DE69714088T2

DE69714088T2 - Herstellen und aufbrechen von verbindungen zwischen bohrrohrsträngen

Info

Publication number: DE69714088T2
Application number: DE69714088T
Authority: DE
Inventors: Walburgis Bakker; Louis Van Wechem
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 1997-12-24
Filing date: 1997-12-24
Publication date: 2003-03-06
Anticipated expiration: 2017-12-25
Also published as: CA2316357A1; EP1042581B1; US6435280B1; WO1999034089A1; EP1042581A1; ATE220758T1; AU5349798A; JP2002500296A; DK1042581T3; DE69714088D1

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung bezieht sich auf das Herstellen und Lösen von Verbindungen zwischen Rohrabschnitten und einem Rohrstrang, der von einer Bohranlage in ein Bohrloch in der Lithosphäre ragt, beispielsweise beim Bohren oder Auskleiden von Öl- oder Gasbohrlöchern.

STAND DER TECHNIK

Das Bohren nach Öl oder Gas und das Auskleiden des Bohrloches umfaßt typischerweise das Einführen einer großen Anzahl von Rohrabschnitten oder Standrohren, wie Bohrrohrabschnitten und Auskleidungsrohrabschnitten, in das Bohrloch. Die Abschnitte werden jedes Mal an einem in das Bohrloch ragenden Bohrstrang aus Abschnitten befestigt, nachdem sie mit dem Bohrstrang ausgerichtet worden sind. Jeder Abschnitt kann aus einem einteiligen Verbindungsstück oder einer Vielzahl von Verbindungsstücken bestehen, die miteinander verbunden worden sind, bevor sie mit dem Rohrstrang verbunden werden.
Während des Bohrens wird der Rohrstrang typischerweise gedreht, während Schlamm dem Rohrstrang zugeführt wird, um beispielsweise einen Schlammotor eines Bohrstückes am Ende des Rohrstranges anzutreiben. Schlamm kann auch zugeführt werden, um das Einführen des Rohrstranges in das Bohrloch zu erleichtern. Es ist auch bekannt, daß ein Auskleidungsrohrstrang während des Einführens in ein Bohrloch gedreht wird.
Das Kuppeln oder Lösen aufeinanderfolgender Rohrabschnitte erfolgt typischerweise durch Aufschrauben der Rohrabschnitte auf den Rohrstrang oder durch Abschrauben der Rohrabschnitte von dem Rohrstrang. Um die Anzahl der erforderlichen Drehungen zu reduzieren, erhalten die ineinandergreifenden Gewinde der Kupplungen üblicherweise eine im allgemeinen konische Form. Das Drehen jedes anzuschließenden oder zu lösenden Abschnittes erfolgt üblicherweise, nachdem die Drehung des Bohrstranges ge stoppt worden ist. Zangen, wie Wheatherford-Zangen oder sogenannte Iron Roughnecks, werden verwendet, um jeden anzuschließenden Rohrabschnitt zu drehen und das Enddrehmoment oder Anfangsdrehmoment auszuüben, das erforderlich ist, um die Verbindung herzustellen oder zu lösen.
Die Wirksamkeit und Effektivität derartiger Arbeitsvorgänge wird durch die Unterbrechung des Bohr- oder Auskleidungsvorganges wesentlich beeinträchtigt, die erforderlich ist, um den nächsten Abschnitt anzuschließen oder zu lösen. Dies ist von besonderer Bedeutung, weil das Bohren eines Bohrloches typischerweise eine Vielzahl von Umsetz-Vorgängen umfaßt (Herausziehen und Wiedereinführen des Bohrstranges), um das Bohrstück zu inspizieren und/oder zu ersetzen. Jeder Umsetz-Vorgang umfaßt das Lösen und Anschließen von etwa 50 bis 300 Abschnitten. Insbesondere das Stillsetzen der Drehung des Bohrstranges hat verschiedene nachteilige Effekte, wie das Entwinden, wenn der Rohrstrang ein Bohrstrang ist. Nachdem die Drehung des Bohrstranges wiederaufgenommen worden ist, braucht es typischerweise zwischen 10-30 Minuten, bevor ein ausreichend stabiles Betriebsgleichgewicht erreicht wird. Überdies erhöht das Stoppen der Drehung eines Bohrstranges die Gefahr, daß der Bohrstrang in dem Bohrloch steckenbleibt. Somit erhöht die Zeitspanne zwischen dem Stillsetzen des Stranges und dem erneuten Starten des Stranges jene Zeit, die erforderlich ist, um einen Rohrabschnitt zu kuppeln oder zu lösen.
Es ist aus dem US Patent 3 708 020 an Adamson bekannt, einen kleinen Bohrstrang vorzusehen, um die Kerne von geologischen Formationen oder Beton zu gewinnen, während die Rohrstrangverbindungen hergestellt oder gelöst werden. Überdies stört das Aufbringen eines Drehmomentes zum Herstellen oder Lösen der Verbindungen zwischen aufeinanderfolgenden Bohrstranglängen das Betriebsarbeitsgleichgewicht der rotierenden Bohrstrangdrehung, was die Fortschrittsgeschwindigkeit und die Werkzeuglebenszeit des Bohrstückes nachteilig beeinflußt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit zu schaffen, jene Zeit zu reduzieren, die erforderlich ist, um Rohrstrangabschnitte hinzuzufügen oder zu entfernen und die Verbindung zwischen aufeinanderfolgenden Abschnitten des Rohrstranges herzustellen, während das Ausmaß wesentlich reduziert wird, in welchem das Betriebsarbeitsgleichgewicht eines rotierenden Stranges in einem Bohrloch gestört wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dieses Ziel durch ein Verfahren zum Herstellen oder Lösen einer Kupplung zwischen einem Rohrabschnitt und einem Rohrstrang erreicht, der von einer Drehbohranlage in ein Bohrloch in der Lithosphäre ragt, wobei der Rohrabschnitt relativ zum Rohrstrang gedreht wird, indem ein Drehmoment bis zu einem Anschlußdrehmoment oder einem Lösedrehmoment aufgebracht wird, wobei das Ausüben des Drehmomentes ein reaktives Drehmoment entgegengesetzt zur Drehung verursacht, wobei die von einem Motor ausgeübte Drehung auf den Rohrstrang übertragen wird, so daß der Rohrstrang gedreht wird, und wobei das reaktive Drehmoment auf den Rohrstrang entlang eines Weges aufgebracht wird, der einen Bypass zum Motor bildet.
Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Erreichung dieses Zieles ist durch eine Rohrkupplungseinheit gebildet, zum Kuppeln oder Entkuppeln zumindest eines Rohrabschnittes und eines Rohrstranges, der axial von einer Drehbohranlage in ein Bohrloch in der Lithosphäre ragt. Diese Rohrkupplungseinheit ist versehen mit:
- einer Rohrstrang-Angriffsstruktur, die am Rohrstrang angreift;
- einer Rohrabschnitt-Angriffsstruktur zum Angriff an dem Rohrabschnitt, wobei diese Rohrabschnitt-Angriffstruktur koaxial zur Rohrstrang-Angriffsstruktur und relativ zu dieser drehbar ist und in einer Position axial verschieden von der Position der Rohrstrang-Angriffsstruktur;
- einer drehfest angeordneten Tragstruktur, welche die Rohrstrang-Angriffsstruktur drehbar abstützt;
- einem Rohrstrangantrieb mit einem Antriebsmotor, der mit der Rohrstrang-Angriffsstruktur betriebsmäßig und mit der drehfesten Tragstruktur für den Drehantrieb der Rohrstrang-Angriffsstruktur relativ zu der drehfesten Tragstruktur gekuppelt ist; und
- einem Rohrabschnittantrieb für den Drehantrieb der Rohrabschnitt-Angriffsstruktur relativ zur Rohrstrang-Angriffsstruktur mit einem Drehmoment bis zu dem erforderlichen Anschlußdrehmoment oder Lösedrehmoment, wobei der Rohrabschnittantrieb so ausgebildet ist, daß er ein reaktives Drehmoment auf das Drehmoment bis zu dem erforderlichen Anschluß- oder Lösedrehmoment auf die Rohrstrang-Angriffsstruktur entlang eines Übertragungsweges überträgt, der einen Bypass zu dem Motor für den Drehantrieb der Rohrstrang-Angriffsstruktur bildet.
Somit wird das Anschluß- oder Lösedrehmoment auf eine Weise ausgeübt, welche das Ausmaß wesentlich reduziert, in welchem das Betriebsgleichgewicht des im Bohrloch drehenden Rohrstranges gestört ist.
Entsprechend besonderen Ausführungsformen zur Durchführung der Erfindung wird der mit dem Rohrstrang zu kuppelnde Rohrabschnitt allmählich beschleunigt, im wesentlichen auf eine Drehgeschwindigkeit, mit welcher der Rohrstrang rotiert, bevor das Anschluß- oder Lösedrehmoment aufgebracht wird und/oder bevor eine Angriffsstruktur zum Aufbringen des Anschlußdrehmomentes auf den Rohrabschnitt in Eingriff mit dem Rohrabschnitt gebracht worden ist. Auf diese Weise werden Störungen des Be triebsgleichgewichtes des rotierenden Rohrabschnittes weiter reduziert.
Weitere Ziele, Modi, Ausführungsformen und Details der Erfindung gehen aus den nachfolgenden Ansprüchen und der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen hervor.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht einer Hälfte eines Beispieles einer Rohrkupplungseinsheit gemäß der Erfindung;
die Fig. 2 bis 7 sind schematische Seitenansichten, welche die aufeinanderfolgenden Stufen des Verfahrens gemäß der Erfindung darstellen; und
Fig. 8 ist eine unterbrochene Querschnittsansicht eines anderen Ausführungsbeispieles einer Rohrkupplungseinheit gemäß der Erfindung.

BEISPIELE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In den Fig. 2 bis 7 wird ein derzeit am stärksten bevorzugtes Beispiel einer Drehbohranlage zum Bohren in die Lithosphäre gezeigt, und insbesondere zum Bohren und Auskleiden von Öl- und Gasbohrlöchern, wobei schematisch die aufeinanderfolgenden Stufen eines Vorganges dargestellt sind, bei dem ein Rohrabschnitt 1 - in diesem Fall ein einteiliger Rohrabschnitt - an einen Rohrstrang 2 hinzugefügt wird. Weitere Rohrabschnitte 1' und 1" sind in einem Rohrabschnitt-Abgeber 3 neben dem Rohrstrang 2 gespeichert.
Die Bohranlage hat einen Bohrlochkopf 4. Oberhalb des Bohrlochkopfes ist ein unterer Bohrtisch 5 auf Fußstrukturen 6 montiert und vertikal bewegbar zwischen Höhen von etwa 11 und 17 m oberhalb des Bodenniveaus, indem die wirksame Länge der Fußstrukturen 6 verändert wird. Die Fußstrukturen 6 weisen Hydraulikzylinder und gesonderte Führungsmittel auf, wobei die Zylin der und die Führungsmittel bekannte Konstruktionsdetails sind und deshalb nicht gezeigt oder beschrieben werden. Andere bekannte lineare Transmissionssysteme für eine Antriebsbewegung in Richtung des Rohrstranges, wie Seilhubvorrichtungen und Schneckenübertragungssysteme, können ebenfalls verwendet werden. Oberhalb des unteren Bohrtisches 5 ist ein oberer Bohrtisch 7 auf Fußstrukturen 8 montiert, ähnlich den Fußstrukturen 6 des unteren Bohrtisches 5, und ebenfalls vertikal bewegbar, im wesentlichen auf die gleiche Weise zwischen Höhen von etwa 23 und 30 m oberhalb des Bodenniveaus. Natürlich können andere Höhenbereiche, innerhalb welcher die Tische bewegt werden können, entsprechend den Erfordernissen hinsichtlich der Längen der Rohrabschnitte 1 gewählt werden.
Statt Tische vorzusehen, die durch Fußstrukturen (z. B. mit Hydraulik- oder Schneckenantrieben) bewegbar sind, ist es auch möglich, die Hebefunktion auf verschiedene Arten zu erzielen, beispielsweise durch Verwendung eines Seilhubsystems mit einer Führung für die Bohrtische. Die Verwendung von Füßen zum Heben und Absenken der Bohrtische ist jedoch besonders beim Bohren mit geneigter oder sogar horizontaler Orientierung zweckmäßig.
Der untere Bohrtisch 5 trägt eine drehbare Klemme 9, von welcher der Rohrstrang 2 (typischerweise mit einer Masse von zumindest 300.000 bis 500.000 kg bei Maximallänge) lösbar aufgehängt werden kann. Die Klemme 9 ist mit einem Antrieb 10 für den Drehantrieb des Rohrstranges 2 verbunden und kann ein Antriebsdrehmoment von etwa 15.000 bis 25.000 Nm übertragen. Koaxial zur Klemme 9 ist ein Durchgang durch die Klemme 9 und den unteren Bohrtisch 5 vorgesehen, durch welchen sich der Rohrstrang 2 erstreckt, wenn der Bohrtisch in Betrieb ist. Die Ausbildung des Klemmabschnittes der Klemme 9 kann im Prinzip ähnlich jener konventioneller Drehkreuze zur stationären Montage auf einem Bohranlagenboden ausgebildet sein. Der Antrieb 10 für den Drehantrieb der Klemme 9 hat eine Ausbildung, die gleich dem Teil der Antriebsanordnung nach Fig. 1 ist, welcher für den Drehantrieb einer Rohrstrang-Greifstruktur 13 relativ zum Bohrtisch 7 vorgesehen ist.
Der obere Bohrtisch 7 trägt eine Rohrkupplungseinheit 11, von der ein derzeit am meisten bevorzugtes Beispiel im Detail in Fig. 1 gezeigt ist. Die Rohrkupplungseinheit 11 hat eine Rohrabschnitt-Greifstruktur 12 zum Ergreifen des Rohrabschnittes 1. Koaxial mit der Rohrabschnitt-Greifstruktur 12 und in einer Position axial verschieden von der Position der Rohrabschnitt- Greifstruktur 12 ist eine Rohrstrang-Greifstruktur 13 zum Ergreifen des Rohrstranges 2 vorgesehen. Die Ausbildung der Rohrabschnitt-Greifstruktur 12 kann beispielsweise im wesentlichen identisch jener eines Schlüssels einer konventionellen Vorrichtung zum Herstellen und Lösen von Rohrstrangverbindungen sein und ist deshalb weder gezeigt noch beschrieben. Die Rohrstrang- Greifstruktur 13 kann beispielsweise im wesentlichen identisch jener eines bekannten Drehkreuzes oder Elevators mit kraftunterstützter Klemmung sein, um eine ausreichende Traktion zu gewährleisten, selbst wenn der Rohrstrang noch kurz und deshalb leichtgewichtig ist. Vorzugsweise sind beide Greifstrukturen befähigt, ein Anschlußdrehmoment von bis zu 50.000 bis 120.000 Nm auf die erfaßten Rohrabschnitte zu übertragen. Die Rohrabschnitt-Greifstruktur 12 sollte vorzugsweise befähigt sein, Rohrabschnitte gegen Axiallasten von zumindest 2.500 bis 3.000 kg zu halten. Die Rohrstrang-Greifstruktur 13 sollte befähigt sein, das gesamte Gewicht des Rohrstranges zu tragen, der in einem Bohrloch aufgehängt ist, das bis zu 500.000 kg betragen kann, wenn der Rohrstrang seine volle Länge erreicht hat.
Die Rohrstrang-Greifstruktur 13 ist durch eine drehfeste Tragstruktur 14 drehbar abgestützt, wobei Lager 15, 16 zwischen der Rohrstrang-Greifstruktur 13 und der stationären Tragstruktur 14 vorgesehen sind. Die stationäre Tragstruktur 14 ist ihrerseits an dem oberen Bohrtisch 7 montiert.
Zum Drehen der Rohrstrang-Greifstruktur 13 ist ein Rohrstrangantrieb vorgesehen, der einen Antriebsmotor 17 aufweist, welcher mit der Rohrstrang-Greifstruktur 13 und mit der drehfesten Tragstruktur 14 gekuppelt ist. Der Rohrstrangantrieb weist ferner einen gezahnten Ring 18 auf, der an der Rohrstrang- Greifstruktur 13 vorgesehen ist, und ein Getrieberad 19, welches mit dem Ring in Eingriff steht und mit der Antriebswelle 20 des Motors 17 fest verbunden ist. Der Motor 17 ist ein Elektromotor, der an elektrische Energiekabel 21 angeschlossen ist.
Die Rohrabschnitt-Greifstruktur 12 ist relativ zur Rohrstrang- Greifstruktur 13 durch einen Flansch 22 drehbar abgestützt, der einstückig mit der Rohrstrang-Greifstruktur 13 ausgebildet ist und Hebeklinken 23 aufweist, die von dem Flansch 22 nach innen ragen. Für den Drehantrieb der Rohrabschnitt-Greifstruktur 12 relativ zur Rohrstrang-Greifstruktur 13 ist ein Rohrabschnittantrieb vorgesehen, der einen Elektromotor 24, welcher an Energiekabel 25 angeschlossen ist, ein Getrieberad 26, das an einer Antriebswelle 27 des Elektromotors 26 montiert ist, und einen kreisförmigen gezahnten Flansch 28 aufweist. Der Antrieb ist in einem Traggehäuse 29 montiert, das einstückig mit dem Flansch 22 ausgebildet ist und dementsprechend gemeinsam mit der Rohrabschnitt-Greifstruktur 12 drehbar ist.
Für die Energiezufuhr zu dem Elektromotor 24 sind die Energiekabel an stationäre Energiekabel 30 über Gleitkontakte 31, 32 an dem Traggehäuse 29 und an der stationären Tragstruktur 14 angeschlossen, wobei die Kontakte 31, 32 auf kreisförmigen Bahnen zusammenwirken.
Um die Drehung und Axialverlagerung der Rohrabschnitt-Greifstruktur 12 relativ zum Traggehäuse 29 selbst bei hohen Drehmomenten zu erleichtern, sind zylindrische Gleitlager 33 zwischen der Rohrabschnitt-Greifstruktur 12 und dem Traggehäuse 29 vorgesehen. Da relative Axialbewegungen der zylindrischen Lagerflächen entsprechend der Steigung der Kupplungselemente nur dann erforderlich sind, wenn eine relative Drehbewegung auf tritt, braucht im wesentlichen keine zusätzliche Reibung überwunden werden, um die erforderliche Axialbewegung zu erzielen.
Der Motor 24 wird so gewählt, daß er ein Drehmoment bis zu dem erforderlichen Anschlußdrehmoment und im entgegengesetzten Drehsinn bis zu dem erforderlichen Lösedrehmoment erzeugt. Es sei bemerkt, daß beispielsweise Verbindungen mit einer Vierteldrehung verwendet werden, und daß die Drehbarkeit der Rohrabschnitt-Greifstruktur 12 relativ zur Rohrstrang-Greifstruktur 13 auf etwas mehr als eine Vierteldrehung beschränkt werden kann, wenn die Abschnitte mit dem Rohr drehbar ausgerichtet werden können, und um ein wenig mehr als eine halbe Drehung, wenn die Rohrabschnitte in beliebigen Drehpositionen ergriffen werden. Dementsprechend braucht der gezahnte Flansch 28 keinen vollen Kreis um die Rohrabschnitt-Greifstruktur 12 zu bilden.
Der Motor 24 des Rohrabschnittantriebes ist an dem Traggehäuse so fixiert, daß ein Reaktionsdrehmoment auf das Anschluß- oder Lösedrehmoment direkt auf die Rohrstrang-Greifstruktur 13 übertragen wird, wobei der Motor 17 für den Drehantrieb der Rohrstrang-Greifstruktur 13 in einem Bypass umgangen wird. Somit hat das zum Drehen eines proximalen Rohrabschnittes ausgeübte Drehmoment relativ zum Rohrstrang keinen wesentlichen Einfluß auf die Drehgeschwindigkeit des Rohrstranges. Nebeneffekte, die durch Beschleunigungen und Verlangsamungen des Rohrabschnittes verursacht werden, sind relativ klein und können zum Großteil durch eine einfache Geschwindigkeitssteuerung des Motors 17 kompensiert werden. Ein besonderer Vorteil besteht darin, daß der Motor 17 nicht mit relativ großen Anschlußdrehmomenten belastet wird, was seine Lebensdauer erhöht und im allgemeinen die Wahl eines weniger kräftigen Motors gestattet.
Da ein zweiter Motor 24 getrennt von dem ersten Motor 17 für den Drehantrieb der Rohrstrang-Greifstruktur in dem Rohrabschnittantrieb zum Drehen des Rohrabschnittes 1 mit einem Drehmoment bis zum Anschluß- oder Lösedrehmoment vorgesehen ist, wirkt sich der Kupplungsvorgang auf die Drehgeschwindigkeit des Rohrstranges 2 sehr wenig aus.
Da dieser zweite Motor 24 durch eine Tragstruktur 29 abgestützt ist, die mit der Rohrstrang-Greifstruktur 13 verbunden ist und gemeinsam mit dieser dreht, wird eine einfache und wirksame Konstruktion zum Übertragen des reaktiven Drehmomentes auf den Rohrstrang 2 zur Verfügung gestellt.
In Betrieb beginnt das Hinzufügen eines Rohrabschnittes 1 an einen Rohrstrang 2 mit dem Aufnehmen eines Rohrabschnittes 1 aus dem Abgeber 3. Zu diesem Zweck und zum Überführen der Rohrabschnitte 1 von dem Abgeber 3 zum proximalen Ende des Rohrstranges 2, der in ein Bohrloch in der Lithosphäre ragt, und umgekehrt, ist ein Rohraufnehmer 34 vorgesehen (Fig. 2). Dieser Rohraufnehmer 34 umfaßt eine Rohrabschnitt-Angriffsstruktur 35 zum lösbaren Angreifen an den zu überführenden Rohrabschnitten. Zum Führen und Antreiben der Rohrabschnitt-Angriffsstruktur 35 zwischen einer Position nahe dem Abgeber 3 und einer Position und Ausrichtung in Fluchtung mit dem Rohrstrang 2 ist eine Hebeeinheit 36 vorgesehen, die durch vertikale Führungsschienen 37 geführt ist und einen Arm 38 hat, der um die Führung 37 schwenkbar ist. Der Abgeber 3, der Wagen 36 und die Schienen 37 sind nur in Fig. 2 gezeigt, sollen aber bei der Konstruktion nach den Fig. 3 bis 7 ebenfalls vorhanden sein.
Der Rohrabschnitt-Aufnehmer 34 weist ferner einen Antrieb auf, der schematisch durch ein Quadrat 40 angedeutet und mit der Rohrabschnitt-Angriffsstruktur 35 für den Drehantrieb der Rohrabschnitt-Angriffsstruktur 35 verbunden ist. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel hat der Antrieb 40 im wesentlichen die gleiche Ausbildung wie jener eines üblichen Iron Roughneck, der seitlich gegen einen Rohrabschnitt bewegt und mit diesem in Eingriff gebracht werden kann, und umgekehrt. Für den Fachmann ist jedoch klar, daß viele andere Möglichkeiten des Drehantriebes der Rohrabschnitt-Angriffsstruktur 35 des Rohrabschnitt- Aufnehmers 34 möglich sind.
Der Rohrabschnitt-Aufnehmer 34 weist ferner einen Stabilisierungsarm 41 auf, der unter die Rohrabschnitt-Angriffsstruktur 35 ragt und nahe seinem unteren Ende einen Greifer 42 hat. Dieser Arm dient dazu, Pendelbewegungen des Rohrabschnittes 1 entgegenzuwirken, der in der Rohrabschnitt-Angriffsstruktur 35 gehalten ist.
Während der Rohrabschnitt von dem Abgeber 3 zu dem proximalen (in diesem Falle oberen) Ende des Rohrstranges 2 übergeführt wird, wird die Drehung und Axialverlagerung des Rohrstranges 2 fortgesetzt. Anfänglich wird unmittelbar, nachdem ein vorhergehender Rohrabschnitt angeschlossen worden ist, der Rohrstrang durch die rotierende Drehkreuzklemme 9 an dem unteren Bohrtisch 5 angetrieben. Das obere Ende des Rohrstranges 2 wird von einer obersten Führung (nicht gezeigt) geführt, die ebenfalls durch die vertikale Führung 37 geführt ist. Diese Situation ist schematisch in Fig. 2 gezeigt. Hinsichtlich weiterer Details betreffend die oberste Führung wird auf die gleichlaufende PCT- Anmeldung der Anmelderin unter dem Titel "Schlammzirkulation für das Lithosphäre-Bohren" Bezug genommen, welche den gleichen Anmeldetag wie die vorliegende Anmeldung hat.
Unmittelbar bevor der untere Bohrtisch 5 seine unterste Position erreicht hat, wird die Rohrstrang-Greifstruktur 13 in Eingriff mit dem proximalen Ende des Rohrstranges 2 gebracht und übernimmt die Funktion des Antriebes des Rohrstranges 2. Danach wird der untere Bohrtisch 5 in seine obere Übernahmeposition gebracht. Diese Situation ist schematisch in Fig. 3 gezeigt.
Wie Fig. 4 zeigt, werden die Bohrtische 5, 7 allmählich abgesenkt, während der Rohrabschnitt 1 in eine Position in Ausrichtung mit dem Rohrstrang 2 übergeführt wird. Die Drehung des Rohrstranges wird durch den Motor 17 der Rohrkupplungseinheit bewirkt, was vorteilhaft ist, weil das Erfordernis eines oberen Antriebes zum Drehen des Rohrstranges vermieden wird. Das Absenken des Bohrtisches 5 kann auch bis unmittelbar vor dem Er greifen des Rohrstranges 2 durch die Klemme 9 des unteren Bohrtisches 5 verzögert werden.
In Fig. 5 hat der Rohrabschnitt 1 eine Position in Ausrichtung mit dem Rohrstrang 2 erreicht, ist aber von diesem noch entfernt. In dieser Situation wird die Rohrabschnitt-Greifstruktur 12 in eine Position mit Abstand von der Rohrstrang-Greifstruktur 13 angehoben, indem die Klinken 23 unter Verwendung der Antriebseinheiten 43 radial nach innen bewegt werden (Fig. 1). Um auch ein horizontales Bohren zu ermöglichen, sind die Antriebseinheiten doppeltwirkende Antriebseinheiten, d. h. befähigt, Bewegungen der Klinken 23 gegen innere und äußere Lasten zu steuern.
Aus dieser Position wird der Rohrabschnitt 1 abgesenkt, bis sein unteres Kupplungsende in die Rohrabschnitt-Greifstruktur 12 eingeführt ist (Fig. 6). Um eine Beschädigung der Kupplungsenden zu vermeiden, ist die Innenform der Rohrabschnitt- Greifstruktur 12 vorzugsweise derart ausgebildet, daß sie eine Bewegung des Rohrabschnittes unter ein vorbestimmtes Niveau in der Rohrabschnitt-Greifstruktur 12 verhindert. Wenn der Rohrabschnitt 1 seine erwünschte Höhe erreicht hat, wird die Rohrabschnitt-Greifstruktur 12 betätigt, um den Rohrabschnitt 1 zu erfassen, und die Rohrabschnitt-Angriffsstruktur 35 des Rohraufnehmers wird von dem Rohrabschnitt 1 freigegeben. Danach dreht die Kupplungseinheit den Rohrabschnitt 1 relativ zum Rohrstrang 2, um die Verbindung zwischen diesen Teilen herzustellen.
Da der an den Rohrstrang 2 anzuschließende Rohrabschnitt 1 auf im wesentlichen die gleiche Drehgeschwindigkeit beschleunigt worden ist wie die Drehgeschwindigkeit des Rohrstranges 2, bevor der anzuschließende Rohrabschnitt ergriffen oder zumindest das Anschluß- oder Lösedrehmoment aufgebracht wird, wird die Abnutzung der Rohrabschnitt-Greifstruktur 12 wesentlich reduziert. Da der Geschwindigkeitsunterschied, den der zu kuppelnde Rohrabschnitt 1 überwinden muß, relativ klein ist, werden auch Störungen der kontinuierlichen Drehung des Rohrstranges 2 durch die Trägheit des beschleunigten neuen Rohrabschnittes 1 wesentlich reduziert. Derartige kleine Störungen können vermieden werden, wenn sogenannte Weichdrehmoment-Antriebssteuerungen verwendet werden, die in der Praxis bekannt sind.
Sodann wird der Rohrabschnitt-Antriebsmotor 24 betätigt, um den Rohrabschnitt 1 relativ zum Rohrstrang 2 zu drehen, indem ein Drehmoment bis zum voreingestellten Anschlußdrehmoment aufgebracht wird. Vorzugsweise werden Änderungen der Drehgeschwindigkeit des anzuschließenden Rohrabschnittes relativ glatt ausgeführt, um jegliche Störungen des Gleichgewichtes der Rohrstrangdrehung im Bohrloch zu vermeiden, beispielsweise, indem jene Kräfte antizipiert werden, die durch die Beschleunigung oder Abbremsung und die Rotationsträgheit anzuschließenden oder zu lösenden Rohrabschnittes ausgeübt werden. Das Ausüben dieses Drehmomentes erzeugt ein reaktives Drehmoment in entgegengesetzter Drehrichtung. Dieses reaktive Drehmoment wird direkt auf den Rohrstrang 2 übertragen, so daß der Motor 17, welcher den Rohrstrang 2 während des Bohrens oder Auskleidungsvorganges kontinuierlich antreibt, in einem Bypass umgangen und die kontinuierliche Drehung des Rohrstranges 2 nicht wesentlich von dem ausgeübten Anschlußdrehmoment beeinflußt wird.
Während der anzuschließende Rohrabschnitt 1 relativ zum Rohrstrang 2 gedreht wird, werden die Klinken 23, die abgeschrägte Enden haben, allmählich mit einer Geschwindigkeit zurückgezogen, die jener der Steigung der in Eingriff zu bringenden Kupplungsenden entspricht, so daß der Rohrabschnitt allmählich mit einer Geschwindigkeit abgesenkt wird, die ebenfalls der Steigung der in Eingriff zu bringenden Kupplungsenden entspricht, und eine Axialbelastung durch das Gewicht eines Rohrabschnittes auf die Kupplung vermieden wird, bevor diese vervollständigt ist.
Nachdem der Anschluß hergestellt worden ist, wird die Drehkreuzklemme 9 in Eingriff mit dem Rohrstrang 2 gebracht und übernimmt die Funktion des Antriebes und des Tragens des Rohrstranges 2 von der Kupplungseinheit 11. Danach wird der Rohraufnehmer 34 von dem Rohrstrang 2 in Richtung radial zum Rohrstrang 2 wegbewegt. Der obere Bohrtisch 7, welcher die Kupplungseinheit 11 trägt, wird entlang des hinzugefügten Rohrabschnittes 1 nach oben bewegt.
Somit kann nach dem Kuppeln eines Rohrabschnittes 1 an einen Rohrstrang 2 die Rohrkupplungseinheit, mit welcher das Anschlußdrehmoment aufgebracht worden ist, axial gegen das proximale Ende des Rohrstranges 2 bewegt werden, welches um den hinzugefügten Rohrabschnitt 1 verlängert ist, und danach dieses proximale Ende des verlängerten Rohrstranges 2 ergreifen und das reaktive Drehmoment auf den verlängerten Rohrstrang 2 beim Kuppeln eines folgenden Rohrabschnittes 1' an den verlängerten Rohrstrang 2 ausüben.
Dies bietet den Vorteil, daß die Greifstrukturen 12, 13 der Rohrkupplungseinheit 11 um den Rohrstrang 2 herum angeordnet bleiben können. Anderseits vermeidet dies die Notwendigkeit eines Seitengitters, das es gestattet, den Rohrstrang und die Greifstrukturen 12, 13 seitlich in und außer Eingriff zu bewegen, und gestattet es den Greifstrukturen der Rohrstrangeinheit, eine geschlossene Ringstruktur anzunehmen, welche einen Durchgang zur Aufnahme eines zu ergreifenden Rohres vollständig umgibt. Somit können die Konstruktion der Greifstrukturen 12, 13 relativ einfach gehalten und der volle Umfang des Rohrstranges ergriffen werden, vorausgesetzt, daß eine ausreichende Traktion für das Übertragen großer Drehmomente bei relativ niedrigen Normaldrücken vorhanden ist. Der erforderliche Oberflächendruck zur Erzielung der gewünschten Traktion kann ferner dadurch reduziert werden, daß die Greifstrukturen 12, 13 mit großen Backenflächen ausgestattet werden.
Wenn Rohrkupplungseinheit 11 und der Rohraufnehmer 34 sich nach oben bewegen, wird der oberste Rohrabschnitt des Rohrstranges durch den Greifer 42 und die Klinken 23 der Rohrkupp lungseinheit 11 geführt. Sobald die Rohrkupplungseinheit den Kupplungsendteil des Rohrabschnittes erreicht, der einen etwas größeren Durchmesser hat, werden die Klinken 23 elastisch zurückgedrückt.
Es sei bemerkt, daß bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Rohrstrang vertikal orientiert ist, daß der Rohrstrang aber auch geneigt oder sogar horizontal orientiert sein könnte.
In Fig. 8 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel 45 einer Rohrkupplungseinheit dargestellt. Die Rohrkupplungseinheit 45 gemäß diesem Beispiel hat eine Rohrabschnitt-Greifstruktur 46 zum Ergreifen des Rohrabschnittes 1, der relativ zu einem oberen Teil der Rohrstrang-Greifstruktur 47 axial bewegbar und von diesem oberen Teil geführt ist, um an dem Rohrstrang 2 anzugreifen. Die Axialbewegung kann entsprechend der vom Motor 54 erteilten Drehung und der Steigung der Rohrkupplungen ausgeführt werden, so daß die Relativdrehung der Rohrabschitt-Greifstruktur 46 relativ zur Rohrstrang-Greifstruktur 47 im wesentlichen der gleichen Axialverlagerung relativ zum Rohrstrang 2 zugeordnet ist wie zum Rohrabschnitt 1.
Jedes Mal, wenn ein Rohrabschnitt anzuschließen oder zu lösen ist, wird die Rohrabschnitt-Greifstruktur 46 gedreht und dadurch in ihre entsprechende Startposition zurückgeschraubt.
Die Rohrstrang-Greifstruktur 47 ist durch eine drehfeste Tragstruktur 49 drehbar abgestützt.
Zum Drehen der Rohrstrang-Greifstruktur 47 weist der Rohrstrangantrieb einen Antriebsmotor 50 auf, der mit der Rohrstrang-Greifstruktur 47 und mit der drehfesten Tragstruktur 49 gekuppelt ist. Der Rohrstrangantrieb weist ferner einen gezahnten Ring 51 auf, der an der Rohrstrang-Greifstruktur 13 vorgesehen ist, und ein Getrieberad 52, das mit diesem in Eingriff steht und an einer Antriebskette 53 des Rohrstrangantriebes befestigt ist. In der Antriebskette ist eine Ecktransmission 54 vorgesehen, um die vom Motor 50 erteilte Drehung mit der Drehachse des Rohrstranges 2 auszurichten.
Zum Drehantrieb der Rohrabschnitt-Greifstruktur 46 relativ zur Rohrstrang-Greifstruktur 47 weist der Rohrabschnittantrieb einen zweiten Elektromotor 54 und eine Übertragungskette mit einer Ecktransmission 55, einer Antriebswelle 56, einer Verteilungstransmission 57, weiteren Antriebswellen 58, 59, Getrieberädern 60, 61, die auf den entsprechenden Antriebswellen 58, 59 montiert sind, und gezahnte Ringe 51, 62 auf, die mit den Getrieberädern 60, 61 in Eingriff stehen.
Die Verteilungstransmission 57 ist so ausgebildet, daß sie die Antriebswelle 58 antreibt, welche in einer Richtung in einem Drehsinn vorragt, der entgegengesetzt zur Drehrichtung ist, in welcher die in der diametral entgegengesetzten Richtung vorragende Antriebswelle 59 angetrieben wird, aber die gemeinsame Drehung der Antriebswellen 58, 59 nicht wesentlich beeinflußt. Zu diesem Zweck ist die Verteilungstransmission 57 in Form eines Differentialgetriebes mit einer Umkehrtransmission für eine der Antriebswellen 58, 59 ausgebildet.
Die den beiden Antriebswellen erteilten Drehmomente sind im wesentlichen identisch, so wie die Durchmesser der Getrieberäder 60, 61 und der gezahnten Ringe 51, 62. Wenn somit der Motor 54 angetrieben ist und ein Drehmoment auf die Rohrabschnitt- Greifstruktur 46 ausübt, wird ein reaktives Drehmoment im wesentlichen identischer Größe auf die Rohrstrang-Greifstruktur 47 ausgeübt. Dementsprechend wird das reaktive Drehmoment auf den Rohrstrang ausgeübt, ohne den Motor 50 zu beeinträchtigen, welcher die kontinuierliche Drehung des Rohrstranges 2 besorgt, und Geschwindigkeitsanstiege des Rohrstranges 2 werden zumindest zum größten Teil vermieden.
Das Getrieberad 60, das in Eingriff mit dem gezahnten Ring 62 der Rohrabschnitt-Greifstruktur 46 steht, ist gleitverschieblich auf der Antriebswelle 58 montiert, damit es der Axialver lagerung des gezahnten Ringes folgen kann, wenn dieser in die Rohrstrang-Greifstruktur 47 eingeschraubt oder aus dieser herausgeschraubt wird. Um sicherzustellen, daß das Getrieberad 60 der Axialbewegung des gezahnten Ringes 62 genau folgt, sind Führungsscheiben 65, 66 auf den Getrieberädern auf gegenüberliegenden Seiten derselben und koaxial zu diesen montiert. Diese Führungsscheiben ragen radial über die Getrieberäder 60 vor und überlappen die Seitenflächen eines Flansches, auf welchem der gezahnte Ring 62 der Rohrstrang-Greifstruktur 46 angeordnet ist.
Zur Führung eines Rohrstückes, wenn die Rohrkupplungseinheit 45 entlang eines neu angeschlossenen Rohrabschnittes nach oben bewegt wird, sind Führungsblöcke 63 oberhalb der Rohrabschnitt- Greifstruktur 46 vorgesehen und umgeben einen Durchgang 64 für die Rohrabschnitte. Diese Führungsblöcke 63 werden durch Federn 65 elastisch gegen die Rohrstücke gedrückt, und richten einen neu angeschlossenen Rohrabschnitt 1 mit dem Rohrstrang 2 aus, bis sein freies Ende durch die Rohrstrang-Greifstruktur 47 ergriffen wird. Wenn umgekehrt die Rohrabschnitte 1 von einem Rohrstrang 2 entfernt werden, bieten die Führungsblöcke 63 eine Ausrichtung, nachdem ein Rohrabschnitt von der Rohrstrang- Greifstruktur 47 freigegeben worden ist und bis er von der Rohrabschnitt-Greifstruktur des Rohraufnehmers ergriffen wird.
Es versteht sich für den Fachmann, daß zwar vorstehend Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, die sich auf das Bohren und Auskleiden von Öl- und Gasbohrlöchern beziehen, daß aber entsprechend angepaßte Ausführungsformen zur Durchführung der vorliegenden Erfindung auch in Verbindung mit anderen Bodenbohrvorgängen eingesetzt werden können.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen oder Lösen einer Kupplung zwischen einem Rohrabschnitt (1) und einem Rohrstrang (2), der von einer Drehbohranlage in ein Bohrloch in der Lithosphäre ragt, wobei der Rohrabschnitt (1) relativ zum Rohrstrang (2) gedreht wird, indem ein Drehmoment bis zu einem Anschlußdrehmoment oder einem Lösedrehmoment aufgebracht wird, wobei das Ausüben des Drehmomentes ein reaktives Drehmoment entgegengesetzt zur Drehung verursacht, wobei die von einem Motor (17; 50) ausgeübte Drehung auf den Rohrstrang (2) übertragen wird, so daß der Rohrstrang (2) gedreht wird, dadurch gekennzeichnet, daß das reaktive Drehmoment auf den Rohrstrang (2) entlang eines Weges aufgebracht wird, der einen Bypass zum Motor (17; 50) bildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Rohrstrang (2) zu kuppelnde Rohrabschnitt (1) beschleunigt wird, im wesentlichen auf eine Drehgeschwindigkeit, mit welcher der Rohrstrang (2) rotiert, bevor das Anschluß- oder Lösedrehmoment aufgebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der mit dem Rohrstrang (2) zu kuppelnde Rohrabschnitt (1) auf im wesentlichen die gleiche Drehgeschwindigkeit beschleunigt wird, mit welcher der Rohrstrang (2) dreht, und danach eine Rohrabschnitt-Angriffsstruktur (12; 46) zum Aufbringen eines Drehmomentes auf den Rohrabschnitt (1) in Eingriff mit dem Rohrabschnitt gebracht wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem ferner:

nach dem Kuppeln eines Rohrabschnittes (1) an einen Rohrstrang (2) der Schritt der Axialbewegung einer Rohrkupplungseinheit (11; 45) ausgeführt wird, durch welche das Anschlußdrehmoment und das reaktive Drehmoment auf ein proximales Ende des durch den Rohrabschnitt (1) verlängerten Rohrstranges (2) aufgebracht worden ist; und

nachfolgendes Kuppeln eines folgenden Rohrabschnittes (1) an den Rohrstrang (2), einschließlich der Schritte des Erfassens des proximalen Endes des verlängerten Rohrstranges (2) und des Ausübens des reaktiven Drehmomentes auf den verlängerten Rohrstrang (2) durch die Kupplungseinheit (11; 45).

5. Rohrkupplungseinheit zum Kuppeln oder Entkuppeln zumindest eines Rohrabschnittes (1) und eines Rohrstranges (2), der axial von einer Drehbohranlage in ein Bohrloch in der Lithosphäre ragt, mit:

einer Rohrstrang-Angriffsstruktur (13; 47), die am Rohrstrang (2) angreift;

einer Rohrabschnitt-Angriffsstruktur (12; 46) zum Angriff an dem Rohrabschnitt (1), wobei diese Rohrabschnitt-Angriffsstruktur (12; 46) koaxial zur Rohrstrang-Angriffsstruktur (13; 47) und relativ zu dieser drehbar ist und in einer Position axial verschieden von der Position der Rohrstrang-Angriffsstruktur (13; 47);

einer drehfest angeordneten Tragstruktur (14; 49), welche die Rohrstrang-Angriffsstruktur (13; 47) drehbar abstützt;

einem Rohrstrangantrieb (17-20; 50-53) mit einem Antriebsmotor (17; 50), der mit der Rohrstrang-Angriffsstruktur (13; 47) und mit der drehfesten Tragstruktur (14; 49) für den Drehantrieb der Rohrstrang-Angriffsstruktur (13; 47) relativ zu der drehfesten Tragstruktur (14; 49) betriebsmäßig gekuppelt ist; und

einem Rohrabschnittantrieb (24-28; 54-58, 60, 62) für den Drehantrieb der Rohrabschnitt-Angriffsstruktur (12; 46) relativ zur Rohrstrang-Angriffsstruktur (13; 47) mit einem Drehmoment bis zu dem erforderlichen Anschlußdrehmoment oder Lösedrehmoment, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrabschnittantrieb (24-28; 54-58, 60, 62) so ausgebildet ist, daß er ein reaktives Drehmoment auf das Drehmoment bis zu dem erforderlichen Anschluß- oder Lösedrehmoment auf die Rohrstrang-Angriffsstruktur (13; 47) entlang eines Übertragungsweges überträgt, der einen Bypass zu dem Motor (15; 50) für den Drehantrieb der Rohrstrang- Angriffsstruktur (13; 47) bildet.

6. Rohrkupplungseinheit nach Anspruch 5, bei welcher die Angriffstrukturen (12, 13; 46, 47) jeweils eine geschlossene Ringstruktur bilden, welche einen Durchgang zur Aufnahme eines zu ergreifenden Rohres vollständig umgibt.

7. Rohrkupplungseinheit nach Anspruch 5 oder 6, bei welcher der Rohrabschnittantrieb (24-28; 54-58, 60, 62) einen zweiten Motor (24; 54) aufweist, der von dem für den Drehantrieb der Rohrstrang-Angriffsstruktur (13; 47) dienenden ersten Motor (17; 50) getrennt ist, für den Drehantrieb des Rohrabschnittes (1) mit einem Drehmoment bis zum Anschluß- oder Lösedrehmoment.

8. Rohrkupplungseinheit nach Anspruch 7, bei welcher der zweite Motor (24) durch eine drehbare Tragstruktur (29) abgestützt ist, die mit der Rohrstrang-Angriffsstruktur (13) verbunden ist und gemeinsam mit dieser dreht.

9. Rohrkupplungseinheit nach Anspruch 8, bei welcher die drehbare Tragstruktur (29) und die drehfeste Tragstruktur (14) mit Gleitkontakten (31, 32) versehen sind, die entlang einer kreisförmigen Bahn zusammenwirken.

10. Rohrkupplungseinheit nach einem der Ansprüche 5 bis 9, die ferner aufweist: einen Rohraufnehmer zum Überführen von Rohrabschnitten (1) von einem Abgeber (3) zum proximalen Ende eines Rohrstranges (2), der in ein Bohrloch in der Lithosphäre ragt, und umgekehrt, einschließlich einer Rohrabschnitt-Angriffsstruktur (35) zum lösbaren Ergreifen der überzuführenden Rohrabschnitte (1), einer Führungs- und Antriebsstruktur (36-39) zum Bewegen der Rohrabschnitt-Angriffsstruktur (35) zwischen einer Position nahe dem Abgeber (3) und einer Position in Ausrichtung mit dem Rohrstrang (2) und einem Antrieb (40), der mit der Rohrabschnitt-Angriffsstruktur (35) für den Drehantrieb der Rohrabschnitt-Angriffsstruktur (35) verbunden ist.

11. Rohrkupplungseinheit nach Anspruch 10, bei welcher die Führungs- und Antriebsstruktur (36-39) ferner so ausgebildet ist, daß sie die Rohrabschnitt-Angriffsstruktur (35) in eine Richtung bewegt, in welcher im Betrieb die Rohrabschnitte (1) orientiert sind, wenn sie in Ausrichtung mit dem Rohrstrang (2) gehalten werden.