EP3137261B1

EP3137261B1 - Zangensystem zur verwendung auf einer bohranlage

Info

Publication number: EP3137261B1
Application number: EP15718232.0A
Authority: EP
Inventors: Malte Cordes; Heiko Schmidt; André Reuter
Original assignee: Bentec Drilling and Oilfield Systems GmbH
Current assignee: Bentec Drilling and Oilfield Systems GmbH
Priority date: 2014-04-29
Filing date: 2015-04-25
Publication date: 2021-05-05
Anticipated expiration: 2035-04-25
Also published as: EP3137261A2; DE102014208113A1; EA201692181A1; WO2015165832A2; US20170167209A1; US10287832B2; EA032444B1; WO2015165832A3

Description

Die Erfindung betrifft ein zur Verwendung auf einer Bohranlage für Tiefbohrungen, zum Beispiel zum Abteufen von Bohrungen auf Kohlenwasserstoff-Lagerstätten zur Erdöl- und Erdgasexploration oder zum Erschließen von Geothermie, vorgesehenes Zangensystem, das in der Fachterminologie oftmals auch als "Floorhand" oder "Iron Roughneck" bezeichnet wird und auch als automatische Gestängezange bezeichnet werden kann. In der US 2007/ 068669 A ist ein solches Zangensystem beschrieben.
Ein gattungsgemäßes Zangensystem ist beim Ein- und Ausbauen des Bohrgestänges zum Verbinden zweier Bohrgestängeelemente oder zum Trennen zweier Bohrgestängeelemente, insbesondere zum Verbinden eines Bohrgestängeelements mit dem Bohrstrang bzw. zum Lösen eines Bohrgestängeelements vom Bohrstrang vorgesehen. Dafür wird das Zangensystem mittels eines beweglichen Arms oder dergleichen in einen Bereich über dem Bohrloch oder einen Bereich über dem sogenannten mouse hole bewegt. Dort erfolgt ein Verbinden eines Bohrgestängeelements mit einem ortsfesten Bohrgestängeelement oder ein Trennen eines Bohrgestängeelements von einem ortsfesten Bohrgestängeelement. Das ortsfeste Bohrgestängeelement ist zum Beispiel als Bestandteil des Bohrstrangs oder aufgrund der Platzierung im mouse hole ortsfest. Im Interesse einer besseren Lesbarkeit - aber ohne Verzicht auf eine weitergehende Allgemeingültigkeit - wird die nachfolgende Beschreibung anhand eines als Bestandteil des Bohrstrangs ortsfesten Bohrgestängeelements und einer Verwendung des Zangensystems über dem Bohrloch fortgesetzt. Die Beschreibung gilt gleichermaßen für ein Bohrgestängeelement, dessen Ortsfestigkeit sich aufgrund von dessen Platzierung im mouse hole ergibt und eine Anwendung des Zangensystems über dem mouse hole ist entsprechend bei jeder Erwähnung einer Anwendung des Zangensystems über dem Bohrloch mitzulesen. Grundsätzlich ist ein Zangensystem der hier vorgeschlagenen Art auch an anderen Stellen einer Bohranlage verwendbar und allgemein für jede Verwendung beim Verbinden oder Trennen einer Gewindeverbindung zweier Elemente mit einem zumindest stückweise runden Querschnitt geeignet.
Mittels einer von dem Zangensystem umfassten Unterzange erfolgt in an sich bekannter Art und Weise zunächst eine Fixierung des Zangensystems am ortsfesten Bohrgestängeelement. Mittels einer relativ zur Unterzange beweglichen Oberzange erfolgt sodann - in ebenfalls an sich bekannter Art und Weise - entweder das Verbinden eines weiteren Bohrgestängeelements mit dem ortsfesten Bohrgestängeelement oder das Lösen eines Bohrgestängeelements vom ortsfesten Bohrgestängeelement.
Dabei ist eine exakte Positionierung des Zangensystems über dem ortsfesten Bohrgestängeelement wichtig.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht entsprechend darin, eine effiziente, verschleiß- und wartungsarme Möglichkeit zum Positionieren des Zangensystems über dem ortsfesten Bohrgestängeelement anzugeben.
Die oben genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Zangensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dazu ist bei einem Zangensystem zum Verbinden eines Bohrgestängeelements mit einem ortsfesten Bohrgestängeelement oder zum Trennen eines Bohrgestängeelements von einem ortsfesten Bohrgestängeelement vorgesehen, dass das Zangensystem zumindest zwei einander zugewandte und zum Fixieren des Zangensystems an dem ortsfesten Bohrgestängeelement bestimmte Klemmblöcke umfasst und dass zumindest ein Klemmblock bewegliche, zur Justierung des Zangensystems relativ zu dem ortsfesten Bohrgestängeelement wirksame Mittel mit einer Zentrierungskontur umfasst. Dabei weist das oder jedes zur Justierung des Zangensystems relativ zu dem ortsfesten Bohrgestängeelement bestimmte Mittel, also zum Beispiel eine Deckplatte des Klemmblocks, als Zentrierungskontur eine zentrale Kerbe und zwei seitliche Nasen auf. Mittels der seitlichen Nasen gelingt während der Zentrierung die Relativbewegung des Zangensystems zum ortsfesten Bohrgestängeelement derart, dass sich das Bohrgestängeelement zum Abschluss der Zentrierung im Bereich der zentralen Kerbe befindet. Bei einer besonderen Ausführungsform weist das besagte Mittel, also zum Beispiel eine Deckplatte des Klemmblocks, die beiden seitlichen Nasen in Form von einstückig mit dem als Träger fungierenden Mittel verbundenen Nasen auf.
Bei der eingangs genannten US 2007/068669 A fungieren die dortigen Klemmblöcke als Mittel zur Justierung des Zangensystems relativ zum ortsfesten Bohrgestängeelement. Damit ist eine Justierung nur in Richtung der Achse, entlang derer sich die beiden Klemmblöcke aufeinander zu bewegen, möglich, zum Beispiel derart, dass bei einer anfänglichen Positionierung des Zangensystems zu weit rechts von dem ortsfesten Bohrgestängeelement eine Justierung des Zangensystems in Gegenrichtung resultiert.
Gleiches gilt für die im Rahmen der Recherchen des Deutschen Patent- und Markenamtes zu der zugrunde liegenden deutschen Patentanmeldung ermittelte DE 198 12 958 B sowie die EP 0 130 450 B . Bei der DE 198 12 958 B wird ein Bohrgestängeelement mittels zweier Klemmblöcke (Spannbacken), von denen einer ortsfest und der andere axial translatorisch beweglich ist, fixiert. Die Klemmblöcke/Spannbacken weisen eine Kontur zum Angreifen an dem Bohrgestängeelement auf. Die dortigen Klemmblöcke/Spannbacken weisen aber keine relativ zu dem jeweiligen Klemmblock bewegliche und zur Justierung eines Zangensystems wirksamen Mittel auf. Auch bei der EP 0 130 450 B ist allenfalls die Kontur, mittels derer die dortigen Klemmbackeneinheiten das Bohrgestängeelement greifen, zur Justierung wirksam. Auch hier fehlt damit - im Vergleich zu dem hier vorgeschlagenen Ansatz - ein relativ zu zumindest einem Klemmblock bewegliches und zur Justierung des Zangensystems relativ zu dem ortsfesten Bohrgestängeelement wirksames Mittel mit einer Zentrierungskontur. Aus der CA 2 520 927 A1 ist ebenfalls ein Klemmblock der oben genannten Art bekannt. Dessen Grifffläche ist auf der Frontseite eines Bauteils gebildet, welches formschlüssig in eine dafür vorgesehene Ausnehmung eingesetzt wird. Die Ausnehmung und die aufgenommene Randkontur des Bauteils sind zueinander so bemessen, dass eine gewisse Beweglichkeit des Bauteils verbleibt. Insoweit sind dieses Bauteil und damit auch dessen frontseitige Grifffläche relativ zum restlichen Klemmblock beweglich.
Bei dem hier vorgeschlagenen Ansatz fungiert nicht oder zumindest nicht alleine der Klemmblock als Mittel zur Justierung des Zangensystems. Vielmehr ist vorgesehen, dass zumindest ein Klemmblock bewegliche, zur Justierung des Zangensystems relativ zu dem ortsfesten Bohrgestängeelement wirksame Mittel, nämlich zum Beispiel eine Deckplatte oder eine obere und eine untere Deckplatte des Klemmblocks mit einer darin gebildeten Zentrierungskontur der oben beschriebenen Art, umfasst. Damit ist eine Justierung des Zangensystems, insbesondere eines Zangensystems mit jeweils genau zwei einander zugewandten Klemmblöcken, auch in einer Richtung quer zur Bewegungsachse der Klemmblöcke möglich. Durch die Beweglichkeit ist eine Anpassung an die Position und/oder die Bewegung der Klemmblöcke möglich.
Der Vorteil des hier vorgeschlagenen Konzepts besteht vor allem darin, dass mittels der von zumindest einem Klemmblock umfassten und dort beweglich angeordneten Zentrierungskontur eine im Folgenden mitunter auch nur als Zentrierung bezeichnete Justierung des Zangensystems relativ zu einem ortsfesten Bohrgestängeelement auch in einer zur Bewegungsachse der Klemmblöcke senkrechten Richtung möglich ist. Beim Zusammenfahren der einander zugewandten und zum Fixieren des Zangensystems an dem ortsfesten Bohrgestängeelement bestimmten Klemmblöcke erfolgt eine Zentrierung des Zangensystems in Bezug auf das Bohrgestängeelement in Richtung auf die Bewegungsachse der Klemmblöcke. Gleichzeitig erfolgt mittels der Zentrierungskontur eine Zentrierung des Zangensystems auch in Bezug auf eine dazu senkrechte Richtung. Im Ergebnis wird eine vollständige Zentrierung des Zangensystems relativ zu dem ortsfesten Bohrgestängeelement erreicht.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstands des Hauptanspruches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin. Sie sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmalskombinationen der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen. Des Weiteren ist im Hinblick auf eine Auslegung der Ansprüche bei einer näheren Konkretisierung eines Merkmals in einem nachgeordneten Anspruch davon auszugehen, dass eine derartige Beschränkung in den jeweils vorangehenden Ansprüchen nicht vorhanden ist.
Bei einer Ausführungsform des Zangensystems weist die Zentrierungskontur als seitliche Nasen auf einer Seite der zentralen Kerbe eine lange Nase mit einer kreisbogenförmigen Randkontur und eine kurze Nase mit einer kreisbogenförmigen Randkontur auf, wobei ein Radius der kreisbogenförmigen Randkontur der langen Nase kleiner ist als der Radius der kreisbogenförmigen Randkontur der kurzen Nase. Die kurze Nase der Zentrierungskontur ist einer Öffnung des Arbeitsbereichs des Zangensystems zugewandt. Die lange Nase befindet sich damit im hinteren Teil des Arbeitsbereichs des Zangensystems. Die kurze Nase gibt damit die Öffnung des Zangensystems so weit wie möglich frei. Die lange Nase ist mit der dortigen spitzeren kreisbogenförmigen Randkontur in der Lage, ein Bohrgestängeelement auch dann noch zu erfassen und eine nachfolgende Zentrierung zu ermöglichen, wenn das Zangensystem bereits relativ weit an das Bohrgestängeelement herangefahren wurde.
Bei einer nochmals weiteren Ausführungsform des Zangensystems ist das oder jedes zur Justierung des Zangensystems relativ zu dem ortsfesten Bohrgestängeelement bestimmte Mittel relativ zum Klemmblock translatorisch beweglich. Eine solche Beweglichkeit kommt alternativ zu einer grundsätzlich ebenfalls möglichen rotatorischen Beweglichkeit in Betracht. Eine translatorische Beweglichkeit ermöglicht eine konstruktiv vergleichsweise einfache Ausführung des Klemmblocks und erleichtert damit dessen Herstellung, Montage und Wartung.
Bei einer Ausführungsform des Zangensystems mit translatorisch beweglichen Mitteln zur Justierung des Zangensystems fungiert als ein derartiges Mittel zumindest eine translatorisch bewegliche Deckplatte des Klemmblocks. Die Verwendung einer solchen Deckplatte als Mittel zur Justierung des Zangensystems hat den Vorteil, dass eine translatorische Beweglichkeit einer Deckplatte des Klemmblocks, also eines außen liegenden Teils, konstruktiv vergleichsweise einfach realisierbar ist, zum Beispiel mittels einer Lineargleitführung und zumindest einer im Klemmblock gebildeten Führungskontur und einer formschlüssig in diese eingreifenden Führungsgegenkontur an oder in der Deckplatte. Sofern eine solche Deckplatte, zum Beispiel aufgrund von Verschleiß der darin gebildeten Zentrierungskontur, auszuwechseln ist, kann diese wie ein Gehäusedeckel am Klemmblock entnommen werden, so dass sich damit auch eine Vereinfachung eventueller Reparatur- und/oder Wartungsmaßnahmen ergibt.
Indem die oder jede Deckplatte oder jedes sonstige Mittel zur Justierung des Zangensystems federnd gelagert ist, resultiert eine selbsttätige Koordination der Justierung des Zangensystems in der zur Bewegungsrichtung der Klemmblöcke senkrechten Richtung mit der Justierung des Zangensystems in Richtung der Bewegung der Klemmblöcke. Nach einer ersten Erfassung des ortsfesten Bohrgestängeelements mittels der Zentrierungskontur in der oder jeder Deckplatte bleibt die Zentrierungskontur auch beim weiteren Zusammenfahren der einander zugewandten Klemmblöcke in dauerhaftem Kontakt mit einzelnen Abschnitten der Außenfläche des erfassten Abschnitts des Bohrgestängeelements. Je mehr sich dabei die Klemmblöcke einander nähern und damit auch eine Justierung des Zangensystems in Richtung der Bewegung der Klemmblöcke erfolgt, desto mehr weicht die oder jede federnd gelagerte Deckplatte zurück, bis es schließlich zu einem Kontakt der Griffflächen der Klemmblöcke mit der Außenfläche des erfassten Abschnitts des Bohrgestängeelements kommt und das dann relativ zu dem ortsfesten Bohrgestängeelement justierte Zangensystem an dem Bohrgestängeelement fixiert wird. Die Federkraft der federnden Lagerung der oder jeder Deckplatte ist dabei so gewählt, dass die beabsichtigte Justierung des Zangensystems relativ zu dem ortsfesten Bohrgestängeelement möglich ist.
Indem bei einer speziellen Ausführungsform des Zangensystems jeder zum Fixieren des Zangensystems an dem ortsfesten Bohrgestängeelement bestimmte Klemmblock zwei als Mittel zur Justierung des Zangensystems fungierende Deckplatten, also eine obere und eine untere Deckplatte, aufweist, kann die beabsichtigte Justierung des Zangensystems relativ zu dem ortsfesten Bohrgestängeelement auch dann erfolgen, wenn das Bohrgestängeelement in einem Bereich mit unterschiedlichen Durchmessern erfasst wird, weil dann jede Deckplatte mit der dortigen Zentrierungskontur unabhängig von der anderen Deckplatte und deren Zentrierungskontur an den jeweils erfassten Abschnitt des Bohrgestängeelements und dessen Außenfläche entsprechend dem jeweiligen Durchmesser angreift.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Zangensystems weist jede Deckplatte die Zentrierungskontur in zwei Ebenen auf. Eine Abfolge der Ebenen der Zentrierungskontur in den beiden Deckplatten eines der beiden einander zugewandten Klemmblöcke sowie eine Abfolge der Ebenen der Zentrierungskontur in den beiden Deckplatten des gegenüberliegenden Klemmblocks ist dabei so gewählt, dass ein formschlüssiger Eingriff der Ebenen der Zentrierungskonturen der Deckplatten eines Klemmblocks in die Ebenen der Zentrierungskonturen der Deckplatten des anderen Klemmblocks möglich ist. Auf diese Weise können die beiden einander zugewandten Klemmblöcke weiter zusammengefahren werden, als dies ohne eine solche Ausgestaltung möglich wäre. Trotz der Zentrierungskonturen kann demnach mittels des Zangensystems auch noch ein Bohrgestängeelement mit einem sehr kleinen Durchmesser sicher gegriffen werden.
Bei einer nochmals weiteren Ausführungsform des Zangensystems mit zwei Klemmblöcken mit jeweils zwei Deckplattentypen als Mittel zur Justierung des Zangensystems fungieren bei dem ersten Klemmblock als obere Deckplatte eine Deckplatte eines ersten Deckplattentyps sowie als untere Deckplatte eine Deckplatte eines zweiten Deckplattentyps. Bei dem zweiten, gegenüberliegend angeordneten Klemmblock fungieren als obere Deckplatte eine Deckplatte des zweiten Deckplattentyps sowie als untere Deckplatte eine Deckplatte des ersten Deckplattentyps. Jeweils zwei der insgesamt vier Deckplatten sind also identisch und in gleicher Ebene sind einander jeweils unterschiedliche Deckplatten zugewandt. Die dabei zur Anwendung kommenden Deckplattentypen zeichnen sich durch eine Realisierung der Zentrierungskontur in zwei Ebenen aus, wobei aufgrund dieser beiden Ebenen unterschiedliche Deckplatten abschnittsweise ineinandergreifen. Aufgrund der genau zwei Deckplattentypen resultiert eine vereinfachte Herstellung des Zangensystems sowie eine vereinfachte Lagerhaltung.
Zur beweglichen, federnden Lagerung des oder der Mittel zur Justierung des Zangensystems, insbesondere einer Deckplatte, weist jeder Klemmblock eine Federvorrichtung auf. Bei einer besonderen Ausführungsform des Zangensystems fungieren ein am Klemmblock fixiertes Widerlager, eine am Widerlager federnd gelagerte Federstemmplatte und mehrere parallel angeordnete und einseitig an der Federstemmplatte fixierte sowie relativ zum Widerlager bewegliche Federdorne als Federvorrichtung. Als Federelemente innerhalb einer solchen Federvorrichtung kommen an jeweils einem Federdorn angebrachte Federelemente, zum Beispiel wechselsinnig geschichtete Tellerfedern oder Spiralfedern, in Betracht. Die mehreren parallel, insbesondere in gleicher Ebene parallel angebrachten Federdorne bewirken vorteilhaft eine sichere Führung der Deckplatte. Tellerfedern als Federelement können bekanntlich auf kleinem Bauraum große Kraft aufnehmen.
Der hier vorgestellte Ansatz wurde bisher am Beispiel eines kompletten Zangensystems beschrieben. Die Neuerung konzentriert sich aber auf einen Klemmblock oder mehrere gleichartige Klemmblöcke in einem solchen Zangensystem. Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Einander entsprechende Gegenstände oder Elemente sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Das oder jedes Ausführungsbeispiel ist nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen. Vielmehr sind im Rahmen der vorliegenden Offenbarung auch Abänderungen und Modifikationen möglich, zum Beispiel durch Kombination oder Abwandlung von einzelnen in Verbindung mit den im allgemeinen oder speziellen Beschreibungsteil beschriebenen oder in den Zeichnungen enthaltenen Merkmalen oder Verfahrensschritten möglich, sofern sie in den Umfang der angefügten Ansprüche fallen.
Es zeigen

Fig. 1, Fig. 2 und Fig. 3A, 3B
eine Ausführungsform eines gegenständlichen Zangensystems in unterschiedlichen Ansichten,
Fig. 4 und Fig. 5
Momentaufnahmen beim Erfassen eines Bohrgestängeelements mittels zweier von dem Zangensystem umfasster Klemmblöcke und beim Fixieren an dem Bohrgestängeelement,
Fig. 6 eine Draufsicht auf eine zum Justieren des Zangensystems relativ zu dem Bohrgestängeelement bestimmte Deckplatte eines Klemmblocks,
Fig. 7 und Fig. 8
unterschiedliche Ansichten eines Klemmblocks,
Fig. 9 perspektivische Ansichten einer Deckplatte des Klemmblocks,
Fig. 10 eine Seitenansicht zweiter Klemmblöcke mit jeweils zwei daran befindlichen und translatorisch beweglichen Deckplatten sowie
Fig. 11 und Fig. 12
die beiden Klemmblöcke in einer an einem Bohrgestängeelement fixierten Konfiguration.

Die Darstellungen in Figur 1 und Figur 2 zeigen aus unterschiedlichen Blickrichtungen isometrische Ansichten einer Ausführungsform eines gegenständlichen Zangensystems 10, das zur Verwendung auf dem sogenannten Drillfloor einer selbst nicht dargestellten und zum Abteufen von Bohrungen auf Kohlenwasserstoff-Lagerstätten zur Erdöl- und Erdgasexploration oder zum Erschließen von Geothermie bestimmten Bohranlage vorgesehen ist. Die Darstellung in Figur 3A, 3B zeigt das Zangensystem 10 gemäß Figur 1 und Figur 2 in einer Draufsicht.
Das Zangensystem 10 ist Teil einer in der üblichen Fachterminologie zum Beispiel als "Floorhand" oder "Iron Roughneck" bezeichneten Vorrichtung. Eine solche Vorrichtung insgesamt und speziell das Zangensystem 10 dienen beim Ein- und Ausbauen von Bohrgestängeelementen 12 unter anderem zum Verschrauben eines Bohrgestängeelements 12 mit dem Bohrstrang bzw. zum Lösen eines Bohrgestängeelements 12 vom Bohrstrang. Die Bohrgestängeelemente 12 werden beim Einbau in an sich bekannter Art und Weise durch Verschrauben verbunden. Jedes Bohrgestängeelement 12 weist dafür in an sich bekannter Art und Weise an einem Ende eine in der Fachterminologie auch als "box" bezeichnete Muffe mit einem Innengewinde und am anderen Ende ein in eine solche Muffe und das dortige Innengewinde eindrehbares Gewinde, das in der Fachterminologie auch als "pin" bezeichnet wird, auf. Die Verbindungsstelle wird in der Fachterminologie auch als Tooljointtrennstelle bezeichnet und ist in der Darstellung nicht speziell hervorgehoben.
Das Zangensystem 10 umfasst eine Unterzange 14 und eine Oberzange 16. Die beiden Zangen 14, 16 sind mittels einer hier als Hydraulikzylinder gezeigten Antriebseinheit 18 relativ zueinander rotatorisch beweglich, so dass mittels des Zangensystems 10 ein Bohrgestängeelement 12 vom Bohrstrang gelöst werden oder ein Bohrgestängeelement 12 mit dem Bohrstrang verbunden werden kann. Die Unterzange 14 greift unterhalb der Tooljointtrennstelle an und greift dabei dasjenige Bohrgestängeelement 12, welches das obere Ende des Bohrstrangs und damit das ortsfeste Bohrgestängeelement 12 bildet. Die Oberzange 16 greift oberhalb der Tooljointtrennstelle an und greift entsprechend dasjenige Bohrgestängeelement 12, welches vom Bohrstrang gelöst oder mit dem Bohrstrang verbunden wird.
Zur Fixierung des jeweiligen Bohrgestängeelements 12 und zur Übertragung der beim Betätigen des Gewindes erforderlichen Kraft weist das Zangensystem 10 vier Klemmblöcke 20, 22, 24, 26, nämlich je zwei einander zugewandte / einander gegenüberliegende Klemmblöcke 20, 22 in der Unterzange 14 und je zwei einander zugewandte / gegenüberliegende Klemmblöcke 24, 26 in der Oberzange 16 auf. Die Bewegung jedes Klemmblocks 20-26 erfolgt mittels einer hier ebenfalls als Hydraulikzylinder gezeigten Antriebseinheit 28.
Die nachfolgende Beschreibung befasst sich mit den Klemmblöcken 20, 22 der Unterzange 14. Grundsätzlich kommt aber auch in Betracht, dass die Klemmblöcke 24, 26 der Oberzange 16 genauso wie die Klemmblöcke 20, 22 der Unterzange 14 ausgeführt sind und entsprechend ist eine solche Variante des Zangensystems 10 bei der nachfolgenden Beschreibung stets mitzulesen.
Die Darstellungen in Figur 4 und Figur 5 zeigen zur Erläuterung der hier vorgeschlagenen Neuerung die beiden Klemmblöcke 20, 22 der Unterzange 14 in einer Draufsicht ohne das umgebende Zangensystem 10. Gezeigt ist dabei, dass mittels des Zangensystems 10 und der davon umfassten Klemmblöcke 20, 22 eine Handhabung von Bohrgestängeelementen 12 unterschiedlicher Durchmesser möglich ist. Gezeigt ist darüber hinaus, dass die Klemmblöcke 20, 22 eine profilierte Griffseite aufweisen, wobei die Griffseite jedes Klemmblocks 20, 22 der Griffseite des gegenüberliegend angeordneten Klemmblocks 20, 22 zugewandt ist. Die Profilierung befindet sich dabei in translatorisch am Klemmblock 20, 22 beweglichen Deckplatten 30, 32.
Die beiden Deckplatten 30, die bei der in den Darstellungen in Figur 4 und Figur 5 gezeigten Draufsicht auf das zur Unterzange 14 gehörige Klemmblockpaar 20, 22 sichtbar sind, sind die oberen Deckplatten 30 des jeweiligen Klemmblocks 20, 22. Eine untere Deckplatte 32 ist zum Beispiel in der Darstellung in Figur 7 gezeigt.
Die Profilierung in den Deckplatten 30, 32 definiert ein eingeschriebenes Prisma 34, wie dies zur Verdeutlichung nur in der rechten Darstellung von Figur 4 gezeigt ist. Die Profilierung jeder einzelnen Deckplatte 30, 32 lässt sich durch eine mittige oder im Wesentlichen mittige Kerbe und jeweils eine rechts und links davon befindliche Nase 36, 38 beschreiben. Bei der in den Figuren gezeigten Ausführungsform ist eine der beiden Nasen 36, 38 länger als die andere Nase 36, 38 und die Deckplatten 30, 32 der einander zugewandten Klemmblöcke 20, 22 sind so orientiert, das jeweils zwei lange Nasen 36 und zwei kurze Nasen 38 einander zugewandt sind.
Die Profilierung und die seitlichen Nasen 36, 38 bewirken, dass ein beim Zusammenfahren zweier einander zugewandter Klemmblöcke 20, 22 erfasstes Bohrgestängeelement 12 in Bezug auf eine Mittellängsachse 40 (Figur 5) der Klemmblöcke 20, 22 zentriert wird. Dies wird beim Vergleich der Darstellungen in Figur 4 und Figur 5 deutlich. Gezeigt sind dort jeweils Momentaufnahmen beim Erfassen (Figur 4) eines Bohrgestängeelements 12, wobei beim Zusammenfahren der Klemmblöcke 20, 22 eine Justierung des gesamten Zangensystems 10 in Bezug auf das Bohrgestängeelement 12 erfolgt, so dass schließlich eine Mittellängsachse 40 der Klemmblöcke 20, 22 mit dem Zentrum des Bohrgestängeelements 12 fluchtet oder zumindest im Wesentlichen fluchtet. Diese Relativbewegung wird im Folgenden auch als Zentrieren bezeichnet. Nach dem Zusammenfahren der Klemmblöcke 20, 22 ist das Zangensystem 10 über dem ortsfesten Bohrgestängeelement 12 zentriert (Figur 5). Wenn das ortsfeste Bohrgestängeelement 12, zum Beispiel im mouse hole, noch in gewissem Umfang beweglich ist, kann sich auch ergeben, dass die Relativbewegung von Zangensystem 10 und Bohrgestängeelement 12 im Wesentlichen eine Bewegung des Bohrgestängeelements 12 ist. Auch dann ist das Ergebnis die erwähnte Zentrierung.
Die Zentrierung erfolgt unabhängig von einem jeweiligen Durchmesser des Bohrgestängeelements 12, wie dies ebenfalls in den Darstellungen in Figur 4 und Figur 5 veranschaulicht ist. Aufgrund der Zentrierung befindet sich das jeweils erfasste Bohrgestängeelement 12 schließlich vor einer mittig in der Frontseite jedes Klemmblocks 20, 22 befindlichen Grifffläche 42 (Figur 7, 8), die in der Fachterminologie mitunter auch als Messer bezeichnet wird. Das Profil oder die Kontur der Deckplatten 30, 32 kann entsprechend auch als Zentrierungsprofil oder Zentrierungskontur bezeichnet werden. Die Bestandteile der Zentrierungskontur, nämlich die beiden Nasen 36, 38 - insbesondere, aber nicht ausschließlich zwei Nasen in einer Ausführungsform als lange Nase 36 und kurze Nase 38 - sind dabei einstückig mit der Deckplatte 30, 32 verbunden.
Zur Erläuterung des Vorteils der Gestaltung der Deckplatten 30, 32 mit langen und kurzen Nasen 36, 38 wird auf die Darstellung des Zangensystems 10 in Figur 3A verwiesen. Anhand der dort gezeigten Draufsicht auf das Zangensystem 10 wird erkennbar, dass die kurze Nasen 38 eine Öffnung 44 des Arbeitsbereichs des Zangensystems 10 so weit wie möglich freigeben. Gezeigt ist in der Darstellung in Figur 3 eine Momentaufnahme mit beinahe zusammengefahrenen, also beinahe maximal ausgefahrenen Klemmblöcken 20, 22.
Im eingefahrenen Zustand (Figur 3B) sind die Klemmblöcke 20, 22 unter die Tragkonstruktion des Zangensystems 10 oder zumindest im Wesentlichen unter die Tragkonstruktion zurückgezogen, so dass die Öffnung 44 des Zangensystems 10 so weit wie möglich freigegeben ist, wie dies anhand der Darstellung in Figur 3B mit dem dortigen Ausbruch aus der Tragkonstruktion gezeigt ist. Damit kann das Zangensystem 10 auch an Bohrgestängeelemente 12 mit sehr großem Durchmesser so weit herangefahren werden, dass deren Erfassung möglich ist. Jedenfalls behindern die kurzen Nasen 38 das Heranfahren des Zangensystems 10 an den Bohrstrang und das dortige jeweils oberste Bohrgestängeelement 12 nicht.
Die langen Nasen 36 bewirken demgegenüber, dass eine Erfassung eines Bohrgestängeelements 12 und eine spätere Zentrierung auch dann noch möglich ist, wenn das Zangensystem 10 im Grunde bereits zu weit an den Bohrstrang und das dortige oberste Gestängeelement 12 herangefahren wurde. Dann befindet sich das Bohrgestängeelement 12 in einem von der Öffnung 44 abgewandten hinteren Abschnitt des Arbeitsbereichs und kann von den langen Nasen 36 auch dort noch erfasst werden.
Die langen Nasen 36 unterscheiden sich dabei von den kurzen Nasen 38 nicht nur in ihrer zum Beispiel entlang der Längserstreckung der Deckplatte 30, 32 gemessenen Länge, sondern auch hinsichtlich ihrer Kontur. Die kürzere Länge der kurzen Nasen 38 ergibt sich bei der dargestellten Ausführungsform durch einen im Vergleich zur langen Nase 36 größeren Durchmesser einer kreisbogenförmigen Randkontur der dortigen Spitze. Entsprechend läuft die lange Nase 36 - mit dem kleineren Durchmesser der Randkontur der dortigen Spitze - spitzer zu. Jede Nase 36, 38 kann mit ihrer zur Mittellängsachse 40 der Deckplatte 30, 32 gewandten Seitenfläche ein Bohrgestängeelement 12 erfassen und zentrieren. Die wirksame Länge d1, d2 dieser Seitenflächen beginnt beim Scheitelpunkt der jeweiligen Spitze und ist daher bei der langen Nase 36 größer als bei der kurzen Nase 38, wie dies zur Veranschaulichung in der Darstellung in Figur 6 gezeigt ist.
Die Darstellungen in Figur 7 und Figur 8 zeigen aus unterschiedlichen Blickrichtungen isometrische Ansichten einer Ausführungsform eines Klemmblocks 20 ohne die obere Deckplatte 30. Der Klemmblock 20 weist auf seiner Griffseite die bereits erwähnte Grifffläche 42 (Messer) auf. Mittels einer translatorischen Bewegung des Klemmblocks 20 innerhalb des Zangensystems 10 kommt die Grifffläche 42 zur Anlage an der Außenoberfläche eines mittels der Deckplatten 30, 32 und des dortigen Zentrierungsprofils zentrierten Bohrgestängeelements 12. Das jeweils oberste Bohrgestängeelement 12 des Bohrstrangs wird mittels einer translatorischen Bewegung der beiden Klemmblöcke 20, 22 der Unterzange 14 gegriffen und fixiert. Aufgrund der dabei erfolgenden Zentrierung des Bohrgestängeelements 12, nämlich der Zentrierung der Unterzange 14 mit den beiden Klemmblöcken 20, 22 relativ zu dem im Bohrloch ortsfesten Bohrstrang, erfolgt eine Ausrichtung des Zangensystems 10 insgesamt über dem Bohrloch und relativ zum ortsfesten Bohrgestängeelement 12. Das Zangensystem 10 ist dafür geeignet gelagert, zum Beispiel hängend an einem rotatorisch und/oder translatorisch beweglichen Arm. Die Aufhängung ist dabei derart ausgeführt, dass auch bei einem nach einer anfänglichen Bewegung stillgesetzten Arm die Justierung/Zentrierung des Zangensystems 10 noch möglich ist. Dafür kommt zum Beispiel eine in zwei parallelen Achsen gelenkige Aufhängung in Betracht.
Aufgrund der für die Darstellung entfernten oberen Deckplatte 30 ist in den Figuren 7 und 8 ein in einem zur Grifffläche 42 gewandten (vorderen) Abschnitt des Klemmblocks 20 gebildetes Führungslager in Form zweier seitlicher Führungsnuten 46 für eine translatorisch verschiebliche Lagerung der oberen Deckplatte 30 erkennbar. In einer Fläche des Klemmblocks 20, auf der die Deckplatte 30 dann entlang der Führungsnuten 46 gleitet, ist eine Schmiernut 48 gebildet. Die Lagerung der unteren Deckplatte 32 ist identisch ausgeführt und die Deckplatten 30, 32 weisen eine entsprechende Formschlusskontur zum verschieblichen Zusammenwirken mit den Führungsnuten 46 auf, wie dies in der Darstellung in Figur 9 gezeigt ist.
Zur federnden Lagerung der Deckplatte 30 befindet sich hinter dem Führungslager in gleicher Ebene anschließend eine Federvorrichtung. Diese umfasst ein am Grundkörper des Klemmblocks 20 fixiertes Widerlager 50 sowie eine daran federnd gelagerte Federstemmplatte 52. Bei der gezeigten Ausführungsform ist die federnde Lagerung mittels mehrerer parallel angeordneter und einseitig an der Federstemmplatte 52 fixierter sowie relativ zum Widerlager 50 beweglicher Federdorne 54 realisiert. Als Federelemente fungieren zum Beispiel hier nicht gezeigte und an jeweils einem Federdorn 54 wechselsinnig geschichtete Tellerfedern. Alternativ kommen als Federelemente auch an jeweils einem Federdorn 54 angebrachte Spiralfedern in Betracht. Die in Figur 7 und Figur 8 gezeigte Position der Federstemmplatte 52 entspricht einer maximal über die Grifffläche des Klemmblocks 20 hinausragenden Deckplatte 30. In dieser Position ist die Deckplatte 30 vollständig ausgefedert. Diese Position ist die unbelastete Position der Deckplatte 30 und entsprechend die Position der Deckplatte 30 beim anfänglichen Zusammenfahren der Klemmblöcke 20, 22.
Zur Betätigung mittels der Federvorrichtung weist die Deckplatte 30 auf ihrer Innenseite ein Stegblech 56 (Figur 9) auf. Die untere Deckplatte 32 ist insoweit identisch ausgeführt. Die Federstemmplatte 52 liegt am Stegblech 56 an und bei der in Figur 7, Figur 8 gezeigten Position der Federstemmplatte 52 bleibt zwischen der Federvorrichtung und der Federstemmplatte 52 als deren vorderstem Teil einerseits sowie dem Führungslager mit den seitlichen Führungsnuten 46 andererseits ein Spalt, welcher zumindest die Aufnahme des Stegblechs 56 erlaubt.
Wenn beim Zusammenfahren zweier innerhalb des Zangensystems 10 gegenüberliegend angeordneter Klemmblöcke 20, 22 diese in Kontakt mit einem Bohrgestängeelement 12 kommen, ergibt sich dieser Kontakt zunächst mit der Zentrierungskontur der Deckplatten 30, 32. Die Darstellungen in Figur 4 sind eine Momentaufnahme eines solchen ersten Kontakts. Beim weiteren Zusammenfahren der Klemmblöcke 20, 22 der Unterzange 14 gleitet der jeweils erfasste Abschnitt des Bohrgestängeelements 12 an der langen Nase 36 oder an der kurzen Nase 38 in Richtung auf die Kerbe der Zentrierungskontur. Wenn das erfasste Bohrgestängeelement 12 zum Beispiel als Bestandteil des Bohrstrangs ortsfest ist, bewegt sich dabei das Zangensystem 10 relativ zu dem Bohrgestängeelement 12.
Spätestens wenn die Lage des Zangensystems 10 über dem Bohrloch so angepasst ist, dass sich der erfasste Abschnitt des Bohrgestängeelements 12 in der Kerbe der Zentrierungskontur befindet, also eine Zentrierung des Zangensystems 10 relativ zu dem Bohrgestängeelement 12 erreicht ist, weichen die Deckplatten 30, 32 unter fortwährendem Kontakt mit dem Bohrgestängeelement 12 beim weiteren Zusammenfahren der Klemmblöcke 20, 22 zurück. Aufgrund der von der Federvorrichtung ausgeübten Kraft ist dabei gewährleistet, dass die erreichte Justierung des Zangensystems 10 über dem Bohrloch bestehen bleibt. Bei eingefederten Deckplatten 30, 32 kommen die einander gegenüberliegenden Griffflächen 42 der Klemmblöcke 20, 22 der Unterzange 14 zum Eingriff mit dem erfassten Abschnitt des Bohrgestängeelements 12 und das Zangensystem 10 ist an dem mit dem Bohrstrang verbundenen Bohrgestängeelement 12 fixiert.
Die Federvorrichtungen für die federnde Lagerung der oberen und der unteren Deckplatte 30, 32 erlauben dabei eine unabhängige translatorische Verschieblichkeit der beiden Deckplatten 30, 32 und damit auch ein unabhängiges Einfedern jeder Deckplatte 30, 32. Dies ist sinnvoll, sofern sich der mit den Klemmblöcken 20, 22 erfasste Abschnitt des Bohrgestängeelements 12 im Bereich eines Übergangs von einem normalen Durchmesser des Bohrgestängeelements 12 zu einem erhöhten Durchmesser im Bereich des Tooljoints befindet. Die unabhängige federnde Lagerung der Deckplatten 30, 32 gewährleistet dann, dass jede Deckplatte 30, 32 beim Zusammenfahren der Klemmblöcke 20, 22 fortwährend in Kontakt mit dem Bohrgestängeelement 12 bleibt und damit zur Justierung des Zangensystems 10 wirksam ist.
Die Darstellung in Figur 10 zeigt die beiden Klemmblöcke 20, 22 ohne das umgebende Zangensystem 10 in einer Seitenansicht. Erkennbar ist dabei, dass jede Deckplatte 30, 32 die Zentrierungskontur in zwei Ebenen aufweist und dass eine Abfolge der Ebenen der Zentrierungskontur in den beiden Deckplatten 30, 32 eines der beiden Klemmblöcke 20 sowie eine Abfolge der Ebenen der Zentrierungskontur in den beiden Deckplatten 30, 32 des gegenüberliegenden Klemmblocks 22 einen formschlüssigen Eingriff der Ebenen der Zentrierungskontur erlaubt. Dies ermöglicht, insbesondere im Bereich der langen Nasen 36 (vgl. auch Fig. 9) ein weiteres Zusammenfahren der Klemmblöcke 20, 22, als dies ohne eine solche Ausgestaltung der Zentrierungskontur möglich wäre. Die damit erreichte Möglichkeit eines weiteren Zusammenfahrens der Klemmblöcke 20, 22 erlaubt eine Handhabung auch von Bohrgestängeelementen 12 mit einem sehr kleinen Durchmesser. Dennoch werden bei der gezeigten Ausführungsform der Deckplatten 30, 32 nur Deckplatten eines ersten und eines zweiten Deckplattentyps benötigt, denn eine Deckplatte 30, wie sie bei einem der Klemmblöcke 20 als obere Deckplatte 30 fungiert, ist bei dem gegenüberliegenden Klemmblock 22 als untere Deckplatte 32 verwendbar und umgekehrt.
Die Darstellungen in Figur 11 und Figur 12 zeigen - teilweise geschnitten - die beiden Klemmblöcke 20, 22 der Unterzange 14 in einer an einem Bohrgestängeelement 12 fixierten Konfiguration. Die Deckplatten 30, 32 sind entsprechend dem Durchmesser des jeweils erfassten Bohrgestängeelements 12 eingefedert, so dass die Griffflächen 42 der beiden Klemmblöcke 20, 22 an der Außenumfangsfläche des Bohrgestängeelements 12 anliegen. Damit ist die Fixierung des Zangensystems 10 insgesamt an dem Bohrgestängeelement 12 erreicht. Den eingefederten Zustand der Deckplatten 30, 32 erkennt man an der Position des Stegblechs 56 relativ zu dem in Richtung auf die Grifffläche 42 davor liegenden Führungslager mit den darin gebildeten Führungsnuten 46. Die Darstellung in Figur 12 zeigt eine maximal oder im Wesentlichen maximal eingefederte Konfiguration der Deckplatten 30, 32. Die Darstellung in Figur 11 mit dem dort erfassten Bohrgestängeelement 12 mit kleinerem Durchmesser zeigt eine im Vergleich dazu weniger weit eingefederte Konfiguration der Deckplatten 30, 32. Nach dem Fixieren der Klemmblöcke 20, 22 an dem Bohrgestängeelement 12 nehmen die Deckplatten 30, 32 und deren Zentrierungskontur an dem weiteren Bewegungsablauf beim Festziehen oder beim Lösen der Gewindeverbindung nicht mehr teil, zumindest nicht an der Übertragung der dabei wirkenden Momente, die einzig über die Griffflächen 42 übertragen werden.
Einzelne im Vordergrund stehende Aspekte der hier vorgelegten Beschreibung lassen sich kurz wie folgt zusammenfassen: Angegeben werden ein Zangensystem 10 zum Verbinden eines Bohrgestängeelements 12 mit einem oftmals ortsfesten Bohrgestängeelement 12 oder zum Trennen eines Bohrgestängeelements von einem anderen Bohrgestängeelement 12, wobei das Zangensystems 10 zumindest zwei einander zugewandte und zum Fixieren des Zangensystems 10 an dem ortsfesten Bohrgestängeelement 12 bestimmte Klemmblöcke 20, 22 umfasst, wobei zumindest ein Klemmblock 20, 22 bewegliche, zur Justierung des Zangensystems 10 relativ zu dem ortsfesten Bohrgestängeelement 12 wirksame Mittel 30, 32 mit einer Zentrierungskontur umfasst, wobei das oder jedes zur Justierung des Zangensystems 10 relativ zu dem ortsfesten Bohrgestängeelement 12 bestimmte Mittel 30, 32 als Zentrierungskontur eine zentrale Kerbe und zwei seitliche Nasen 36, 38 aufweist, insbesondere in Form zweier mit dem als Träger der Zentrierungskontur fungierenden Mittel einstückig verbundener Nasen 36, 38, sowie ein Klemmblock 20, 22 als Bestandteil eines solchen Zangensystems 10.

Bezugszeichenliste

10: Zangensystem
12: Bohrgestängeelement
14: Unterzange
16: Oberzange
18: Antriebseinheit
20-26: Klemmblock
28: Antriebseinheit
30: (obere) Deckplatte
32: (untere) Deckplatte
34: Prisma
36: (lange) Nase
38: (kurze) Nase
40: Mittellängsachse
42: Grifffläche
44: Öffnung (des Zangensystems)
46: Führungsnut
48: Schmiernut
50: Widerlager
52: Federstemmplatte
54: Federdorn
56: Stegblech

Claims

Zangensystem (10) zum Verbinden eines Bohrgestängeelements (12) mit einem ortsfesten Bohrgestängeelement (12) oder zum Trennen eines Bohrgestängeelements von einem ortsfesten Bohrgestängeelement (12)
wobei das Zangensystems (10) zumindest zwei einander zugewandte, zum Fixieren des Zangensystems (10) an dem ortsfesten Bohrgestängeelement (12) bestimmte, mittels einer Antriebseinheit (28) bewegliche Klemmblöcke (20, 22) umfasst, welche auf einer Griffseite eine Grifffläche (42) aufweisen,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest ein Klemmblock (20, 22) bewegliche, zur Justierung des Zangensystems (10) relativ zu dem ortsfesten Bohrgestängeelement (12) wirksame Mittel (30, 32) mit einer Zentrierungskontur umfasst,
dass das oder jedes zur Justierung des Zangensystems (10) relativ zu dem ortsfesten Bohrgestängeelement (12) bestimmte Mittel (30, 32) als Zentrierungskontur eine zentrale Kerbe und zwei seitliche Nasen (36, 38) aufweist und
dass das oder jedes zur Justierung des Zangensystems (10) relativ zu dem ortsfesten Bohrgestängeelement (12) bestimmte Mittel (30, 32) federnd gelagert und relativ zum Klemmblock (20, 22) und zur Grifffläche (42) translatorisch beweglich ist.
Zangensystem (10) nach Anspruch 1, wobei die Zentrierungskontur als seitliche Nasen (36, 38) auf einer Seite der zentralen Kerbe eine lange Nase (36) mit einer kreisbogenförmigen Randkontur und eine kurze Nase (38) mit einer kreisbogenförmigen Randkontur aufweist, wobei ein Radius der kreisbogenförmigen Randkontur der langen Nase (36) kleiner ist als der Radius der kreisbogenförmigen Randkontur der kurzen Nase (38) .
Zangensystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei als zur Justierung des Zangensystems (10) relativ zu dem ortsfesten Bohrgestängeelement (12) wirksames Mittel (30, 32) zumindest eine translatorisch bewegliche Deckplatte (30, 32) des Klemmblocks (20, 22) fungiert.
Zangensystem (10) nach Anspruch 3, wobei jeder zum Fixieren des Zangensystems (10) an dem ortsfesten Bohrgestängeelement (12) bestimmte Klemmblock (20, 22) zwei als Mittel zur Justierung des Zangensystems (10) fungierende Deckplatten (30, 32) aufweist.
Zangensystem (10) nach Anspruch 4, wobei jede Deckplatte (30, 32) die Zentrierungskontur in zwei Ebenen aufweist, wobei eine Abfolge der Ebenen der Zentrierungskontur in den beiden Deckplatten (30, 32) eines Klemmblocks (20, 22) sowie eine Abfolge der Ebenen der Zentrierungskontur in den beiden Deckplatten (30, 32) eines gegenüberliegenden Klemmblocks (20, 22) einen formschlüssigen Eingriff der Ebenen der Zentrierungskontur erlaubt.
Zangensystem (10) nach Anspruch 5, mit zwei Deckplattentypen, wobei bei einem ersten Klemmblock (20) als obere Deckplatte (30) eine Deckplatte eines ersten Deckplattentyps sowie als untere Deckplatte (32) eine Deckplatte eines zweiten Deckplattentyps fungiert und wobei bei einem zweiten, dem ersten Klemmblock (20) gegenüberliegend angeordneten Klemmblock (22) als obere Deckplatte (30) eine Deckplatte des zweiten Deckplattentyps sowie als untere Deckplatte (32) eine Deckplatte des ersten Deckplattentyps fungiert.
Zangensystems (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der oder jeder Klemmblock (20, 22) zur beweglichen Lagerung des oder der Mittel (30, 32) zur Justierung des Zangensystems (10) eine Federvorrichtung (50, 52, 54) umfasst.
Zangensystem (10) nach Anspruch 7, wobei als Federvorrichtung (50, 52, 54) ein am Klemmblock (20, 22) fixiertes Widerlager (50), eine am Widerlager (50) federnd gelagerte Federstemmplatte (52) und mehrere parallel angeordnete und einseitig an der Federstemmplatte 52 fixierte sowie relativ zum Widerlager (50) bewegliche Federdorne (54) fungieren und wobei als Federelemente an jeweils einem Federdorn (54) wechselsinnig geschichtete Tellerfedern fungieren.