WO2015110248A2 - Vorrichtung zur betätigung einer zur kombination mit einem bohrstrang einer bohranlage bestimmten sicherungseinrichtung - Google Patents

Vorrichtung zur betätigung einer zur kombination mit einem bohrstrang einer bohranlage bestimmten sicherungseinrichtung Download PDF

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WO2015110248A2
WO2015110248A2 PCT/EP2014/079411 EP2014079411W WO2015110248A2 WO 2015110248 A2 WO2015110248 A2 WO 2015110248A2 EP 2014079411 W EP2014079411 W EP 2014079411W WO 2015110248 A2 WO2015110248 A2 WO 2015110248A2
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outer part
actuator
hydraulic
actuating device
ibop
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PCT/EP2014/079411
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Inventor
Heiko Schmidt
Johannes Moss
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Bentec Gmbh Drilling & Oilfield Systems
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B21/00—Methods or apparatus for flushing boreholes, e.g. by use of exhaust air from motor
    • E21B21/10—Valve arrangements in drilling-fluid circulation systems
    • E21B21/106—Valve arrangements outside the borehole, e.g. kelly valves
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B2200/00—Special features related to earth drilling for obtaining oil, gas or water
    • E21B2200/04—Ball valves

Definitions

  • the invention relates to a device hereinafter referred to briefly as an actuating device for actuating a safety device, which is intended for combination with a drill string of a drilling rig.
  • the actuating device is intended for actuation of the securing device, the actuating device itself can be combined with the safety device and combined with the safety device in the ready state.
  • the safety device is usually referred to in technical terminology as internal blowout preventer (IBOP) and in short, it is a pipe section with a valve with a pierced, spherical shut-off in the manner of a ball valve used in a ball valve (ball valve).
  • IBOP internal blowout preventer
  • This valve is located in a combinable with the drill string of a drilling rig pipe section.
  • the shut-off body can be actuated by means of a pin guided on the outside of the pipe section and acting as an axis of rotation and / or a form-fitting contour formed in the end face of the pin, for example a form-fitting contour in the form of a hexagon socket.
  • the safety device referred to in the following as IBOP is, for example, part of a so-called top drive and is attached to the lower end of a main shaft which is rotated by the Topdrive during the drilling operation.
  • IBOP is usually located in the technical terminology as saver sub designated and acting as a connector wear part.
  • saver sub designated and acting as a connector wear part.
  • the main shaft, the IBOP and the fitting are bolted together, usually in the same manner as the drill string elements of a
  • Drill string are bolted together.
  • the fitting is bolted to the drill string during drilling and is thus effective for transmitting power from the topdrive to the drill string.
  • Such a screwing takes place by means of a threaded portion which engages in a corresponding threaded portion of the uppermost drill string element of the drill string.
  • the connection piece (“saver sub") thus protects the thread of the IBOP, with which otherwise a direct connection to the drill string would be possible.
  • the subject actuating device can therefore also be referred to as a device for actuating a securing device intended for combination with a top drive of a drilling rig.
  • the Topdrive also includes the lines for supplying rinsing liquid, which is pressed in a conventional manner during the drilling process in the drill string, on the one hand to effect a necessary cooling and on the other hand transported away during the drilling process cuttings.
  • the flushing fluid is forced through the drill string into the wellbore when the topdrive is coupled to the drill string. If the Topdrive is temporarily disconnected from the drill string when installing and removing drill rods, it is necessary to prevent further flow of rinsing fluid.
  • the IBOP is intended for this purpose and the IBOP is closed for a topdrive decoupled from the drill string. Fusing devices and actuators to open and close the IBOP known as IBOP are known.
  • the IBOP rotates with the main shaft rotated by the Topdrive.
  • the actuator for the IBOP is accordingly also in the rotating area.
  • the actuating device is usually operated hydraulically, so that the hydraulic supply and discharge lines must be guided via a rotary feedthrough.
  • the rotary union is often leaking. Such leaks are sometimes even wanted because escaping hydraulic oil is effective for lubrication. Nevertheless, such leaks cause problems in terms of material loss and the associated pollution, which is particularly relevant from the aspect of environmental protection.
  • An object of the present invention starting from this prior art is to provide a further, improved embodiment of an actuator of the type mentioned. Because the actuator is operative to actuate the shut-off body of the overall IBOP functioning as a valve, the actuator may also be referred to as a valve actuator or IBOP actuator.
  • the above object is achieved with an actuator with the features of claim 1.
  • the actuating device comprises an outer part and an inner part. The inner part is movable relative to the outer part by means of at least one expansion element.
  • the or each expansion element which is for example a hydraulic cylinder, engages on a first side on the outer part and on an opposite, second side on the inner part.
  • actuation of a shut-off body encompassed by the securing device can be effected.
  • the IBOP thus acts as a valve and depending on the position of the shut-off valve, the valve (the IBOP) is open or closed.
  • the actuating device proposed here is characterized in that the inner part and the outer part rotate in a drill string mounted on the configuration of the actuating device with the drill string and that the or each expansion element is mounted rotationally fixed with respect to the rotating drill string.
  • With electrically activated expansion elements eliminates a slip ring body or the like.
  • the or each expansion element is mounted floating on at least one side.
  • the advantage of such an embodiment is that due to the floating mounting of the or each expansion element tilting and transmission of bending moments, bending stresses and bending forces is avoided in an activation of the actuator. This ensures a longer life of the or each expansion element.
  • a better reliability of the actuator itself is achieved, by means of which, without such tilting and / or unwanted transmission of bending moments and the like in case of need the IBOP quickly and smoothly and in the necessary when installing and removing drill pipe frequency opened and closed can.
  • the or each expansion element for floating storage on a circumferential groove, in which a in an acting on the outer part support structure in the axial direction of the respective expansion element fixed ring element intervenes.
  • the groove - in the sense of a kinematic reversal also be on the side of the support structure and the ring member on the expansion element. The smaller compared to the width of the groove height of the ring member causes the floating mounting of the respective expansion element.
  • the expansion element is axially displaceable in the context of a gap remaining below or above the ring element in the groove. This mobility allows to some extent also an inclination of the respective expansion element.
  • the respective expansion element can therefore adapt to the relative position of the inner and outer part of the actuator and remains itself free of bending stresses and the like.
  • Alternatively and equally effective is also a one-sided design of the or each expansion element in the form of or in the manner of a ball head into consideration, wherein on the outer part for receiving the ball head, a corresponding spherical shell is formed. Then the spreader is movable in the manner of a ball joint and also remains free of bending stresses and the like.
  • the following description is continued in the interest of better readability - but without waiving any further generality - using the example of an actuator with exactly three each functioning as a spreading hydraulic cylinders.
  • each hydraulic cylinder has at least on one side a prestressed spring element.
  • the spring element and its suitable bias cause the shut-off of the IBOP is operated exactly to the stop. It is exploited that a shut-off in the form of a rotatable, pierced ball completely closes before the stop position.
  • the shut-off of the IBOP can be actuated by means of a lever.
  • the lever is guided or stored for example in the outer part of the actuator.
  • a free end of the lever engages in a backdrop in or on the inner part.
  • the lever engages as in a manually operated ball valve in a conventional manner to a specific axis for rotating the shut-off. With a pivoting of the lever, a rotation of the shut-off body is achieved.
  • the free end of the lever engages in a gate of the inner part of the actuating device, the lever is actuated by means of a movement of the inner part relative to the axially stationary outer part.
  • the actuating device acts as an outer part of a one-piece 5 hollow cylinder or a hollow cylinder formed from two or more shell elements.
  • a positive locking contour is formed in the inner surface of the shell elements or at least individual shell elements.
  • one or more ring segments each of which has a positive locking contour, can be attached thereto.
  • the form-fitting contour can be positively combined with a corresponding form-fitting contour on the drill string, which is referred to as a form-fitting counter-contour for differentiation.
  • the form-fitting contour is, for example, a lenticular elevation circulating in the circumferential direction of the hollow cylinder.
  • a corresponding circumferential circumferential recess is formed in the outer surface of the IBOP a corresponding circumferential circumferential recess is formed. The two form-fitting contours can thus be combined form-fittingly with each other
  • the shell elements can be attached to the IBOP successively and in each case under a form-fitting combination of the form-fitting contour and the form-fitting countercontour. Once the shell elements are interconnected in this configuration, a secure attachment of the actuator to the IBOP is provided, especially in the axial direction of the drill string / IBOP.
  • a one-piece hollow cylinder functions as the outer part of the actuating device, the actuating device as a whole is pushed from below over the IBOP.
  • lenticular elevation / recess instead of a lenticular elevation / recess, other contours that can be form-locked can also be considered.
  • the lenticular design has the advantage of self-alignment. It does not matter whether the encircling lenticular elevation on the side of the outer part or - in the sense of a kinematic reversal - is formed in the surface of the IBOP.
  • integral hollow cylinder form-locking contour is formed on the part of the actuator in one or more combinable with the outer ring segments, the or each ring segment is inserted into a head-side recess of the outer part 5 and wherein the Recess with a engaging between the ring segment and outer part lid member is closed.
  • the thus achieved separation of the positive locking contour from the outer part of the actuator allows axial displacement of the actuator on the IBOP. If, in the context of the thus given displaceability, an axial position is achieved by displacing the actuating device, in which the axis provided for actuating the shut-off body is contactable (desired axial position), the or each ring segment with the positive-locking contour is formed by attaching the cover element the recess in the outer part moves toward the surface of the IBOP. Then the two form-fitting contours interlock. Characterized in that the cover element engages when mounting in a previously existing between the ring segment and the inner surface of the outer part 5 gap, the ring segment is moved in the radial direction and thus fixes the positive locking total. Such an embodiment of the actuator facilitates their attachment quite considerably.
  • actuating device acting as a spreading o o hydraulic cylinder are designed in the form of a double-acting hydraulic cylinder with a one-sided piston rod.
  • the hydraulic cylinders then have an annular chamber, which can be acted upon by hydraulic fluid for retraction of the piston rod, with an annular surface and a piston chamber, which can be acted upon by hydraulic fluid for extending the piston rod, with a piston surface.
  • the piston surface is twice as large or substantially twice as large as the annular surface, it is possible to achieve, for example by means of the hydraulic circuit described below, that the force acting on extension of the piston rod, ie on spreading of the actuating device, is equal to or greater than is substantially the same as the force acting upon retraction of the piston rod force.
  • the actuating device has at least three hydraulic cylinders, each acting as a spreading element and distributed regularly along the outer circumference of the actuating device. A first and last hydraulic cylinder in the circumferential direction is in each case directly connected to a first and a second hydraulic supply line.
  • each between the first and the last hydraulic cylinder lying hydraulic cylinder is connected on both sides indirectly or directly via the first and the last hydraulic cylinder to the first and second hydraulic supply line, can be a largely uniform introduction of the respective hydraulic fluid in all hydraulic cylinders and thus a uniform or at least substantially uniform retraction and extension of all hydraulic cylinders to reach.
  • actuating device In order to obtain the same forces acting in the hydraulic cylinders, in one embodiment of the actuating device a special hydraulic circuit intended for actuating the hydraulic cylinders is provided.
  • the invention is also a drilling rig for deep drilling with such an actuator or a top drive for such a drilling rig with such an actuator.
  • FIG. 3 shows the actuating device according to FIG. 2 in an isometric view
  • FIG. 1 shows a topdrive 10 of the Applicant as an example of a basically known topdrive 10.
  • a top drive 10 After such a top drive 10 is known, the description may be limited to the details relevant to the following and a description of other details may be dispensed with.
  • the topdrive 10 Seen from the bottom upwards, the topdrive 10 comprises a holding forceps 11 for holding drill pipe elements, not shown here, of the drill string, likewise not shown. Above the half of the holding forceps 11 is one here and below according to the usual
  • IBOP 12 securing device 12. Between the holding forceps
  • first anti-rotation 13 With the safety device 12 / the IBOP 12, an actuator 14 is combined, which can also be referred to as IBOP actuator accordingly.
  • second anti-rotation lock 15 Above the IBOP 12 there is a second anti-rotation lock 15.
  • a threaded connection between the IBOP 12 and a so-called main shaft 16 rotated by the top drive 10 during operation is secured.
  • a threaded connection between the IBOP 12 and a connection piece o which is usually used between the IBOP 12 and the drill string and functions as a wearing part is secured.
  • FIG. 2 and FIG. 3 essentially show the actuating device 14, namely in a half section (FIG. 2) and in an isometric, likewise partially sectioned view (FIG. 3).
  • the cut 5 part of the actuating device 14 is in the right half.
  • On the left is correspondingly the uncut portion of the actuator 14 shown.
  • On the far left a torque arm 18 is shown, by means of which the actuator 14 is rotatably coupled to the Topdrive 10.
  • Above and below the actuator 14 are still the pipe sections of the IBOP
  • the actuating device 14 comprises an outer part 20 and an inner part 22. Outer part 20 and inner part 22 are movable relative to each other. In the illustrated embodiment, the outer part 20 is fixed axially fixed to the IBOP 12. The inner part 22 is thus movable relative to the outer part 20. The outer part 20 and the inner part 22 are designed with overlapping cuffs, so that the movement of the inner part 22 relative to the outer part 20 takes place in the form of a telescoping movement.
  • the actuating device 14 comprises three hydraulic cylinders 24, which are distributed uniformly over the outer circumference of the actuating device 14 and act as a spreading element 24.
  • the outer part 20 is fixed in the axial direction on the IBOP 12.
  • a positive locking contour 26 and a positive locking counter contour 28 are provided.
  • the form-fitting contour 26 is located in or on the outer part 20.
  • the form-fitting counter contour 28 is correspondingly formed in the IBOP 12. If form-fitting contour 26 and form-fitting counter-contour 28 engage in a form-fitting manner with each other, the outer part 20 and thus the actuating device 14 are axially fixed overall to the IBOP 12.
  • each activation of hydraulic cylinders 24 to extend their piston rods causes an axial displacement of inner part 22 along the longitudinal axis of IBOP 12 and thus the already mentioned relative movement of inner part 22 to outer part 20.
  • This axial displacement of inner part 22 is used to operate the shut-off body 30 of the IBOP 12.
  • shut-off body 30 The actuation of the shut-off body 30 must also take place when the IBOP 12 rotates. So far, a rotary feedthrough has been necessary for this purpose in order to be able to conduct hydraulic fluid from a non-rotating region of the top drive 10 to the hydraulic cylinders 24, which have also been co-rotated so far.
  • the actuating device 14 proposed here is characterized in that such a rotary feedthrough is not necessary.
  • a support structure 32 by means of which the hydraulic cylinder 24 on the outer part 20 and the inner part 22 engage with the outer part 20 and the inner part 22 via a ball bearing 34 hereinafter referred to briefly. or rolling bearing ring connected.
  • the support structure 32 with the hydraulic cylinders 24 is coupled by means of the torque arm 18 to a non-rotating part of the top drive 10, for example a support, at the lower end of which the holding clamp 11 is mounted.
  • the hydraulic cylinders 24 are thus not affected by the rotational movement of the IBOP 12 and the rotational movement of the outer part 20 and the inner part 22 of the actuator 14.
  • the form-fitting contour 26 and the positive locking counter-contour 28 are shown here in section and can also be seen in the illustration in FIG.
  • the form-fitting counter-contour 28 is a concave depression in the surface of the IBOP 12.
  • the corresponding form-fitting contour 26 is correspondingly characterized by a convex, in particular lenticular, surface.
  • the form-fitting contour 26 is located in or on an inner surface of the outer part 20 of the actuator 14.
  • an outer part 20 formed from two or more shell elements when attaching the actuating device 14, first one of the shell elements is applied to the IBOP 12 and the remaining shell elements to the or each already attached shell element combined.
  • the positive locking contour 26 comes with the Positive locking counter-contour 28 for engagement, so that the outer part 20 formed from two or more shell elements is fixed in the axial direction of the IBOP 12.
  • FIG. 4 already shows a particular embodiment, in which the mold 5 closing contour 26 is formed in at least one ring segment 36 which can be combined with the outer part 20.
  • the mold 5 closing contour 26 is formed in at least one ring segment 36 which can be combined with the outer part 20.
  • Such an embodiment is specifically for a one-piece, hollow cylindrical outer part 20 into consideration.
  • the or each ring segment 36 can be inserted into a head-side recess formed on the upper side of the outer part 20, which is referred to below as the top side.
  • This recess can be closed with a cover element 38 engaging between the or each ring segment 36 and o the outer part 20.
  • the lid member 38 covers the outer part 20 from the head side and is characterized by an L-shaped cross-sectional contour.
  • a vertically oriented leg of the lid member 38 engages in the recess between the outer part 20 and IBOP 12 a.
  • the free end of the vertical leg engages when attaching the lid member 38 on the outer part 20 in a space between the 5 or each in the recess initially largely freely movable ring segment 36 and the inner surface of the outer part 20 and moves the or each ring segment 36 in Direction to the surface of the IBOP 12.
  • Ring segment 36 with the positive locking counter-contour 28 in the IBOP 12 is the actuator 14 on the IBOP 12 is still movable in the axial direction and thus allows an adjustment until an axial position is reached, in which a provided for actuating the shut-off body 30 axis 50 (Fig ) is contactable.
  • the use of one or more ring segments 36 and a cover element 38 thus considerably facilitates the attachment of the actuating device 14 to the IBOP 12.
  • the hydraulic cylinder 24 functioning as a spreading element 24 is mounted floating on one side.
  • Each hydraulic cylinder 24 of the actuator 14 is supported in the same manner.
  • the floating bearing is shown here for the piston side of the hydraulic cylinder 24. Basically, a similar or similar floating storage for the opposite side into consideration.
  • the floating bearing is achieved in that the hydraulic cylinder 24 has a circumferential groove 40, in which a fixed to the support structure 32 in the axial direction of the hydraulic cylinder 24 ring member 42, for example a ring member 42 in the form of a snap ring or locking ring, intervenes.
  • the ring element 42 on the outer part 20 or relative to the outer part 20 is also in the axial direction Direction fixed.
  • the floating bearing results from the lower in comparison to the opening width of the hydraulic cylinder 24 groove 40 lower effective height of the ring member 42.
  • the hydraulic cylinder 24 is thus axially movable in the support structure 32 to some extent, but above all, this storage allows a limited Inclined position of the hydraulic cylinder 24. Instead of such storage also comes into consideration, as is given for example in a ball joint.
  • the top of the hydraulic cylinder 24 acts as a ball head and is shaped accordingly and stored in a correspondingly shaped and formed in the support structure 32 spherical shell. Both forms for the movable mounting of the hydraulic cylinder 24 in the support structure 32 ensure that when spreading the actuator 14 no bending moments, bending stresses and bending forces are transmitted, so that a longer
  • An O-ring 44 acts as a seal and ensures in the unloaded state for positioning of the hydraulic cylinder 24 in a rest position. With an axial displacement of the hydraulic cylinder 24 or an inclined position of the hydraulic cylinder 24, the O-ring 44 deforms and acts accordingly as a restoring element as soon as the axial displacement or the oblique position causing force no longer acts.
  • FIG. 5 shows in comparison to the illustration in Figure 4, the underside of the hydraulic cylinder 24 and its attachment to the carrier 22 connected to the support member 32.
  • a biased spring element 46 for example in the form of one or more spring washers or in the form of one or more disc springs, wherein in the illustrated embodiment two oppositely placed disc springs act as spring elements attached. This takes on fully extended hydraulic cylinders 24, the force when fully shut-off hydraulic cylinders 24, the shut-off 30 already is actuated to the stop.
  • the bias of the spring element 46 is chosen so that the spring element 46 begins to deform when the shut-off body 30 is fully rotated.
  • the prestressed spring element 46 is located in a recess with a laterally encircling web 48 which strikes a base plate with a compressed spring element 46 and thus to transfer the full force of the hydraulic cylinder 24 is effective. In this way, the prestressed spring element 46 is effectively short-circuited and plays no role in the power transmission.
  • an O-ring 49 acts as a seal and as a return element.
  • FIG. 6 and FIG. 7 show details of the actuation of the shut-off body 30 by means of the actuating device 14.
  • FIG. 6 shows a section from a longitudinal section through the actuating device 14 resting on the outside of the IBOP 12.
  • the outer part 20 and the inner part 22 that is movable relative to the outer part 20 are visible.
  • an axle 50 is provided, which is connected to the shut-off body 30 either in one piece or is mounted in a form-fitting manner on a journal acting as a rotation axis of the shut-off body 30 in the IBOP 12.
  • a patch on the outer part 20 cover plate 52 forms together with the outer part 20, a bearing for a combined with the axis 50 lever 54.
  • a form-fitting contour here a positive locking contour in the form of a hexagon socket, so that the shut-off 30 also manually, namely by inserting a corresponding tool in the positive locking contour, can be operated.
  • FIG. 7 shows from another perspective and without the sectional area shown in FIG. 6 the attachment of the lever 54 already shown in FIG. 6 without the cover plate 52.
  • the lever 54 connected to the axle 50 has a pin at its free end 56, which engages in a frame 58 formed in the movable inner part 22 or connected to the movable inner part 22.
  • the gate 58 is in the broadest sense a parallel to a circumferential line of the IBOP 12 aligned slot or a one-sided open slot.
  • the design as a slot causes the pin 56 can be performed in each case during the operation of the actuator 14 occurring orientation of the lever 54 in the link 58.
  • Each movement of the inner part 22 relative to the outer part 20 leads to a translational movement of the link 58 relative to the axis 50, so that the resulting upon activation of the actuator 14 translational movement of the inner part 22 and the associated translational movement of the link 58 in a rotational movement the lever 54 o is implemented.
  • Such actuation of the lever 54 results in rotation of the shut-off body 30 in the IBOP 12 and thus in opening or closing of the IBOP 12.
  • FIG. 8 shows a hydraulic circuit 60 intended for actuating the hydraulic cylinders 24 (only one shown).
  • the hydraulic cylinders 24 are hydraulic cylinders 24 known in the form of double-acting hydraulic cylinders 24 with a one-sided piston rod 62 have a for engaging the piston rod 62 acted upon by hydraulic fluid annular chamber 64 having an annular surface and a for extending the piston rod 62 acted upon by hydraulic fluid piston chamber 66 having a piston surface.
  • the piston area is twice or substantially twice as large as the annular area.
  • the hydraulic circuit 60 starts from a first port 70 and a second port 72. It has a first pressure-actuated two-way valve 74 and a second pressure-actuated Two-way valve 76 and optionally a manually operable two-way valve (manual valve) 78 on.
  • a first branch 80 of the hydraulic circuit 60 leads directly from the first port 70 to the piston chamber 66.
  • a second branch 82 of the hydraulic circuit 60 via the second two-way valve 76 to the annular chamber 64.
  • FIG. 8 shows the hydraulic circuit 60 with unconfirmed valves 74, 76, 78 and thus the idle state of the hydraulic circuit 60.
  • the actuating device 14 In such a state of rest, the actuating device 14 is in a total idle state and the hydraulic o cylinder 24 are due to the unactuated Valves 74, 76, 78 hydraulically braced. This means that the shut-off body 30 is fixed in its respective rotational position.
  • FIGS. 9A, 9B and 9C show three operational states of the hydraulic circuit 60 which are meaningful during operation. A repetition of all reference numbers has been dispensed with in the interest of clarity of the illustrations. In that regard, reference is made to the illustration in FIG.
  • FIG. 9A shows the switching state for extending the hydraulic cylinder 24. As soon as the first port 70 of the hydraulic circuit 60 is pressurized, o is exerted by the hydraulic fluid pressure on the piston surface of the piston chamber 66.
  • the first pressure-actuated two-way valve 74 is actuated / opened so that the first branch 80 is connected to the second branch 82 and pressure is thus exerted on the annular surface of the annular chamber 64 by means of the hydraulic fluid. Due to the above-mentioned conditions of the piston surface and the annular surface (the piston surface is twice as large as the annular surface), the force acting on the piston surface force outweighs the force acting on the annular surface by twice, so that the piston rod 62 and thus the hydraulic cylinder 24th extends altogether.
  • FIG. 9B shows the switching state for retracting the hydraulic cylinders 24.0.
  • the second port 72 of the hydraulic circuit 60 is pressurized instead of the first port 70, the second pressure-actuated two-way valve 76 actuates the second branch 82 into the annular chamber 64.
  • the piston chamber 66 is not pressurized.
  • the force acting on the annular surface corresponds to the sum of the forces acting on the piston surface and on the annular surface during the extension of the hydraulic cylinders 24.
  • the Forces during retraction of the hydraulic cylinder 24 thus correspond to the forces during extension of the hydraulic cylinder 24, so that when spreading the actuator 14 and the collapse of the actuator 14, ie when closing or when opening the IBOP 12, the same conditions apply.
  • FIG. 9C finally shows the switching state resulting from actuation of the manually operable two-way valve 78.
  • the second branch 82 and the annular chamber 64 are relaxed.
  • the hydraulic cylinders 24 can be retracted and extended by hand. As a result, the hydraulic cylinders 24 are hydraulically relaxed overall.
  • the IBOP 12 can thus be opened and closed manually.
  • the hydraulic cylinders 24, which in each case act as spreading elements 24, are regularly distributed along the outer circumference of the actuating device 14.
  • two hydraulic cylinders 24 at a distance of 120 ° can be seen (a hydraulic cylinder 24 on the right side of the representation in longitudinal section and a hydraulic cylinder 24 on the left side of the illustration).
  • a third, not visible hydraulic cylinder 24 is also located at a distance of 120 ° to the two visible in Figure 3 hydraulic cylinders 24 on the back of the actuator 14.
  • a regular distribution of the hydraulic cylinder 24 along the outer periphery of the actuator 14 is given.
  • control block 84 is shown with the two mentioned in the explanation of the hydraulic circuit 60 terminals 70, 72 for the external supply of hydraulic fluid.
  • the control block 84 comprises the hydraulic circuit 60. Starting from the control block 84, two lines go to the piston chamber 66 and the annular chamber 64 of the hydraulic cylinder 24 shown on the right. Here, the two lines are divided into two parallel paths, so that the hydraulic fluid simultaneously to the right and reaches the hydraulic cylinder 24 shown on the left.
  • both the hydraulic cylinder 24 shown on the right as well as the hydraulic cylinder 24 shown on the left on their rear side in the view direction selected for the representation in Figure 10 each having hydraulic lines leading to the piston chamber 66 and the annular chamber 64 of the invisible third hydraulic cylinder 24.
  • a first and last hydraulic cylinders 24 in the circumferential direction in this case the two hydraulic cylinders 24 visible in the illustration in FIG. 10, are each directly connected to a first and a second hydraulic supply line and the or each between the first and the last hydraulic cylinders
  • the hydraulic cylinder 24 lying the last hydraulic cylinder 24 is connected on both sides indirectly or directly via the first and the last hydraulic cylinder 24 to the first and second hydraulic supply line.
  • An actuator 14 for a drilling rig and a drilling rig or a topdrive 10 for a drilling rig with such an actuator 14 are indicated, wherein the actuating device 14 are two axially relative to each other movable parts (outer part 20, inner part 22) which rotate with a safety device 12 to be actuated (IBOP) in operation, and at least one not affected by the rotation spreader 24 for triggering the relative movement of outer part 20 and inner part 22 includes.
  • the or each expansion element 24 is connected to the outer part 20 and the inner part 22 via a two-part support structure 32 and each one executed, for example in the form of a roller or roller bearing bearing 34.
  • the or each rotatably arranged and correspondingly during operation of the actuator 14 by the rotation of the outer and inner parts 20, 22 not affected spreading element 24 can be controlled very easily and overall results in a low-maintenance embodiment of an actuator 14.
  • the actuator 14 can also as IBOP Actuator. LIST OF REFERENCE NUMBERS
  • shut-off body 74 first pressure-actuated

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Abstract

Angegeben werden eine Betätigungsvorrichtung (14) für eine Bohranlage und eine Bohranlage mit einer derartigen Betätigungsvorrichtung (14), wobei die Betätigungsvorrichtung (14) zwei axial relativ zueinander bewegliche Teile (Außenteil 20, Innenteil 22), die mit einer zu betätigenden Sicherungseinrichtung 12 (IBOP) im Betrieb rotieren, sowie zumindest ein nicht von der Drehung betroffenes Spreizelement (24) zur Auslösung der Relativbewegung von Außenteil 20 und Innenteil 22 umfasst.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur Betätigung einer zur Kombination mit einem Bohrstrang einer Bohranlage bestimmten Sicherungseinrichtung
Die Erfindung betrifft eine im Folgenden kurz als Betätigungsvorrichtung bezeichnete Vorrichtung zur Betätigung einer Sicherungseinrichtung, die zur Kombination mit einem Bohrstrang einer Bohranlage bestimmt ist. Indem die Betätigungsvorrichtung zur Betätigung der Sicherungseinrichtung bestimmt ist, ist die Betätigungs Vorrichtung selbst mit der Sicherungseinrich- tung kombinierbar und im betriebsbereiten Zustand mit der Sicherungseinrichtung kombiniert.
Die Sicherheitseinrichtung wird in der Fachterminologie üblicherweise als internal blowout preventer (IBOP) bezeichnet und kurz gefasst handelt es sich dabei um einen Rohrabschnitt mit einem Ventil mit einem durchbohrten, kugelförmigen Absperrkörper nach Art eines bei einem Kugelhahn (ball valve) verwendeten Absperrkörpers. Dieses Ventil befindet sich in einem mit dem Bohrstrang einer Bohranlage kombinierbaren Rohrabschnitt. Der Absperrkörper ist mittels eines an die Außenseite des Rohrabschnitts geführten und als Drehachse fungierenden Zapfens und/oder einer in der Stirnfläche des Zapfens gebildeten Formschlusskontur, zum Beispiel einer Formschlusskontur in Form eines Innensechskants, betätigbar. Die im Folgenden kurz also IBOP bezeichnete Sicherungseinrichtung ist zum Beispiel Bestandteil eines sogenannten Topdrives und ist am unteren Ende eines vom Topdrive beim Bohrbetrieb in Rotation versetzten sogenannten main shafts angebracht. Unterhalb des IBOP befindet sich üblicherweise ein in der Fachterminologie als saver sub bezeichnetes und als Anschlussstück fungierendes Verschleißteil. Der main shaft, der IBOP und das Anschlussstück sind miteinander verschraubt und zwar üblicherweise in der gleichen Art und Weise wie auch die Bohrgestängeelemente eines
Bohrstrangs miteinander verschraubt sind.
Das Anschlussstück wird beim Bohren mit dem Bohrstrang verschraubt und ist damit zur Kraftübertragung vom Topdrive auf den Bohrstrang wirksam. Eine solche Verschraubung erfolgt mittels eines Gewindeabschnitts, der in einen korrespondierenden Gewindeabschnitt des obersten Bohrgestängeelements des Bohrstrangs eingreift. Das Anschlussstück („saver sub") schützt damit das Gewinde des IBOP, mit dem ansonsten auch direkt eine Ankopplung an den Bohrstrang möglich wäre. Die gegenständliche Betätigungsvorrichtung kann demnach auch als Vorrichtung zur Betätigung einer zur Kombination mit einem Topdrive einer Bohranlage bestimmten Sicherungseinrichtung bezeichnet werden. Der Topdrive umfasst auch die Leitungen zur Zuführung von Spülflüssigkeit, die in an sich bekannter Art und Weise während des Bohrvorgangs in den Bohrstrang gepresst wird, um einerseits eine notwendige Kühlung zu bewirken und andererseits während des Bohrvorgangs entstehendes Bohrklein abzutransportieren. Die Spülflüssigkeit wird durch den Bohrstrang in das Bohrloch gepresst, wenn der Topdrive an den Bohrstrang gekoppelt ist. Wenn beim Ein- und Ausbauen von Bohrgestänge der Topdrive zeitweise vom Bohrstrang abgekoppelt ist, muss weiteres Nachströmen von Spülflüssigkeit verhindert werden. Unter anderem dafür ist der IBOP vorgesehen und bei einem vom Bohrstrang abgekoppelten Topdrive ist der IBOP geschlossen. Als IBOP fungierende Sicherungseinrichtungen und Betätigungsvorrichtungen zum Öffnen und Schließen des IBOP sind bekannt. Exemplarisch kann auf die US 3,806,082 sowie die
US 6,840,493 verwiesen werden. Weitere Dokumente zum Stand der Technik sind die
US 3,941,348, die US 5,325,888 und die US 5,979,865. Der IBOP rotiert mit dem vom Topdrive in Rotation versetzten main shaft. Die Betätigungsvorrichtung für den IBOP befindet sich entsprechend auch in dem rotierenden Bereich. Die Betätigungsvorrichtung wird üblicherweise hydraulisch betrieben, so dass die hydraulischen Zu- und Ableitungen über eine Drehdurchführung geführt werden müssen. Die Drehdurchführung ist allerdings häufig undicht. Solche Undichtigkeiten sind mitunter sogar gewollt, weil austreten- des Hydrauliköl zur Schmierung wirksam ist. Dennoch bereiten solche Undichtigkeiten Probleme im Hinblick auf den Materialverlust und die damit einhergehende Verschmutzung, die besonders unter dem Aspekt des Umweltschutzes relevant ist.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend von diesem Stand der Technik darin, eine weitere, verbesserte Ausführungsform einer Betätigungsvorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben. Weil die Betätigungsvorrichtung zur Betätigung des Absperrkörpers des insgesamt als Ventil fungierenden IBOPs wirksam ist, kann die Betätigungsvorrichtung auch als valve actuator oder IBOP actuator bezeichnet werden. Die oben genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Betätigungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dazu ist bei einer Betätigungsvorrichtung der eingangs genannten Art Folgendes vorgesehen: Die Betätigungs Vorrichtung umfasst ein Außenteil und ein Innenteil. Das Innenteil ist mittels zumindest eines Spreizelements relativ zum Außenteil beweglich. Dazu greift das oder jedes Spreizelement, bei dem es sich zum Beispiel um einen Hydraulikzylinder handelt, auf einer ersten Seite am Außenteil und auf einer gegenüberliegenden, zweiten Seite am Innenteil an. Mittels einer durch eine Aktivierung des oder jedes Spreizelements bewirkten Bewegung des Innenteils relativ zum Außenteil ist eine Betätigung eines von der Sicherungseinrichtung (dem IBOP) umfassten Absperrkörpers bewirkbar. Der IBOP fungiert damit als Ventil und je nach Stellung des Absperrkörpers ist das Ventil (der IBOP) geöffnet oder geschlossen.
Die hier vorgeschlagene Betätigungsvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das Innenteil und das Außenteil in einer am Bohrstrang angebrachten Konfiguration der Betätigungsvorrich- tung mit dem Bohrstrang rotieren und dass das oder jedes Spreizelement in Bezug auf den rotierenden Bohrstrang drehfest angebracht ist. Zur Beaufschlagung von als Spreizelement fungierenden Hydraulikzylindern mit Hydraulikflüssigkeit ist damit keine Drehdurchführung erforderlich. Damit entfällt auch der bisher oftmals unvermeidliche Austritt von Hydraulikflüs- sigkeit im Bereich einer solchen Drehdurchführung. Bei elektrisch aktivierten Spreizelementen entfällt ein Schleifringkörper oder dergleichen.
Aus der US 2007/0 236 006 AI ist eine zweiteilige Vorrichtung zum Zuleiten von Hydraulikflüssigkeit zu einem IBOP bekannt, deren beide Teile mittels eines actuating member relativ zueinander beweglich sind. Anders als bei der hier vorgeschlagenen Betätigungsvorrichtung rotieren aber nicht beide Teile mit dem Bohrstrang. Vielmehr rotiert nur eines der beiden Teile der zweiteiligen Vorrichtung, während das andere Teil relativ zum Bohrstrang drehfest angebracht ist. Bei der in der US 2007/0 236 006 AI beschriebenen Vorrichtung handelt es sich um eine spezielle Form einer Drehdurchführung. Die Notwendigkeit einer solchen Drehdurchführung wird mit der hier vorgeschlagenen Lösung gerade vermieden. Eine weitere Drehdurchfüh- rung ist aus der US 5,507,467 bekannt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unter anspräche. Dabei verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstands des Hauptanspruches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin. Sie sind nicht als ein Ver- zieht 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 der Betätigungsvorrichtung ist das oder jedes Spreizelement zumindest einseitig schwimmend gelagert. Der Vorteil einer solchen Ausführung besteht darin, dass aufgrund der schwimmenden Lagerung des oder jedes Spreizelements ein Verkanten und eine Übertragung von Biegemomenten, Biegespannungen und Biegekräften bei einer Aktivierung der Betätigungsvorrichtung vermieden wird. Dies gewährleistet eine längere Haltbarkeit des oder jedes Spreizelements. Damit wird auch eine bessere Betriebssicherheit der Betätigungsvorrichtung selbst erreicht, mittels derer ohne ein solches Verkanten und/oder eine unerwünschte Übertragung von Biegemomenten und dergleichen im Bedarfsfall der IBOP schnell und reibungslos sowie in der beim Ein- und Ausbauen von Bohrgestänge notwendigen Häufigkeit geöffnet und geschlossen werden kann.
Bei einer Ausführungsform der Betätigungsvorrichtung, bei der das oder jedes Spreizelement zumindest einseitig schwimmend gelagert ist, weist das oder jedes Spreizelement zur schwim- menden Lagerung eine umlaufende Nut auf, in welche ein in einer am Außenteil angreifenden Trägerstruktur in axialer Richtung des jeweiligen Spreizelements fixiertes Ringelement eingreift. Alternativ kann sich die Nut - im Sinne einer kinematischen Umkehr - auch auf der Seite der Trägerstruktur und das Ringelement am Spreizelement befinden. Die im Vergleich zur Weite der Nut geringere Höhe des Ringelements bewirkt die schwimmende Lagerung des jeweiligen Spreizelements. Das Spreizelement ist im Rahmen eines unterhalb oder oberhalb des Ringelements in der Nut verbleibenden Spalts axial verschieblich. Diese Verschieblichkeit erlaubt in gewissem Umfang auch eine Schrägstellung des jeweiligen Spreizelements. Das jeweilige Spreizelement kann sich demnach der relativen Lage von Innen- und Außenteil der Betätigungsvorrichtung anpassen und bleibt selbst frei von Biegespannungen und dergleichen. Alternativ und gleichwirkend kommt auch eine einseitige Ausführung des oder jedes Spreizelements in Form von oder nach Art eines Kugelkopfs in Betracht, wobei am Außenteil zur Aufnahme des Kugelkopfs eine korrespondierende Kugelschale gebildet ist. Dann ist das Spreizelement nach Art eines Kugelgelenks beweglich und bleibt ebenfalls frei von Biegespannungen und dergleichen. Die nachfolgende Beschreibung wird im Interesse einer besseren Lesbarkeit - allerdings ohne Verzicht auf eine weitergehende Allgemeingültigkeit - am Beispiel einer Betätigungsvorrichtung mit genau drei jeweils als Spreizelement fungierenden Hydraulikzylindern fortgesetzt. Alternativ kommt als Spreizelement auch eine Gewindespindel oder eine Scherenhubmechanik oder dergleichen in Betracht. Jede zukünftige Erwähnung eines Hydraulikzylinders ist demnach als„Spreizelement, insbesondere Hydraulikzylinder" zu lesen. Des Weiteren ist jede zukünftige Erwähnung einer Mehrzahl von Hydraulikzylindern so zu lesen, dass auch eine Ausführungsform mit genau einem Hydraulikzylinder oder mehr oder weniger als drei Hydraulikzylindern erfasst ist.
Bei einer Ausführungsform der Betätigungsvorrichtung weist jeder Hydraulikzylinder zumindest einseitig ein vorgespanntes Federelement auf. Als Ort der Anbringung des vorgespannten Federelements kommt die am Innenteil angreifende Seite des Hydraulikzylinders in Betracht. Das Federelement und dessen geeignete Vorspannung bewirken, dass der Absperrkörper des IBOP genau bis auf Anschlag betätigt wird. Dabei wird ausgenutzt, dass ein Absperrkörper in Form einer drehbaren, durchbohrten Kugel auch vor der Anschlagposition vollständig schließt. Durch die Dimensionierung der Hydraulikzylinder und der Betätigungsvorrichtung insgesamt wird normalerweise erreicht, dass der Absperrkörper bei vollständig ausgefahrenen Hydraulikzylindern so weit gedreht ist, dass der IBOP geöffnet oder geschlossen ist, und zwar derart, dass der Absperrkörper sich sicher in einer Endlage (vollständig geöffnet; vollständig geschlossen) befindet. Das vorgespannte Federelement gleicht eventuelle, niemals vollständig vermeidbare Fertigungstoleranzen der Betätigungsvorrichtung aus und nimmt die Kräfte auf, wenn bei einem zum Schließen des IBOP bereits ausreichend verdrehten Absperrkörper die Hydraulikzylinder noch nicht vollständig ausgefahren sind.
Bei einer besonderen Ausführungsform der Betätigungsvorrichtung ist der Absperrkörper des IBOP mittels eines Hebels betätigbar. Der Hebel ist zum Beispiel im Außenteil der Betätigungsvorrichtung geführt oder gelagert. Ein freies Ende des Hebels greift in eine Kulisse im oder am Innenteil ein. Der Hebel greift wie bei einem manuell betätigten Kugelhahn in an sich bekannter Art und Weise an einer zum Drehen des Absperrkörpers bestimmten Achse an. Mit einem Verschwenken des Hebels wird eine Drehung des Absperrkörpers erreicht. Indem das freie Ende des Hebels in eine Kulisse des Innenteils der Betätigungsvorrichtung eingreift, ist der Hebel mittels einer Bewegung des Innenteils relativ zum axial ortsfesten Außenteil betätigbar. Mittels der Kulisse und des Hebels wird also die translatorische Bewegung bei der Rela- tivbewegung von Außen- und Innenteil in eine rotatorische Bewegung zum Drehen des Absperrkörpers umgesetzt.
Bei einer Ausführungsform der Betätigungsvorrichtung fungiert als Außenteil ein einstückiger 5 Hohlzylinder oder ein aus zwei oder mehr Schalenelementen gebildeter Hohlzylinder. Bei zwei oder mehr Schalenelementen ist in der Innenoberfläche der Schalenelemente oder zumindest einzelner Schalenelemente eine Formschlusskontur gebildet. Bei einem einstückigen Hohlzylinder sind an diesem ein oder mehrere Ringsegmente, die jeweils eine Formschlusskontur aufweisen, anbringbar. Die Formschlusskontur ist mit einer korrespondierenden Formschluss- o kontur am Bohrstrang, die zur Unterscheidung als Formschlussgegenkontur bezeichnet wird, formschlüssig kombinierbar. Bei der Formschlusskontur handelt es sich zum Beispiel um eine in Umfangsrichtung des Hohlzylinders umlaufende linsenförmige Erhebung. In der Außenoberfläche des IBOP ist eine entsprechende, in Umfangsrichtung umlaufende Vertiefung gebildet. Die beiden Formschlusskonturen können also formschlüssig miteinander kombiniert werden.5
Wenn das Außenteil der Betätigungsvorrichtung aus zwei Schalenelementen (Halbschalen) oder mehr als zwei Schalenelementen gebildet ist, können die Schalenelemente nacheinander und jeweils unter formschlüssiger Kombination der Formschlusskontur und der Formschlussgegenkontur am IBOP angebracht werden. Sobald die Schalenelemente in dieser Konfiguration o miteinander verbunden sind, ist eine sichere und vor allem in axialer Richtung des Bohrstrangs/ des IBOP fixierte Anbringung der Betätigungsvorrichtung am IBOP gegeben. Wenn ein einstückiger Hohlzylinder als Außenteil der Betätigungs Vorrichtung fungiert, wird die Betätigungsvorrichtung insgesamt von unten über den IBOP geschoben. Sobald eine axiale Position erreicht ist, bei der eine zum Betätigen des Absperrkörpers vorgesehene Achse kontaktierbar ist, 5 wird das oder jedes Ringsegment eingelegt und relativ zum Außenteil fixiert. Auch damit ist eine sichere und vor allem in axialer Richtung des Bohrstrangs/des IBOP fixierte Anbringung der Betätigungsvorrichtung am IBOP gegeben.
Anstelle einer linsenförmigen Erhebung/V ertiefung kommen auch andere formschlüssig ver-0 bindbare Konturen in Betracht. Die linsenförmige Ausführung hat den Vorteil einer Selbstjustierung. Dabei kommt es nicht darauf an, ob die umlaufende linsenförmige Erhebung auf Seiten des Außenteils oder - im Sinne einer kinematischen Umkehr - in der Oberfläche des IBOP gebildet ist. Bei einer speziellen Ausführungsform einer Betätigungsvorrichtung mit einem als Außenteil fungierenden einstückigen Hohlzylinder ist die Formschlusskontur auf Seiten der Betätigungsvorrichtung in einem oder mehreren mit dem Außenteil kombinierbaren Ringsegmenten gebildet, wobei das oder jedes Ringsegment in eine kopfseitige Ausnehmung des Außenteils ein- 5 setzbar ist und wobei die Ausnehmung mit einem zwischen Ringsegment und Außenteil eingreifenden Deckelelement verschließbar ist. Die damit erreichte Trennung der Formschlusskontur vom Außenteil der Betätigungsvorrichtung erlaubt eine axiale Verschiebbarkeit der Betätigungsvorrichtung am IBOP. Wenn im Rahmen der so gegebenen Verschiebbarkeit durch Verschieben der Betätigungsvorrichtung eine axiale Position erreicht ist, bei der die zum Betä- o tigen des Absperrkörpers vorgesehene Achse kontaktierbar ist (gewünschte axiale Position), wird das oder jedes Ringsegment mit der Formschlusskontur durch Anbringen des Deckelelements aus der Ausnehmung im Außenteil in Richtung auf die Oberfläche des IBOP bewegt. Dann greifen die beiden Formschlusskonturen ineinander. Dadurch, dass das Deckelelement beim Anbringen in einen zuvor zwischen Ringsegment und Innenoberfläche des Außenteils 5 bestehenden Zwischenraum eingreift, wird das Ringsegment in radialer Richtung bewegt und damit der Formschluss insgesamt fixiert. Eine solche Ausführungsform der Betätigungsvorrichtung erleichtert deren Anbringung ganz erheblich.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Betätigungs Vorrichtung sind die als Spreizelement o fungierenden Hydraulikzylinder in Form eines doppelt wirkenden Hydraulikzylinders mit einer einseitigen Kolbenstange ausgeführt. Die Hydraulikzylinder weisen dann eine zum Einfahren der Kolbenstange mit Hydraulikflüssigkeit beaufschlagbare Ringkammer mit einer Ringfläche und eine zum Ausfahren der Kolbenstange mit Hydraulikflüssigkeit beaufschlagbare Kolbenkammer mit einer Kolbenfläche auf. Wenn die Kolbenfläche jeweils doppelt so groß oder im 5 Wesentlichen doppelt so groß wie die Ringfläche ist, lässt sich erreichen, zum Beispiel mittels der im Folgenden beschriebenen Hydraulikschaltung, dass die beim Ausfahren der Kolbenstange, also beim Spreizen der Betätigungsvorrichtung, wirkende Kraft genauso groß oder im Wesentlichen genauso groß wie die beim Einfahren der Kolbenstange wirkende Kraft ist. 0 Bei einer nochmals weiteren Ausführungsform der Betätigungsvorrichtung weist diese zumindest drei jeweils als Spreizelement fungierende und regelmäßig entlang des Außenumfangs der Betätigungsvorrichtung verteilte Hydraulikzylinder auf. Ein in Umfangsrichtung erster und letzter Hydraulikzylinder ist jeweils direkt an eine erste und eine zweite hydraulische Zuleitung angeschlossen. Wenn der oder jeder zwischen dem ersten und dem letzten Hydraulikzylinder liegende Hydraulikzylinder beidseitig mittelbar oder unmittelbar über den ersten und den letzten Hydraulikzylinder an die erste und zweite hydraulische Zuleitung angeschlossen ist, lässt sich eine weitgehend gleichmäßige Einleitung der jeweiligen Hydraulikflüssigkeit in alle Hydraulikzylinder und damit ein gleichmäßiges oder zumindest im Wesentlichen gleichmäßiges Ein- und Ausfahren aller Hydraulikzylinder erreichen.
Zum Erhalt gleicher in den Hydraulikzylindern wirkender Kräfte ist bei einer Ausführungsform der Betätigungsvorrichtung eine spezielle, zur Betätigung der Hydraulikzylinder bestimmte Hydraulikschaltung vorgesehen.
Insgesamt ist die Erfindung auch eine Bohranlage für Tiefbohrungen mit einer solchen Betätigungsvorrichtung oder ein Topdrive für eine solche Bohranlage mit einer solchen Betätigungsvorrichtung.
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, die zum Beispiel durch Kombination oder Abwandlung von einzelnen in Verbindung mit den im allgemeinen oder speziellen Beschreibungsteil beschriebenen sowie in den Ansprüchen und/oder der Zeichnung enthaltenen Merkmalen oder Verfahrensschritten für den Fachmann im Hinblick auf die Lösung der Aufgabe entnehmbar sind und durch kombinierbare Merkmale zu einem neuen Gegenstand oder zu neuen Verfahrensschritten bzw. Verfahrensschrittfolgen führen, auch soweit sie Arbeitsverfahren betreffen.
Es zeigen
Fig. 1 einen sogenannten Topdrive,
Fig. 2 eine Ausführungsform der gegenständlichen Betätigungsvorrichtung, teilweise im Halbschnitt,
Fig. 3 die Betätigungs Vorrichtung gemäß Fig. 2 in einer isometrischen Darstellung,
Fig. 4, 5 und 6 vergrößerte Ansichten eines Schnitts gemäß Fig. 3,
Fig. 7 eine Hebelmechanik der Betätigungsvorrichtung,
Fig. 8 eine von der Betätigungsvorrichtung umfasste Hydraulikschaltung,
Fig. 9A, 9B und 9C unterschiedliche Schaltzustände der Hydraulikschaltung sowie Fig. 10 eine Außenansicht der Betätigungsvorrichtung.
Die Darstellung in Figur 1 zeigt als Beispiel für einen grundsätzlich an sich bekannten Topdrive 10 einen Topdrive 10 der Anmelderin. Nachdem ein solcher Topdrive 10 bekannt ist, kann 5 sich die Beschreibung auf die im Folgenden relevanten Einzelheiten beschränken und auf eine Beschreibung sonstiger Details verzichtet werden.
Von unten nach oben gesehen umfasst der Topdrive 10 eine Haltezange 11 zum Halten von hier nicht gezeigten Bohrgestängeelementen des ebenfalls nicht gezeigten Bohrstrangs. Ober- o halb der Haltezange 11 befindet sich eine hier und im Folgenden entsprechend der üblichen
Fachterminologie als IBOP 12 bezeichnete Sicherungseinrichtung 12. Zwischen der Haltezange
11 und dem IBOP 12 befindet sich eine erste Verdrehsicherung 13. Mit der Sicherungseinrichtung 12 / dem IBOP 12 ist eine Betätigungsvorrichtung 14 kombiniert, die entsprechend auch als IBOP actuator bezeichnet werden kann. Oberhalb des IBOP 12 befindet sich eine zweite5 Verdrehsicherung 15. Mittels dieser zweiten Verdrehsicherung 15 wird eine Gewindeverbindung zwischen dem IBOP 12 und einem durch den Topdrive 10 im Betrieb in Rotation versetzten sogenannten main shaft 16 gesichert. Mittels der ersten Verdrehsicherung 13 wird eine Gewindeverbindung zwischen dem IBOP 12 und einem zwischen dem IBOP 12 und dem Bohrstrang üblicherweise verwendeten und als Verschleißteil fungierenden Anschlussstück o gesichert.
Die Darstellungen in Figur 2 und Figur 3 zeigen im Wesentlichen die Betätigungsvorrichtung 14 und zwar in einem Halbschnitt (Figur 2) und in einer isometrischen, ebenfalls teilweise geschnittenen Ansicht (Figur 3). In der Darstellung in Figur 2 befindet sich der geschnittene 5 Teil der Betätigungs Vorrichtung 14 in der rechten Hälfte. Links ist entsprechend der ungeschnittene Teil der Betätigungsvorrichtung 14 gezeigt. Ganz links ist dabei eine Drehmomentstütze 18 gezeigt, mittels derer die Betätigungsvorrichtung 14 drehfest mit dem Topdrive 10 gekoppelt ist. 0 Oberhalb und unterhalb der Betätigungsvorrichtung 14 sind noch die Rohrabschnitte des IBOP
12 erkennbar. In der Darstellung in Figur 3 ist besonders gut die ringförmige Struktur der Betätigungsvorrichtung 14 zu erkennen. Mit dieser ringförmigen Struktur umschließt sie den IBOP 12 und liegt an der Außenoberfiäche des von dem IBOP 12 umfassten Rohrabschnitts an. Die Betätigungs Vorrichtung 14 umfasst ein Außenteil 20 und ein Innenteil 22. Außenteil 20 und Innenteil 22 sind relativ zueinander beweglich. Bei der dargestellten Ausführungsform ist das Außenteil 20 axial ortsfest am IBOP 12 fixiert. Das Innenteil 22 ist damit relativ zum Außenteil 20 beweglich. Das Außenteil 20 und das Innenteil 22 sind dabei mit überlappenden Manschet- ten ausgeführt, so dass die Bewegung des Innenteils 22 relativ zum Außenteil 20 in Form einer teleskopierenden Bewegung erfolgt.
Zur Bewegung des Innenteils 22 relativ zum Außenteil 20 ist zumindest ein Spreizelement 24 vorgesehen, das am Innenteil 22 und am Außenteil 20 angreift. Bei der dargestellten Ausfüh- rungsform umfasst die Betätigungsvorrichtung 14 drei gleichmäßig über den Außenumfang der Betätigungsvorrichtung 14 verteilte und als Spreizelement 24 fungierende Hydraulikzylinder 24.
Das Außenteil 20 ist in axialer Richtung am IBOP 12 fixiert. Dafür sind eine Formschlusskon- tur 26 und eine Formschlussgegenkontur 28 vorgesehen. Die Formschlusskontur 26 befindet sich im oder am Außenteil 20. Die Formschlussgegenkontur 28 ist entsprechend im IBOP 12 gebildet. Wenn Formschlusskontur 26 und Formschlussgegenkontur 28 formschlüssig miteinander in Eingriff sind, ist das Außenteil 20 und damit die Betätigungsvorrichtung 14 insgesamt axial am IBOP 12 fixiert.
Bei am IBOP 12 axial fixierter Betätigungsvorrichtung 14 bewirkt jede Aktivierung der Hydraulikzylinder 24 zum Ausfahren von deren Kolbenstangen eine axiale Verschiebung des Innenteil 22 entlang der Längsachse des IBOP 12 und damit die bereits erwähnte Relativbewegung des Innenteils 22 zum Außenteil 20. Diese axiale Verschiebung des Innenteils 22 wird zur Betätigung des Absperrkörpers 30 des IBOP 12 genutzt.
Die Betätigung des Absperrkörpers 30 muss auch erfolgen, wenn der IBOP 12 rotiert. Bisher ist zu diesem Zweck eine Drehdurchführung notwendig gewesen, um Hydraulikflüssigkeit von einem nichtrotierenden Bereich des Topdrive 10 zu den bisher ebenfalls mitrotierten Hydrau- likzylindern 24 leiten zu können.
Die hier vorgeschlagene Betätigungsvorrichtung 14 zeichnet sich dadurch aus, dass eine solche Drehdurchführung nicht notwendig ist. Dazu ist bei der Betätigungsvorrichtung 14 vorgesehen, dass das Innenteil 22 und das Außenteil 20 in einer am Bohrstrang - hier am IBOP 12 - ange- brachten Konfiguration der Betätigungsvorrichtung 14 mit dem Bohrstrang, dem IBOP 12, rotieren und dass das oder jedes Spreizelement 24, hier also die Hydraulikzylinder 24, in Bezug auf den rotierenden Bohrstrang, den IBOP 12, drehfest angebracht ist bzw. sind. Für die zum Teil rotierende und zum Teil drehfeste Ausführung der Betätigungsvorrichtung 14 ist eine Trägerstruktur 32, mittels derer die Hydraulikzylinder 24 am Außenteil 20 und am Innenteil 22 angreifen mit dem Außenteil 20 und dem Innenteil 22 über einen im Folgenden kurz als Lager 34 bezeichneten Kugel- oder Wälzlagerring verbunden. Die Trägerstruktur 32 mit den Hydraulikzylindern 24 ist mittels der Drehmomentstütze 18 an einen nicht rotierenden Teil des Topdrives 10, zum Beispiel einen Träger, an dessen unterem Ende die Haltezange 11 angebracht ist, gekoppelt. Die Hydraulikzylinder 24 sind damit von der Drehbewegung des IBOP 12 und der Drehbewegung des Außenteils 20 sowie des Innenteils 22 der Betätigungsvorrichtung 14 nicht betroffen. Für eine zum Öffnen und Schließen der Betätigungsvorrichtung 14 zu den Hydraulikzylindern 24 geleitete Hydraulikflüssigkeit ist entsprechend keine Drehdurchführung am Topdrive 10 notwendig.
Die Darstellungen in Figur 4 und Figur 5 zeigen - aus einer leicht anderen Perspektive - Ausschnitte der Betätigungs Vorrichtung 14 gemäß Figur 2. Hier sind weitere Details zur Anbringung der Hydraulikzylinder 24 an der Trägerstruktur 32 und zur Verbindung der Trägerstruktur 32 mit dem Außenteil 20 und dem Innenteil 22 der Betätigungsvorrichtung 14 erkennbar.
Anhand der Darstellung in Figur 4 wird eine besondere, die Anbringung der Betätigungsvorrichtung 14 am IBOP 12 erleichternde Ausführungsform der Betätigungsvorrichtung 14 beschrieben. Die Formschlusskontur 26 und die Formschlussgegenkontur 28 sind hier im Schnitt gezeigt und sind auch in der Darstellung in Figur 3 erkennbar. Bei der Formschlussgegenkontur 28 handelt es sich um eine konkave Vertiefung in der Oberfläche des IBOP 12. Die korrespondierende Formschlusskontur 26 zeichnet sich entsprechend durch eine konvexe, insbesondere linsenförmige Oberfläche aus.
Die Formschlusskontur 26 befindet sich in oder an einer Innenoberfläche des Außenteils 20 der Betätigungsvorrichtung 14. Bei einem aus zwei oder mehr Schalenelementen gebildeten Außenteil 20 werden beim Anbringen der Betätigungs Vorrichtung 14 zunächst eines der Schalenelemente am IBOP 12 angelegt und die restlichen Schalenelemente mit dem oder jedem bereits angebrachten Schalenelement kombiniert. Dabei kommt die Formschlusskontur 26 mit der Formschlussgegenkontur 28 zum Eingriff, so dass das aus zwei oder mehr Schalenelementen gebildete Außenteil 20 in axialer Richtung am IBOP 12 fixiert ist.
Die Darstellung in Figur 4 zeigt bereits eine besondere Ausführungsform, bei der die Form- 5 Schlusskontur 26 in zumindest einem mit dem Außenteil 20 kombinierbaren Ringsegment 36 gebildet ist. Eine solche Ausführungsform kommt speziell für ein einstückiges, hohlzylindrisches Außenteil 20 in Betracht. Das oder jedes Ringsegment 36 ist in eine an der im Folgenden als Kopfseite bezeichneten Oberseite des Außenteils 20 gebildete kopfseitige Ausnehmung einsetzbar. Diese Ausnehmung ist mit einem zwischen dem oder jedem Ringsegment 36 und o dem Außenteil 20 eingreifenden Deckelelement 38 verschließbar. Das Deckelelement 38 deckt das Außenteil 20 kopfseitig ab und zeichnet sich durch eine L-förmige Querschnittskontur aus. Ein vertikal orientierter Schenkel des Deckelelements 38 greift dabei in die Ausnehmung zwischen Außenteil 20 und IBOP 12 ein. Das freie Ende des vertikalen Schenkels greift beim Anbringen des Deckelelements 38 am Außenteil 20 auch in einen Zwischenraum zwischen dem 5 oder jedem in der Ausnehmung zunächst noch weitgehend frei beweglichen Ringsegment 36 und der Innenoberfläche des Außenteils 20 ein und bewegt dabei das oder jedes Ringsegment 36 in Richtung auf die Oberfläche des IBOP 12. Auf diese Weise kommt es zu einer formschlüssigen Kombination der Formschlusskontur 26 des Ringsegments 36 mit der Formschlussgegenkontur 28 im IBOP 12. Solange also das Deckelelement 38 noch nicht angebracht o ist und entsprechend noch keine formschlüssigen Kombination der Formschlusskontur 26 des
Ringsegments 36 mit der Formschlussgegenkontur 28 im IBOP 12 besteht, ist die Betätigungsvorrichtung 14 am IBOP 12 noch in axialer Richtung beweglich und erlaubt damit eine Justierung bis eine axiale Position erreicht ist, bei der eine zum Betätigen des Absperrkörpers 30 vorgesehene Achse 50 (Fig. 6) kontaktierbar ist. Die Verwendung eines oder mehrerer Ring- 5 Segmente 36 und eines Deckelelements 38 erleichtert demnach die Anbringung der Betätigungsvorrichtung 14 am IBOP 12 ganz erheblich.
In der Darstellung in Figur 4 ist auch ersichtlich, dass der als Spreizelement 24 fungierende Hydraulikzylinder 24 einseitig schwimmend gelagert ist. Jeder Hydraulikzylinder 24 der Betä-0 tigungsvorrichtung 14 ist in der gleichen Art und Weise gelagert. Die schwimmende Lagerung ist hier für die Kolbenseite des Hydraulikzylinders 24 gezeigt. Grundsätzlich kommt eine gleichartige oder ähnliche schwimmende Lagerung auch für die gegenüberliegende Seite in Betracht. Bei der dargestellten Ausführungsform wird die schwimmende Lagerung dadurch erreicht, dass der Hydraulikzylinder 24 eine umlaufende Nut 40 aufweist, in welche ein an der Trägerstruktur 32 in axialer Richtung des Hydraulikzylinders 24 fixiertes Ringelement 42, zum Beispiel ein Ringelement 42 in Form eines Sprengrings oder Sicherungsrings, eingreift. Das Ringelement 42 befindet sich dabei in dem am Außenteil 20 angreifenden Teil der Trägerstruktur 32. Weil dieser Teil der Trägerstruktur 32 in axialer Richtung fest mit dem Außenteil 20 verbunden ist, ist damit auch das Ringelement 42 am Außenteil 20 oder relativ zum Außenteil 20 in axialer Richtung fixiert. Die schwimmende Lagerung ergibt sich dabei durch die im Vergleich zu der Öffnungsweite der am Hydraulikzylinder 24 umlaufenden Nut 40 geringere wirksame Höhe des Ringelements 42. Der Hydraulikzylinder 24 ist damit in der Trägerstruktur 32 in gewissem Umfang axial beweglich, aber vor allem erlaubt diese Lagerung eine begrenzte Schrägstellung des Hydraulikzylinders 24. Anstelle einer solchen Lagerung kommt ebenfalls eine Lagerung in Betracht, wie Sie zum Beispiel bei einem Kugelgelenk gegeben ist. Bei einer derartigen Ausführungsform fungiert die Oberseite des Hydraulikzylinders 24 als Kugelkopf und ist entsprechend geformt sowie in einer korrespondierend geformten und in der Trägerstruktur 32 gebildeten Kugelschale gelagert. Beide Formen zur beweglichen Lagerung des Hydraulikzylinders 24 in der Trägerstruktur 32 gewährleisten, dass beim Aufspreizen der Betätigungsvorrichtung 14 keine Biegemomente, Biegespannungen und Biegekräfte übertragen werden, so dass eine längere
Haltbarkeit und Betriebssicherheit der Hydraulikzylinder 24 resultiert. Ein O-Ring 44 fungiert als Dichtung und sorgt im unbelasteten Zustand für eine Positionierung des Hydraulikzylinders 24 in einer Ruhelage. Bei einer axialen Verschiebung des Hydraulikzylinders 24 oder einer Schrägstellung des Hydraulikzylinders 24 verformt sich der O-Ring 44 und wirkt entsprechend auch als Rückstellelement, sobald die die axiale Verschiebung oder die Schrägstellung bewirkende Kraft nicht mehr wirkt.
Die Darstellung in Figur 5 zeigt im Vergleich zu der Darstellung in Figur 4 die Unterseite des Hydraulikzylinders 24 und dessen Anbringung an der mit dem Innenteil 22 verbundenen Trä- gerstruktur 32. Hier ist ein vorgespanntes Federelement 46, zum Beispiel in Form eines oder mehrerer Federringe oder in Form einer oder mehrerer Tellerfedern, wobei im gezeigten Ausführungsbeispiel zwei gegenläufig aufeinander gelegte Tellerfedern als Federelemente fungieren, angebracht. Dieses nimmt bei vollständig ausgefahrenen Hydraulikzylindern 24 die Kraft auf, wenn bei vollständig ausgefahrenen Hydraulikzylindern 24 der Absperrkörper 30 bereits bis auf Anschlag betätigt ist. Die Vorspannung des Federelements 46 ist dabei so gewählt, dass sich das Federelement 46 zu verformen beginnt, wenn der Absperrkörper 30 vollständig gedreht ist. Bei einem weiteren Ausfahren der Hydraulikzylinder 24 erfolgt dann keine weitere Betätigung des Absperrkörpers 30 mehr und der von den Hydraulikzylindern 24 noch zurück- gelegte Weg wird vollständig von dem vorgespannten Federelement 46 aufgenommen. Das vorgespannte Federelement 46 bewirkt, dass der Absperrkörper 30 und die mechanisch beweglichen Teile der Betätigungsvorrichtung 14 nicht mehr als notwendig belastet werden und gleicht Toleranzen der Betätigungsvorrichtung 14 und/oder der Hydraulikzylinder 24 aus, die niemals ganz auszuschließen sind. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass auch bei vollständig ausgefahrenen und/oder vollständig eingefahrenen Hydraulikzylindern 24 die von den Hydraulikzylindern 24 ausgeübte Kraft niemals dauerhaft am Absperrkörper 30 und den Anschlagflä- chen des Absperrkörpers 30 im IBOP 12 ansteht. Das bei der dargestellten Ausführungsform gezeigte Federelement 46 ist doppeltwirkend und die beschriebene Funktion ist entsprechend beim Ein- und Ausfahren gegeben.
Für den Fall, dass zur Bewegung des Absperrkörpers 30 - etwa aufgrund von Verschmutzung - eine erhöhte Kraft erforderlich ist, befindet sich das vorgespannte Federelement 46 in einer Ausnehmung mit einem seitlich umlaufenden Steg 48, der bei einem zusammengedrückten Federelement 46 auf eine Grundplatte trifft und damit zur Übertragung der vollständigen Kraft der Hydraulikzylinder 24 wirksam ist. Auf diese Weise wird das vorgespannte Federelement 46 gewissermaßen kurzgeschlossen und spielt bei der Kraftübertragung keine Rolle.
Auch an der Unterseite des Hydraulikzylinders 24 fungiert ein O-Ring 49 als Dichtung und als Rückstellelement.
Die Darstellungen in Figur 6 und Figur 7 zeigen Einzelheiten zur Betätigung des Absperrkörpers 30 mittels der Betätigungsvorrichtung 14.
Die Darstellung in Figur 6 zeigt einen Ausschnitt aus einem Längsschnitt durch die außen am IBOP 12 anliegende Betätigungsvorrichtung 14. Dabei sind das Außenteil 20 und das relativ zum Außenteil 20 bewegliche Innenteil 22 sichtbar. Zum Drehen des Absperrkörpers 30 ist eine Achse 50 vorgesehen, die mit dem Absperrkörper 30 entweder einstückig verbunden ist oder formschlüssig auf einen als Drehachse des Absperrkörpers 30 im IBOP 12 fungierenden Zapfen aufgesetzt ist. Eine auf das Außenteil 20 aufgesetzte Abdeckplatte 52 bildet zusammen mit dem Außenteil 20 ein Lager für einen mit der Achse 50 kombinierten Hebel 54. Im freien Ende der Achse 50 befindet sich eine Formschlusskontur, hier eine Formschlusskontur in Form eines Innensechskants, so dass der Absperrkörper 30 auch manuell, nämlich durch Einführen eines entsprechenden Werkzeugs in die Formschlusskontur, betätigt werden kann.
5
Die Darstellung in Figur 7 zeigt aus einer anderen Perspektive und ohne die in Figur 6 dargestellte Schnittfläche die in Figur 6 bereits gezeigte Anbringung des Hebels 54 ohne die Ab- deckplatte 52. Der mit der Achse 50 verbundene Hebel 54 weist an seinem freien Ende einen Zapfen 56 auf, der in eine in dem beweglichen Innenteil 22 gebildete oder mit dem bewegli- o chen Innenteil 22 verbundene Kulisse 58 eingreift. Bei der Kulisse 58 handelt es sich im weitesten Sinne um ein parallel zu einer Umfangslinie des IBOP 12 ausgerichtetes Langloch oder ein einseitig offenes Langloch. Die Ausgestaltung als Langloch bewirkt, dass der Zapfen 56 bei jeder beim Betrieb der Betätigungsvorrichtung 14 vorkommenden Orientierung des Hebels 54 in der Kulisse 58 geführt werden kann.
5
Jede Bewegung des Innenteils 22 relativ zu dem Außenteil 20 führt zu einer translatorischen Bewegung der Kulisse 58 relativ zur Achse 50, so dass die bei einer Aktivierung der Betätigungsvorrichtung 14 resultierende translatorische Bewegung des Innenteils 22 und die damit einhergehende translatorische Bewegung der Kulisse 58 in eine Drehbewegung des Hebels 54 o umgesetzt wird. Eine derartige Betätigung des Hebels 54 führt zu einer Drehung des Absperrkörpers 30 im IBOP 12 und damit zu einem Öffnen oder einem Schließen des IBOP 12.
Die Darstellung in Figur 8 zeigt eine zur Betätigung der Hydraulikzylinder 24 (nur einer gezeigt) bestimmte Hydraulikschaltung 60. Bei den Hydraulikzylindern 24 handelt es sich um an 5 sich bekannte Hydraulikzylinder 24 in Form doppelt wirkender Hydraulikzylinder 24 mit einer einseitigen Kolbenstange 62. Solche Hydraulikzylinder 24 weisen eine zum Einfahren der Kolbenstange 62 mit Hydraulikflüssigkeit beaufschlagbare Ringkammer 64 mit einer Ringfläche sowie eine zum Ausfahren der Kolbenstange 62 mit Hydraulikflüssigkeit beaufschlagbare Kolbenkammer 66 mit einer Kolbenfläche auf. Bei den mit der im Folgenden beschriebenen0 Hydraulikschaltung 60 angesteuerten Hydraulikzylindern 24 ist die Kolbenfläche doppelt so groß oder im Wesentlichen doppelt so groß wie die Ringfläche.
Die Hydraulikschaltung 60 geht von einem ersten Anschluss 70 und einem zweiten Anschluss 72 aus. Sie weist ein erstes druckbetätigtes Zweiwegeventil 74 und ein zweites druckbetätigtes Zweiwegeventil 76 sowie optional ein manuell betätigbares Zweiwegeventil (Handventil) 78 auf. Ein erster Zweig 80 der Hydraulikschaltung 60 führt direkt vom ersten Anschluss 70 zur Kolbenkammer 66. Ein zweiter Zweig 82 der Hydraulikschaltung 60 führt über das zweite Zweiwegeventil 76 zur Ringkammer 64. Mittels des ersten Zweiwegeventils 74 sind der erste 5 Zweig 80 und der zweite Zweig 82 hydraulisch miteinander verbindbar.
Die Darstellung in Figur 8 zeigt die Hydraulikschaltung 60 mit unbetätigten Ventilen 74, 76, 78 und damit den Ruhezustand der Hydraulikschaltung 60. Bei einem derartigen Ruhezustand befindet sich die Betätigungs Vorrichtung 14 insgesamt in einem Ruhezustand und die Hydrau- o likzylinder 24 sind aufgrund der unbetätigten Ventile 74, 76, 78 hydraulisch verspannt. Dies bedeutet, dass der Absperrkörper 30 in seiner jeweiligen Rotationslage fixiert ist.
Die Darstellungen in Figur 9A, 9B und 9C zeigen drei im Betrieb sinnvolle Schaltzustände der Hydraulikschaltung 60. Auf eine Wiederholung sämtlicher Bezugsziffern ist im Interesse der 5 Übersichtlichkeit der Darstellungen verzichtet worden. Insoweit wird auf die Darstellung in Figur 8 verwiesen.
Die Darstellung in Figur 9A zeigt den Schaltzustand zum Ausfahren der Hydraulikzylinder 24. Sobald der erste Anschluss 70 der Hydraulikschaltung 60 mit Druck beaufschlagt wird, wird o mittels der Hydraulikflüssigkeit Druck auf die Kolbenfläche der Kolbenkammer 66 ausgeübt.
Gleichzeitig wird das erste druckbetätigte Zweiwegeventil 74 betätigt/geöffnet, so dass der erste Zweig 80 mit dem zweiten Zweig 82 verbunden ist und damit mittels der Hydraulikflüssigkeit auch Druck auf die Ringfläche der Ringkammer 64 ausgeübt wird. Aufgrund der oben bereits erwähnten Verhältnisse der Kolbenfläche und der Ringfläche (die Kolbenfläche ist 5 doppelt so groß wie die Ringfläche) überwiegt die auf die Kolbenfläche wirkende Kraft die auf die Ringfläche wirkende Kraft um das Doppelte, so dass die Kolbenstange 62 und damit der Hydraulikzylinder 24 insgesamt ausfährt.
Die Darstellung in Figur 9B zeigt den Schaltzustand zum Einfahren der Hydraulikzylinder 24.0 Sobald anstelle des ersten Anschlusses 70 der zweite Anschluss 72 der Hydraulikschaltung 60 mit Druck beaufschlagt wird, betätigt/öffnet das zweite druckbetätigte Zweiwegeventil 76 den zweiten Zweig 82 in die Ringkammer 64. Die Kolbenkammer 66 ist dabei nicht mit Druck beaufschlagt. Die auf die Ringfläche wirkende Kraft entspricht der Summe der beim Ausfahren der Hydraulikzylinder 24 auf die Kolbenfläche und auf die Ringfläche wirkenden Kräfte. Die Kräfte beim Einfahren der Hydraulikzylinder 24 entsprechen also den Kräften beim Ausfahren der Hydraulikzylinder 24, so dass beim Aufspreizen der Betätigungsvorrichtung 14 und beim Zusammenfahren der Betätigungsvorrichtung 14, also beim Schließen bzw. beim Öffnen des IBOP 12, kräftemäßig gleiche Verhältnisse gelten.
Die Darstellung in Figur 9C zeigt schließlich den bei einer Betätigung des manuell betätigbaren Zweiwegeventils 78 resultierenden Schaltzustand. In diesem Schaltzustand sind der zweite Zweig 82 und die Ringkammer 64 entspannt. Die Hydraulikzylinder 24 können von Hand eingefahren und ausgefahren werden. Im Ergebnis sind die Hydraulikzylinder 24 insgesamt hydraulisch entspannt. Der IBOP 12 kann damit manuell geöffnet und geschlossen werden.
Bereits anhand der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform der Betätigungsvorrichtung 14 wird deutlich, dass die zum Beispiel drei jeweils als Spreizelement 24 fungierenden Hydraulikzylinder 24 regelmäßig entlang des Außenumfangs der Betätigungsvorrichtung 14 verteilt sind. Bei der Darstellung in Figur 3 sind zwei Hydraulikzylinder 24 in einem Abstand von 120° erkennbar (ein Hydraulikzylinder 24 auf der rechten Seite der Darstellung im Längsschnitt und ein Hydraulikzylinder 24 auf der linken Seite der Darstellung). Ein dritter, nicht sichtbarer Hydraulikzylinder 24 befindet sich ebenfalls in einem Abstand von 120° zu den beiden in Figur 3 sichtbaren Hydraulikzylindern 24 auf der Rückseite der Betätigungsvorrichtung 14. Damit ist eine regelmäßige Verteilung der Hydraulikzylinder 24 entlang des Außenumfangs der Betätigungsvorrichtung 14 gegeben. Anhand des links dargestellten Hydraulikzylinders 24 ist erkennbar, dass zu diesem zwei Zuleitungen, nämlich eine kolbenseitige und eine ringseitige Zuleitung, führen. Dies ist auch in der Darstellung in Figur 10 in einer isometrischen Ansicht der Betätigungsvorrichtung 14 gezeigt. Hier ist auch ein Steuerblock 84 mit den beiden bei der Erläuterung der Hydraulikschaltung 60 erwähnten Anschlüssen 70, 72 zur externen Zuleitung von Hydraulikflüssigkeit gezeigt. Der Steuerblock 84 umfasst die Hydraulikschaltung 60. Ausgehend von dem Steuerblock 84 gehen zwei Leitungen zu der Kolbenkammer 66 und der Ringkammer 64 des hier rechts gezeigten Hydraulikzylinders 24. Hier werden die beiden Leitungen in zwei parallele Pfade aufgeteilt, so dass die Hydraulikflüssigkeit gleichzeitig zu dem rechts und zu dem links dargestellten Hydraulikzylinder 24 gelangt. Nicht sichtbar ist dabei, dass sowohl der rechts dargestellte Hydraulikzylinder 24 wie auch der links dargestellte Hydraulikzylinder 24 auf deren bei der für die Darstellung in Figur 10 gewählten Blickrichtung rückwärtigen Seite jeweils Hydraulikleitungen aufweisen, die zu der Kolbenkammer 66 und der Ringkammer 64 des nicht sichtbaren dritten Hydraulikzylinders 24 führen. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass ein in Umfangsrichtung erster und letzter Hydraulikzylinder 24, hier also die beiden in der Darstellung in Figur 10 sichtbaren Hydraulikzylinder 24, jeweils direkt an eine erste und eine zweite hydraulische Zuleitung angeschlossen sind und der oder jeder zwischen dem ersten und dem letzten Hydraulikzylinder 24 liegende Hydraulikzylinder 24 beidseitig mittelbar oder unmittelbar über den ersten und den letzten Hydraulikzylinder 24 an die erste und zweite hydraulische Zuleitung angeschlossen ist. Dies führt dazu, dass bei einer Beaufschlagung entweder des ersten Anschlusses 70 oder des zweiten Anschlusses 72 und damit bei einer Einleitung von Hydraulikflüssigkeit unter Druck in die erste bzw. die zweite Zuleitung alle Hydraulikzylinder 24 gleichzeitig oder zumindest im Wesentlichen gleichzeitig betätigt werden.
Einzelne im Vordergrund stehende Aspekte der hier vorgelegten Beschreibung lassen sich damit kurz wie folgt zusammenfassen: Angegeben werden eine Betätigungsvorrichtung 14 für eine Bohranlage und eine Bohranlage oder ein Topdrive 10 für eine Bohranlage mit einer derartigen Betätigungsvorrichtung 14, wobei die Betätigungs Vorrichtung 14 zwei axial relativ zueinander bewegliche Teile (Außenteil 20, Innenteil 22), die mit einer zu betätigenden Sicherungseinrichtung 12 (IBOP) im Betrieb rotieren, sowie zumindest ein nicht von der Drehung betroffenes Spreizelement 24 zur Auslösung der Relativbewegung von Außenteil 20 und Innenteil 22 umfasst. Das oder jedes Spreizelement 24 ist mit dem Außenteil 20 und dem Innenteil 22 über eine zweiteilige Trägerstruktur 32 sowie jeweils ein zum Beispiel in Form eines Rollen- oder Wälzlagers ausgeführtes Lager 34 verbunden. Das oder jedes drehfest angeordnete und entsprechend beim Betrieb der Betätigungsvorrichtung 14 von der Drehung des Außen- und Innenteils 20, 22 nicht betroffene Spreizelement 24 kann sehr einfach angesteuert werden und insgesamt ergibt sich eine wartungsarme Ausführungsform einer Betätigungsvorrichtung 14. Die Betätigungsvorrichtung 14 kann auch als IBOP-Aktuator bezeichnet werden. Bezugszeichenliste
10 Topdrive 48 umlaufender Steg (als„Bypass"
11 Haltezange für das Federelement)
12 Sicherungseinrichtung / IBOP 30 49 O-Ring
13 erste Verdrehsicherung 50 Achse
14 Betätigungsvorrichtung 52 Abdeckplatte
15 zweite Verdrehsicherung 54 Hebel
16 main shaft des Topdrives 56 Zapfen
18 Drehmomentstütze 35 58 Kulisse
20 Außenteil (der Betätigungs- 60 Hydraulikschaltung
Vorrichtung) 62 Kolbenstange
22 Innenteil (der Betätigungs- 64 Ringkammer
Vorrichtung) 66 Kolbenkammer
24 Spreizelement / Hydraulikzylinder o 68
26 Formschlusskontur 70 erster Anschluss
28 Formschlussgegenkontur 72 zweiter Anschluss
30 Absperrkörper 74 erstes druckbetätigtes
32 Trägerstruktur (der Betätigungs- Zweiwegeventil
Vorrichtung) 45 76 zweites druckbetätigtes
34 Lager Zweiwegeventil
36 Ringsegment 78 manuell betätigbares
38 Deckelelement Zweiwegeventil / Handventil
40 Nut 80 erster Zweig
42 Ringelement 50 82 zweiter Zweig
44 O-Ring 84 Steuerblock
46 vorgespanntes Federelement

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Betätigung einer zur Kombination mit einem Bohrstrang einer Bohranlage bestimmten Sicherungseinrichtung (12),
wobei die Betätigungsvorrichtung (14) ein Außenteil (20) und ein Innenteil (22) um- fasst,
wobei das Innenteil (22) mittels zumindest eines Spreizelements (24) relativ zum Außenteil (20) beweglich ist, indem das oder jedes Spreizelement (24) auf einer ersten Seite am Außenteil (20) und auf einer gegenüberliegenden, zweiten Seite am Innenteil (22) angreift, wobei mittels einer Relativbewegung des Innenteils (22) zum Außenteil (20) eine Betätigung eines von der Sicherungseinrichtung (12) umfassten Absperrkörpers (30) bewirkbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Außenteil (20) und das Innenteil (22) in einer am Bohrstrang angebrachten Konfiguration der Betätigungs Vorrichtung (14) mit dem Bohrstrang rotieren und
dass das oder jedes Spreizelement (24) in Bezug auf den rotierenden Bohrstrang drehfest angebracht ist.
2. Betätigungsvorrichtung (14) nach Anspruch 1,
wobei das Außenteil (20) axial ortsfest an der Sicherungseinrichtung (12) fixiert und damit das Innenteil (22) relativ zum Außenteil (20) beweglich ist,
wobei das Außenteil (20) und das Innenteil (22) mit überlappenden Manschetten ausgeführt sind und
wobei die Bewegung des Innenteils (22) relativ zum Außenteil (20) in Form einer teleskopierenden Bewegung erfolgt.
3. Betätigungsvorrichtung (14) nach Anspruch 1 oder 2,
wobei das oder jedes Spreizelement (24) zumindest einseitig schwimmend gelagert ist.
4. Betätigungsvorrichtung (14) nach Anspruch 3,
wobei das ober jedes Spreizelement (24) zur schwimmenden Lagerung eine umlaufende Nut (40) aufweist, in welche ein am Außenteil (20) in axialer Richtung des Spreizelements (24) fixiertes Ringelement (42) eingreift.
5. Betätigungsvorrichtung (14) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das ober jedes Spreizelement (24) zumindest einseitig, insbesondere an der am Innenteil (22) angreifenden Seite, ein vorgespanntes Federelement (46) aufweist.
6. Betätigungsvorrichtung (14) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei der Absperrkörper (30) der Sicherungseinrichtung (12) mittel eines Hebels (54) betätigbar ist und
wobei ein freies Ende des Hebels (54) in eine Kulisse (58) im oder am Innenteil (22) eingreift.
7. Betätigungsvorrichtung (14) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
mit einem hohlzylindrischen Außenteil (20) und
mit einer Formschlusskontur (26) in oder an einer Innenoberfiäche des Außenteils (20), wobei die Formschlusskontur (26) mit einer korrespondierenden Formschlussgegenkon- tur (28) am Bohrstrang formschlüssig kombinierbar ist.
8. Betätigungsvorrichtung (14) nach Anspruch 7, wobei die Formschlusskontur (26) in einem mit dem Außenteil (20) kombinierbaren Ringsegment (36) gebildet ist, das in eine kopfseitige Ausnehmung im Außenteil (20) einsetzbar ist, die mit einem zwischen Ringsegment (36) und Außenteil (20) eingreifenden Deckelelement (38) verschließbar ist.
9. Betätigungsvorrichtung (14) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei das oder jedes Spreizelement (24) in Form eines doppelt wirkenden Hydraulikzylinders (24) mit einer einseitigen Kolbenstange (62) ausgeführt ist,
wobei der oder jeder Hydraulikzylinder (24) eine zum Einfahren der Kolbenstange (62) mit Hydraulikfiüssigkeit beaufschlagbare Ringfläche und eine zum Ausfahren der Kolbenstange (62) mit Hydraulikfiüssigkeit beaufschlagbare Kolbenfiäche aufweist,
wobei die Kolbenfläche doppelt so groß oder im Wesentlichen doppelt so groß wie die Ringfläche ist.
10. Betätigungsvorrichtung (14) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
mit zumindest drei jeweils als Spreizelement (24) fungierenden und regelmäßig entlang des Außenumfangs der Betätigungsvorrichtung (14) verteilten Hydraulikzylindern (24),
wobei ein in Umfangsrichtung erster und letzter Hydraulikzylinder (24) jeweils direkt an eine erste und eine zweite hydraulische Zuleitung angeschlossen sind und
wobei der oder jeder zwischen dem ersten und dem letzten Hydraulikzylinder (24) liegende Hydraulikzylinder (24) beidseitig mittelbar oder unmittelbar über den ersten und den letzten Hydraulikzylinder (24) an die erste und zweite hydraulische Zuleitung angeschlossen 5 ist.
11. Betätigungsvorrichtung (14) nach Anspruch 9 oder 10,
mit einer zur Betätigung des oder jedes Hydraulikzylinders (24) bestimmten Hydraulikschaltung (60),
o wobei der oder jeder Hydraulikzylinder (24) eine Kolbenkammer (66) und eine Ringkammer (64) aufweist,
wobei die Hydraulikschaltung (60) ein erstes und ein zweites druckbetätigtes Zweiwegeventil (74, 76) umfasst,
wobei die Hydraulikschaltung (60) einen ersten, direkt an die oder jede Kolbenkammer5 (66) angeschlossenen Zweig (80) und einen zweiten über das zweite Zweiwegeventil (76) an die oder jede Ringkammer (64) angeschlossenen Zweig (82) umfasst,
wobei der erste Zweig (80) und der zweite Zweig (82) mittels des ersten Zweiwegeventils (74) hydraulisch verbindbar sind,
wobei das erste Zweiwegeventil (74) bei einer Druckbeaufschlagung des ersten Zweigs o (80) betätigbar ist und aufgrund der Betätigung des ersten Zweiwegeventils (74) dieses den ersten Zweig (80) auch mit der Ringkammer (64) verbindet,
wobei das zweite druckbetätigte Zweiwegeventil (76) bei einer Druckbeaufschlagung des zweiten Zweigs (82) betätigbar ist und aufgrund der Betätigung des zweiten Zweiwegeventils (76) dieses den Weg in die Ringkammer (64) freigibt.
5
12. Betätigungsvorrichtung (14) nach Anspruch 11,
mit einem Handventil (78) als Bestandteil der Hydraulikschaltung (60), wobei mittels des Handventils (78) der zweite Zweig (82) und die Ringkammer (64) entspannbar sind. 0 13. Bohranlage, insbesondere Bohranlage für Tiefbohrungen, oder Topdrive (10) zur Verwendung in einer solchen Bohranlage mit einer Betätigungsvorrichtung (14) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
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