstange 118 sich vollständig innerhalb der Zylinderkammer 128 befindet. In 9B ist die Betätigungsstange um die Strecke, die in 9B mit "Hub" bezeichnet ist, nach oben ausgefahren. Dies hat die Gelenkmechanismen 62 aus den Ausnehmungen 115 im Greifkörper 60 heraus und zu ihrem Ausdehnen nach außen in der radialen Richtung gezwungen. Eine Weiterbewegung der Betätigungsstange 118 bewirkt, dass die Gelenkmechanismen 62 noch weiter ausfahren. Dieser Prozess der Ausdehnung nach außen kann sich fortsetzen, bis der Hub der Stange 118 erschöpft ist oder die Feder 123 fest zusammengedrückt ist.
In der Querschnittsansicht von vorn des in 9A gezeigten Greifers ist das Ausmaß der radialen Ausdehnung, die von dem Greifer erreicht werden kann, nur schwer zu erkennen. Dies ist in 10 deutlicher gezeigt. 10A zeigt eine Draufsicht des Greifers in seinem vollständig geöffneten Zustand. 10B andererseits zeigt einen Querschnitt durch die Mitte des Greifers (in 9A mit 10B-10B bezeichnet), wenn er vollständig geschlossen ist. 10A zeigt, dass die radialen Abmessungen des Greifers ein Mehrfaches der Einhüllenden des Greifkörpers 60 erreichen können. 10A zeigt auch eine andere Ansicht der Elemente der Gelenkmechanismen 62, die in den 3 und 4 erläutert worden sind. Es sei außerdem die Dreikeulenform des Greifkörpers 60 hervorgehoben. Diese Form ist erforderlich, weil der Greifer in dem Schienenabschnitt (18 in 1) gleiten muss. Der Raum 149 zwischen den Keulen und dem Kreis 147, der durch die Umrisse des Greifkörpers definiert ist, ist von den Schienen, auf denen der Greifer gleitet, belegt. 10B zeigt außerdem, wie die Nocken 70, die Räder 72, die Achsen 74 und die anderen Elemente, die sich an den Spitzen der Gelenkmechanismen 62 befinden, in dem Greifkörper 60 sitzen. Es sei angemerkt, dass dann, wenn die Gelenkmechanismen vollständig geschlossen sind, sich die Nocken 70 an der Mittellinie des Greifkörpers treffen. Der Querschnitt in 10B zeigt außerdem drei der Öl- und Drahtverbindungsdurchgänge 107, die in dem Greifkörper 60 herausgearbeitet sind.
Das Funktionsprinzip der in den 8–10 gezeigten Ausführungsform der Erfindung ist in den 11A bis 11C erläutert. Diese Figur zeigt eine vereinfachte Darstellung der Ausführungsform der Erfindung, Die Vereinfachung dient der Klarheit beim Erläutern des Funktionsprinzips. In 11 ist nur einer der Gelenkmechanismen 62 gezeigt, da alle Gelenkmechanismen in einer im Wesentlichen gleichen Weise arbeiten. Ähnlich ist nur eine der Schienen des Schienenabschnitts 18 gezeigt. Die 11A bis 11C zeigen außerdem die Hydraulikverbindungen zwischen verschiedenen Abschnitten des Greifers. Die in den 11A bis 11C verwendeten Bezugszeichen sind dieselben wie in den oben erläuterten Figuren.
11A zeigt die Erfindung in ihrem anfänglichen, antriebslosen Zustand. In diesem Zustand sind die Gelenkmechanismen 62 vollständig in den Greifkörper 60 zugefahren. Dieser Zustand entspricht der Querschnittsansicht des in 10B gezeigten Greifers. Wenn sich das Traktorwerkzeug in einem horizontalen Abschnitt eines Bohrlochs befindet und der Greifer geschlossen ist, liegt der Traktorwerkzeugkörper am Boden des Bohrlochs. Es sei angemerkt, dass in 11A beide Magnetventile 92 und 134 nicht gespeist und offen sind. Das Magnetventil 134 ermöglicht eine Hydraulikverbindung zwischen Kammern 101 des Hochdruckspeichers (100 in 8B) und 128 der Greiferbetätigungsvorrichtung (120 in 8B). Das andere Magnetventil 92 und die Rückschlagventile 95, 97, 98 und 99 ermöglichen eine Verbindung zwischen der Kammer 101, der Spannkolbenkammer 180 und, über die Schubstange 28, dem Kompensationsabschnitt des Werkzeugs (22 in 1). Somit besitzen alle Innenvolumen des Greifers denselben Druck, der gleich dem durch den Traktorwerkzeugkompensator (22 in 1) erzeugten Druck ist. In diesem Fall wird der Kolben 102 durch die Feder 106 in seiner obersten Position gehalten, während der Kolben 125 durch die Feder 123 nach unten gedrückt wird. Die Nabe 64 befindet sich ebenfalls ganz unten, während die Betätigungsstange 119 vollständig in den Greifkörper 60 eingefahren ist. Über den Kolben 125, die Betätigungsstange 119 und die Nabe 64 übt die Feder 123 eine Schließkraft auf die Gelenkmechanismen 62 aus und hält sie in den Greifkörper 60 eingefahren. Somit erstrecken sich die Gelenkmechanismen 26 nicht über die Umrisse des Greifkörpers 60 hinaus, was dem in 9A gezeigten Fall entspricht.
11B demonstriert eine Funktion des Greifers, die darin besteht, das Traktorwerkzeug in dem Bohrloch zu zentralisieren. Die Zentralisierung wird durch Herausdrücken der Gelenkmechanismen 62 aus dem Greifkörper in radialer Richtung, bis sie das Werkzeug von der Bohrlochwand abheben und es in der Mitte der Bohrung positionieren, erreicht. Dieser Prozess beginnt mit dem Speisen des Magnetventils 92, das durch den Pfeil 186 angegeben ist, Als Nächstes wird der Greifer (20 in 1) durch den Linearaktorabschnitt (16 in 1) nach oben gezogen. Anfänglich wandert der Spannkolben 42 mit dem Greifer und wird durch eine Spannfeder 182 in seiner obersten Position gehalten. Wenn sich der Greifer nach oben bewegt, kommt der Spannkolben 42 mit dem Ende der Kugelumlaufspindel 36 in Kontakt, was eine weitere Aufwärtsbewegung des Kolbens 42 verhindert. Da sich die Bewegung des Greifers 60 fortsetzt, nimmt das Volumen der Kammer 180 in der Schubstange 26 ab. Der Druck des in dieser Kammer eingeschlossenen Fluids nimmt zu, was durch den Pfeil 192 angegeben ist. Das in dem Greifer verwendete Fluid ist im Wesentlichen inkompressibel (Öl in einer Ausführungsform), weshalb es seinen Weg aus der Kammer erzwingt. Da das Magnetventil 92 geschlossen ist, ist der einzig mögliche Weg für das Fluid, durch das Rückschlagventil 97 in die Kammer 101 zu entweichen. Aus der Kammer 101 bewegt sich das Hochdruckfluid in den Durchgang 123 und durch das Magnetventil 134 in die Kammer 128. Der Hochdruck in der Kammer 101 drückt den Kolben 102 nach unten, wodurch die Feder 106 zusammengedrückt wird. Gleichzeitig schiebt der Druck in der Kammer 128 den Kolben 125 nach oben. Der auf den Kolben 125 ausgeübte Druck erzeugt die axiale Kraft 190, die in der Figur mit F_A bezeichnet ist. Die Letztere wird durch Gelenkmechanismen 62 übertragen, wodurch die radiale Zentralisierungskraft 152, die in den 6A, 6B, 6C, 7A bis 7H, 11A, 11B und 11C mit F_C bezeichnet ist, erzeugt wird. Wenn der Druck in der Kammer 180 zunimmt, wird die Zentralisierungskraft F_C groß genug, um das Gewicht des Werkzeugs zu überwinden und das Werkzeug von der Bohrlochwand abzuheben. Dankt der Radialsymmetrie der Gelenkmechanismen 62 (siehe 2) und dank der Tatsache, dass sie alle an derselben Nabe 64 befestigt sind, bewegt sich der Werkzeugkörper zur Mitte des Bohrlochs. Wenn das Werkzeug in der Mitte des Bohrlochs positioniert ist, hält das Pumpen von Fluid durch die Stange 26 an. In diesem Zustand ist der Greifer 20 bereit, seine Funktion als Werkzeugzentralisierer auszuüben. Es sei angemerkt, dass, obwohl der Greifer 20 radiale Kräfte ausübt, die das Werkzeug zentralisieren, die Geometrie der Gelenkmechanismen nicht verriegelt ist. Dies ist in 11C aufgezeigt. Wenn das Werkzeug durch die Kraft F_R 160 durch eine Verengung gezogen wird, müssen sich die Gelenkmechanismen 62 radial zusammenziehen. Dies erfordert, dass sich die Nabe 64, die Betätigungsstange 118 und der Kolben 125 nach unten bewegen. Dies verkleinert das Volumen der Kammer 128, weshalb Fluid aus ihr heraus fließen muss. Dies ist möglich, weil das Magnetventil 134 noch offen ist. Durch den Durchgang 129 bewegt sich das zusätzliche Fluid in die Kammer 101 und drückt den Kolben 102 nach unten. Somit sind die Flexibilität des Zentralisierers und die Fähigkeit der Erfindung, sich auf Änderungen der Bohrlochgröße einzustellen, durch den Hochdruckspeicher (100 in 8) gewährleistet. Die soeben beschriebenen Prozesse kehren sich um, wenn sich der Greifer aus einem kleineren in ein größeres Bohrloch bewegt. In diesem Fall fließt Fluid von dem Hochdruckspeicher (Kammer 101) in die Greiferbetätigungsvorrichtungskammer 128. Unter allen diesen Umständen übt der Greifer weiterhin radiale Zentralisierungskräfte auf die Bohrlochwand aus.
Die Greiffunktion des Greifers 20 ist in 11D gezeigt. In diesem Fall übt die Antriebsstange eine Zugkraft F_P 166 in der Aufwärtsrichtung aus, die zur Richtung von F_R 160 in 11C entgegengesetzt ist. Das Magnetventil 134 wird nun gespeist und geschlossen, was durch den Pfeil 194 angegeben ist. Durch das Schließen des Magnetventils 134 ist der einzige Durchgang aus der Kammer 128 heraus blockiert, womit das Fluid innerhalb der Kammer 128 eingeschlossen ist. Infolge der Kraft F_P 166 entsteht das Bestreben des Greifers 20, sich nach oben zu bewegen. Dies erzeugt eine Reibungskraft an der Grenzfläche zwischen dem Nocken 70 und der Bohrlochwand 150, die versucht, den Nocken 70 in der Weise zu drehen, dass sich der Abstand zwischen der Wand 150 und der Achse 74 vergrößert. Dieser Prozess ist derselbe wie der in 6A beschriebene. Das Bestreben der Achse 74, sich nach rechts zu bewegen, erfordert, dass sich die Nabe 64 nach unten bewegt. Jedoch wird die Bewegung der Nabe 74 und folglich des Kolbens 125 nach unten durch das in der Kammer 128 eingeschlossene Fluid verhindert. Dies hält die Geometrie des Gelenkmechanismus 62 starr und verhindert eine Weiterbewegung der Achse 74. Wie in 6A erläutert worden ist, sind dies die Bedingungen, die dazu führen, dass der Nocken 70 die Bohrlochwand 150 ergreift und an Ort und Stelle verankert wird. Da die Nocken 70 und daher der Greifer 20 sich in Bezug auf die Bohrlochwand nicht bewegen können, wird das gesamte Werkzeug in Bezug auf den verankerten Greifer durch die Kraft F_P 166 gezogen. Der verankerte Greifer 20 und das Ziehen des gesamten Werkzeugs in Bezug auf den Greifer 20 sind die charakteristischen Ereignisse des Arbeitshubs des Werkzeugs.
Abschließend beschreibt 11E das Schließen der Gelenkmechanismen 62 zurück in den Greifkörper 60, wenn die Energie für die Magnetventile 92 und 134 unterbrochen wird. In diesem Fall werden beide Magnetventile geöffnet, so dass Fluid frei durch sie hindurch strömen kann. Die Feder 123 drückt den Kolben 125 nach unten, was zum Zufahren der Gelenkmechanismen 62 in den Greifkörper 60 führt. Das Fluid strömt aus der Kammer 128 durch das Magnetventil 134 und danach durch den Durchgang 129 in die Kammer 101. In 11C konnte das Fluid nicht aus der Kammer 101 entweichen, weil das Magnetventil 92 geschlossen war. Nun ist das Magnetventil 92 offen, wobei das Fluid aus der Kammer 101 durch die Feder 106 hindurchgedrückt wird. Als Nächstes bewegt sich das Fluid durch die Rückschlagventile 98 und 99 in die Spannkolbenkammer 180 und durch den Durchgang 107 und die Stange 28 in den Kompensator (22 in 1). Am Ende dieses Prozesses kehrt der Greifer in die in 11A gezeigte Position zurück.
Wie oben angegeben worden ist, ist die in den 8–11 beschriebene hydraulische Ausführungsform nur eine mögliche Konstruktion der Zentralisierungs- und Verriegelungsvorrichtungen. Eine andere Ausführungsform verwendet elektromechanische Vorrichtungen, wie in den 12A bis 12C schematisch gezeigt ist. Eines der Hauptelemente der elektromechanischen Zentralisierungs- und Verriegelungsvorrichtungen ist eine Kugelumlaufspindel 200, die durch Lager 202 und 218 in dem Greifkörper 60 unterstützt ist. Die Kugelumlaufspindel 200 wird durch einen Elektromotor 222 angetrieben. Eine erste Kugelmutter 210 und eine zweite Kugelmutter 214 wandern auf der Kugelumlaufspindel 200. Die erste Kugelmutter 210 wandert mit der Nabe 64. Die erste Kugelmutter 210 kann sich in Bezug auf die Nabe in Lagern 208 drehen. Die zweite Kugelmutter 214 ist an der Transportvorrichtung 216 befestigt, was eine Drehung verhindert, jedoch eine axiale Verlagerung in Bezug auf den Greifkörper 60 zulässt. Weitere wichtige Elemente sind elektromechanische Bremsen 206 und 220 und Federn 204 und 212. Die Bremse 206 verriegelt wahlweise die Kugelmutter 210 in Bezug auf die Nabe 64. Die Bremse 220 verriegelt die Kugelumlaufspindel 200 in Bezug auf den Greifkörper 60. Die Feder 204 ist die schließende Feder, wobei ihre Wirkung jener der Feder 123 in 8 gleicht. Die Feder 212 verschafft die für die Zentralisierungsfunktion der Erfindung erforderliche Flexibilität und ist zur Feder 106 in 8 gleichwertig.
12A zeigt den Greifer 20 in seinem antriebslosen Zustand. Der Greifkörper 60 befindet sich in einem Kontakt mit der Bohrlochwand 150. Sowohl die Nabe 64 als auch die Kugelmutter 214 werden durch die Federn 204 und 212 ganz nach unten gedrückt. 12A ist funktional dieselbe wie 11A. 12B zeigt den Zentralisierungsvorgang des Greifers 20. Der Zentralisierungsvorgang beginnt mit dem Speisen des Motors 222, der die Kugelumlaufspindel 200 dreht. Die Kugelmutter 214 wird gezwungen, nach oben zu wandern, bis die die mit "Öffnungshub" 224 in 12 bezeichnete Position erreicht. An diesem Punkt wird der Motor 222 abgeschaltet und die Bremse 220 betätigt. Die Bremse 220 verhindert, dass sich die Kugelumlaufspindel 200 dreht, und hält folglich die Kugelmutter 214 in einer festen Position. Diese Tätigkeit ist zur Tätigkeit des Spannkolbens in 11B gleichwertig. Ähnlich übt die Bremse 220 dieselbe Funktion wie das Magnetventil 94 in 11B aus. Die 12B und 12C zeigen die Fähigkeit der Erfindung auf, sich Änderungen des Bohrlochdurchmessers anzupassen. Dies ist durch die Wirkung der Feder 212 möglich, die entweder die Nabe 64 nach oben schiebt, um die Gelenkmechanismen 64 weiter nach außen zu zwingen, oder den Zusatzhub aufnimmt, wenn der Greifer durch Verengungen geht. In 12 ist dies durch den Unterschied der Verlagerungen ΔS, die mit den Bezugszeichen 226 und 228 bezeichnet sind, gezeigt.
Die andere Hauptfunktion des Greifers, die Fähigkeit die Bohrlochwand zu ergreifen, wird durch die Gelenkmechanismen 62 und durch die Fähigkeit des Greifers, die Position der Nabe 64 in Bezug auf den Greifkörper 60 zu verriegeln, erfüllt; das Verriegeln wird durch die Bremse 206 erreicht. Die Bremse 206 verhindert, wenn sie betätigt wird, die Drehung der Kugelmutter 210 in Bezug auf die Kugelumlaufspindel 200. Da sich die Kugelumlaufspindel 200 infolge der Wirkung der Bremse 220 nicht drehen kann, ist das Verhindern der Drehung der Kugelmutter 210 in Bezug auf die Kugelumlaufspindel 200 zum Verriegeln der Position der Nabe 64 gleichwertig. Nachdem die Geometrie verriegelt ist, ist die Greifwirkung der Nocken dieselbe wie die in den 6A, 6B und 6C beschriebene.
Nachdem die Zentralisierungs- und Verriegelungsfunktionen eines erfindungsgemäßen Greifers erläutert worden sind, kann nun die Traktortätigkeit des gesamten Werkzeugs, wovon der Greifer ein wesentlicher Teil ist, erläutert werden. Wie in den 11A und 12A erläutert worden ist, sind die Arme und die Nocken des Greifers, wenn das Traktorwerkzeug nicht betrieben wird, in den Greifkörper zurückgezogen. Wenn das Werkzeug zunächst mit Energie versorgt wird, wird die Zentralisierungsfunktion des Greifer aktiviert. Die Greifarme fahren von dem Greifkörper aus und positionieren das Werkzeug in der Mitte des Bohrlochs. In diesem Stadium besitzt der Greifer die Flexibilität eines herkömmlichen Zentralisierers mit vorbelastetem Arm. Die Gelenkmechanismen öffnen oder schließen sich, um jeder Veränderung der Bohrlochgröße zu folgen.
Um den Traktorvorgang zu beginnen, wird der lineare Aktor (16 in 1) aktiviert. Es startet das Hin- und Herbewegen des Greifers in Bezug auf den Sondenkörper. Wenn das Werkzeug in der Lochabwärtsrichtung verfahren muss, wird die radiale Position der Gelenkmechanismen 62 während des Abwärtshubs des linearen Aktors unverriegelt gehalten und während des Aufwärtshubs verriegelt. Während des Abwärtshubs orientieren sich die Nocken automatisch selbst (siehe 7) in der Weise, dass sie frei lochabwärts gleiten können und in Eingriff gelangen, falls ein Versuch gemacht wird, sie lochaufwärts zu bewegen. Somit wird der Greifer während des Abwärtshubs von dem linearen Aktor mühelos lochabwärts geschoben. Während des Aufwärtshubs ist die radiale Position der Gelenkmechanismen 62 verriegelt, wobei die Gelenkmechanismen 62, wie in 11D erläutert ist, einen starren Körper bilden, der die Achsen der Nocken an festen radialen Positionen hält. Der Versuch, den Greifer lochaufwärts zu bewegen, erzeugt Reibungskräfte zwischen den Nockenoberflächen und der Bohrlochwand. Diese Kräfte streben danach, die Nocken um ihre Achsen zu drehen. Da die Achsenpositionen fest sind, erzeugt das Bestreben der Nocken sich zu drehen sehr starke radiale Kräfte auf die Achsen. Diesen Kräften wird durch die Zentralisierer-Gelenkmechanismen und durch die Verriegelungsvorrichtung passiv entgegengewirkt. Die großen radialen Kräfte erzeugen eine Reibungswechselwirkung zwischen dem Greifer und der Bohrlochwand, die ausreicht, um den Greifer an Ort und Stelle zu verankern. Somit wird der Greifer während des Aufwärtshubs an der Bohrlochwand verankert, wobei der lineare Aktor das übrige Werkzeug in Bezug auf den Greifer in der Abwärtsrichtung zieht. Am Ende des Aufwärtshubs wird die radiale Position der Gelenkmechanismen 62 entriegelt und gibt der Greifer die Bohrlochwand frei. Der Greifer kann während des zweiten Abwärtshubs weiter lochabwärts bewegt werden. Die Abfolge der Verriegelung der radialen Position der Gelenkmechanismen 62 während des Aufwärtshubs und deren Entriegelung während des Abwärtshubs wird wiederholt, was zu einer "raupenartigen" Abwärtsbewegung des Traktorwerkzeugs führt. Mit den zwei linearen Aktoren der zwei Sonden, die sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen, ist es möglich, die Raupenbewegung jeder einzelnen Sonde in eine stetige Bewegung des gesamten Werkzeugs umzusetzen.
Um die Bewegungsrichtung des Traktors von lochabwärts zu lochaufwärts umzukehren, ist es lediglich erforderlich, die Verriegelungsabfolge der Greifer-Magnetventile in der hydraulischen Ausführungsform zu ändern. Wenn der Greifer während des Aufwärtshubs entriegelt wird und während des Abwärtshubs verriegelt wird, wandert das gesamte Werkzeug lochaufwärts. Es ist anzumerken, dass sich die Nocken während des ersten Aufwärtshubs automatisch so umorientieren, dass sie den in den 7A bis 7H gezeigten Ereignissen folgend in der richtigen Richtung in Eingriff gelangen.
Das Verfahren des Traktors wird durch eine "Ratschenwirkung" des Traktors erreicht. Beim Bewegen in der Abwärtsrichtung gibt es zwei "Hübe", die kombiniert werden, um die Bewegung hervorzurufen. Beim Abwärtshub ist der Greifer entriegelt, wobei er sich lochabwärts bewegt, während die übrige Vorrichtung stationär ist. Beim Aufwärtshub ist der Greifer verriegelt und stationär relativ zum Bohrloch, während die restliche Vorrichtung lochabwärts gezogen wird, wobei der Greifer als Anker an der Bohrlochwand dient. Beim Bewegen in Aufwärtsrichtung werden dieselben zwei Hübe kombiniert, um die Bewegung hervorzurufen. Beim Abwärtshub ist der Greifer verriegelt und an der Bohrloch wand verankert, während sich die übrige Vorrichtung lochaufwärts bewegt. Beim Aufwärtshub ist der Greifer entriegelt, wobei er sich lochaufwärts bewegt, während die übrige Vorrichtung stationär bleibt. In einer ersten Ausführungsform gibt es zwei Greifer, die gleichzeitig in entgegengesetzten Zyklen arbeiten, wodurch es möglich wird, einen Greifer stets an der Wand zu verankern, während sich der andere Greifer bewegt, wodurch eine simulierte stetige Bewegung der Vorrichtung möglich wird. In einer zweiten Ausführungsform sind ein Greifer, der sich bewegt, und daneben ein stationärer Greifer vorgesehen. In dieser Ausführungsform ist dann, wenn der bewegliche Greifer freigegeben ist und er sich bewegt, der stationäre Greifer in Eingriff, um die Vorrichtung relativ zur Wand des Bohrlochs stationär zu halten. Wenn der bewegliche Greifer das obere Ende seines Hubs erreicht, wird er an dem Bohrloch verankert, während der stationäre Greifer freigegeben wird, damit die Vorrichtung lochaufwärts oder lochabwärts gezogen werden kann, während der Greifer stationär bleibt. Dies bewirkt eine "raupenförmige" Bewegung.
Wenn das Verfahren des Traktors nicht mehr benötigt wird, können die Gelenkmechanismen durch die Schließvorrichtung in den Greifkörper zugefahren werden.

Claims

Vorrichtung zum wahlweisen Ergreifen und Freigeben der Innenwand einer Rohrleitung, wobei die Vorrichtung wenigstens einen ersten Arm (66), der an einem Werkzeugkörper (60) schwenkbar befestigt ist, und eine Ausfahr- und Verriegelungsvorrichtung umfasst, wobei die Vorrichtung gekennzeichnet ist durch wenigstens einen doppelseitigen Greifnocken, der die Innenwand (150) der Rohrleitung sowohl in Bohrlochabwärts- als auch in Bohrlochaufwärtsrichtung ergreifen kann und der an dem wenigstens einen ersten Arm drehbar befestigt ist, wobei die Ausfahr- und Verriegelungsvorrichtung so beschaffen ist, dass sie den wenigstens einen Arm von dem Werkzeuggehäuse wahlweise radial ausfahren kann, um den wenigstens einen doppelseitigen Greifnocken (70) mit der Innenwand (150) der Rohrleitung in Kontakt zu bringen und um den wenigstens einen Arm in der ausgefahrenen Position wahlweise zu verriegeln.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner wenigstens ein Rad (72) aufweist, das an dem wenigstens einen ersten Arm (66) drehbar befestigt ist und sich in der Nähe des wenigstens einen Greifnockens (70) befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner eine Vorbelastungsvorrichtung umfasst, die sich in der Nähe des wenigstens einen ersten Arms (66) und des wenigstens einen doppelseitigen Greifnockens (70) befindet und so beschaffen ist, dass sie den wenigstens einen Nocken seitlich zu der Innenwand (150) der Rohrleitung drängt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der wenigstens eine doppelseitige Greifnocken (70) einen konstanten Kontaktwinkel besitzt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner wenigstens einen zweiten Arm (67) umfasst, der ein erstes Ende und ein zweites Ende besitzt, wobei der wenigstens eine erste Arm (66) ein erstes und ein zweites Ende besitzt und wobei das zweite Ende des wenigstens einen ersten Arms an dem zweiten Ende des wenigstens einen zweiten Arms schwenkbar befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der der wenigstens eine Nocken (70) an dem zweiten Ende des wenigstens einen ersten Arms (66) und an dem zweiten Ende des wenigstens einen zweiten Arms (67) drehbar befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der das erste Ende des wenigstens einen ersten Arms (66) an einem Greifkörper (60) schwenkbar befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der das erste Ende des wenigstens einen zweiten Arms (67) an einer Nabe (64), die so beschaffen ist, dass sie relativ zu dem Greifkörper (60) gleitet, schwenkbar befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Ausfahr- und Verriegelungsvorrichtung so beschaffen ist, dass sie wahlweise ein Gleiten der Nabe (64) bewirkt, um die Arme (66, 67) von dem Greifkörper (60) radial auszufahren, und die Nabe wahlweise verriegelt, so dass die Arme in einer ausgefahrenen Position verriegelt bleiben.
Vorrichtung nach Anspruch 9, die ferner wenigstens ein Rad (72) umfasst, das am zweiten Ende des wenigstens einen ersten Arms (66) und/oder am zweiten Ende des wenigstens einen zweiten Arms (67) drehbar befestigt ist, wobei sich jedes Rad in der Nähe eines der Greifnocken (70) befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 10, die ferner eine Vorbelastungsvorrichtung umfasst, die sich in der Nähe des wenigstens einen doppelseitigen Greifnockens (70) befindet und so beschaffen ist, dass sie den Nocken seitlich weg von dem Greifkörper (60) drängt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der der Ausfahr- und Verriegelungsmechanismus eine Betätigungsstange (118) mit einem ersten Ende und mit einem zweiten Ende und einen Kolben (125) umfasst, wobei das erste Ende der Betätigungsstange an der Nabe (64) befestigt ist und das zweite Ende der Betätigungsstange an dem Kolben befestigt ist und wobei der Kolben so beschaffen ist, dass er die Betätigungsstange bewegt.
Vorrichtung nach Anspruch 12, die ferner eine Feder (123) mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende umfasst, wobei das erste Ende der Feder mit dem Greifkörper (60) funktional gekoppelt ist und das zweite Ende der Feder mit dem Kolben (125) funktional gekoppelt ist, wobei die Feder so beschaffen ist, dass sie auf den Kolben eine Kraft in einer Richtung ausübt, die so gewählt ist, dass die Arme (66, 67) radial einwärts zu dem Greifkörper gedrängt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 13, die ferner eine Zylinderkammer (128) umfasst, die den Kolben (125) und die Feder (123) umschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Ausfahr- und Verriegelungsvorrichtung so beschaffen ist, dass sie die Arme (66, 67) bei Ausfall der elektrischen Leistung automatisch in eine geschlossene Position vorbelastet.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Ausfahr- und Verriegelungsvorrichtung eine Kugelumlaufspindel (200) und eine Kugelmutter (214), die mit einem Elektromotor (222) funktional gekoppelt sind, umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der die Ausfahr- und Verriegelungsvorrichtung eine Bremse (220), die mit der Kugelumlaufspindel (200) funktional gekoppelt ist, umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Ausfahr- und Verriegelungsvorrichtung eine Quelle (100) für Hochdruckfluid und wenigstens einen Kolben (102 oder 125) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 18, bei der die Ausfahr- und Verriegelungsvorrichtung so beschaffen ist, dass sie durch wahlweises Schließen der Hydraulikverbindung mit Zylinderkammern, die jeden Kolben umschließen, verriegelt.
Verfahren zum Befördern eines Werkzeugkörpers (60) durch eine Rohrleitung, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren umfasst: (a) Bewegen eines doppelseitigen Greifnockens (70), der die Innenwand (150) der Rohrleitung sowohl in Bohrlochabwärts- als auch in Bohrlochaufwärtsrichtung ergreifen kann, in einen Kontakt mit der Wand; (b) seitliches Verriegeln einer Position des Nockens; und (c) Bewegen des Werkzeugkörpers in axialer Richtung in Bezug auf den Nocken in einer ersten Richtung.
Verfahren nach Anspruch 19, das ferner umfasst: (d) Freigeben der seitlichen Position des Nockens (70); (e) Bewegen des Nockens in axialer Richtung längs der Innenwand (150) der Rohrleitung, um die Orientierung des Nockens umzukehren; und (f) erneutes Verriegeln der seitlichen Position des Nockens und Bewegen des Werkzeugkörpers in einer zweiten Richtung.
Verfahren nach Anspruch 19, das ferner umfasst: (d) Verriegeln der axialen Position des Werkzeugkörpers (60); (e) Freigeben der seitlichen Position des Nockens (70); und (f) Bewegen des Nockens in axialer Richtung in Bezug auf den Werkzeugkörper in der ersten Richtung.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem die Schritte (a) bis (f) solange wiederholt werden, bis der Werkzeugkörper einen vorgegebenen Ort erreicht hat.
Verfahren nach Anspruch 19, das ferner umfasst: (d) Bewegen eines zweiten doppelseitigen Greifnockens in axialer Richtung in Bezug auf den Werkzeugkörper und des ersten Nockens in der ersten Richtung; (e) Bewegen des zweiten doppelseitigen Greifnockens in einen Kontakt mit der Innenwand der Rohrleitung; (f) seitliches Verriegeln einer Position des zweiten Nockens; (g) Freigeben der seitlichen Position des ersten Nockens; (h) Bewegen des ersten Nockens in axialer Richtung in Bezug auf den Werkzeugkörper und des zweiten Nockens in der ersten Richtung; und (i) Bewegen des Werkzeugkörpers in axialer Richtung in Bezug auf den zweiten Nocken in einer ersten Richtung.
Verfahren nach Anspruch 23, das ferner das Freigeben der seitlichen Position des zweiten Nockens umfasst, wobei die Schritte (a) bis (i) und das Freigeben der seitlichen Position des zweiten Arms solange wiederholt werden, bis der Werkzeugkörper einen vorgegebenen Ort erreicht hat.