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Die vorliegende Erfindung betrifft Bohrgestelle und die Handhabung von
Ausrüstung an Bohrplätzen.
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Die Bandbreite der Arbeiten zum Bohren von Gas- und Ölbohrlöchern erfordert
beträchtliche Ausrüstungs- und Zeitressourcen. Die vorliegende Erfindung
beschäftigt sich mit der Schaffung einer Vorrichtung, welche den effizienten
Einsatz von Bohranlagen unterstützen kann.
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Einer der Faktoren, die die Effizienz beschranken, liegt in den Fähigkeiten
mechanischer Handhabungssysteme, die effizient mit den schwerfalligen
Bestandteilen umgehen können, mit denen ein Bohrloch gebohrt wird und ausgelegt
ist.
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Insbesondere werden die langlichen rohrförmigen Elemente zum Bohren eines
Bohrlochs und zum Auslegen des Bohrlochs normalerweise aus einer Reihe
praktischer Gründe in einer horizontalen Position transportiert und gelagert
und müssen dann aufgestellt werden, um koaxial mit dem Bohrstrang angeordnet
zu sein, wenn sie zum Einsatz kommen.
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Es ist bekannt (US-Patente 4403879, 4303270, 403879, 4303270, 4403666 und
4407629), einen Rohrausleger vorzusehen, der rohrformige Elemente aus einer
horizontalen Position in eine vertikale Position schwingt. Während der Ausleger
horizontal steht, werden die Rohre in Greifbacken des Auslegers angeordnet
oder laufen gelassen. Während die Backen das Rohr halten und stützen, wird
der Ausleger in eine aufrechte Position geschwenkt, die das Rohr zur Bohrachse
bringt. Eine derartige Handhabungsausrüstung ist jedoch nur beschränkt
einsetzbar. In den meisten Fällen ist es dennoch notwendig,
Handhabungseinrichtungen zu schaffen, welche die einzelnen Rohrelemente
hochheben und sie in den Backen des horizontalen Auslegers anordnen. Bei der
US-PS-4407629 ist es, obwohl vorgesehen ist, daß jedes rohrförmige Element
in die Backen rollt, wenn ein Bohrstrang in der Folge zerlegt wird, dennoch
notwendig, daß weitere Handhabungseinrichtungen vorhanden sind, um die
einzelnen Elemente hochzuheben, um sie aus den Backen zu entfernen.
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Die US-PS-3702640 beschreibt eine weitere Anordnung zur Handhabung rohrförmiger
Elemente, die einen Ausleger oder Träger umfaßt, der zwischen horizontalen
und vertikalen Positionen schwenkbar ist und streckbare Zwingen für die
rohrförmigen Elemente aufweist, so daß die Elemente zur Bohrachse vorgebracht
werden können, wenn der Ausleger vertikal steht. Wie bei den anderen oben
beschriebenen Auslegern ist es notwendig, Handhabungseinrichtungen vorzusehen,
um die rohrförmigen Elemente in die Zwingen und aus diesen heraus zu bringen.
Die GB-PS-941961 beschreibt einen ähnlichen schwenkbaren Ausleger, bei dem
die Zwingen durch eine Verbindung für parallele Bewegung streckbar sind und
der ein ahnliches beschränktes Handhabungsvermögen aufweist.
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Gemäß vorliegender Erfindung wird eine Vorrichtung zur Handhabung länglicher
rohrförmiger Elemente zum Bohren eines Bohrlochs und/oder Auslegen eines
Bohrlochs geschaffen, die Einrichtungen zum Transportieren aufeinanderfolgender
Elemente aus einer im allgemeinen horizontalen Position in eine aufrechte
Position umfaßt, um die Elemente an der Bohrachse aneinander zu befestigen,
wobei die Transporteinrichtung einen länglichen Arm umfaßt, der zwischen
horizontalen und vertikalen Positionen und auch um seine eigene Achse
schwenkbar ist, wobei der Arm Klemmeinrichtungen zum Halten eines einzelnen
Elements trägt, wobei die Klemmeinrichtungen zur Längsachse des Arms hin und
von dieser weg verschiebbar sind, wodurch, wenn der Arm sich in einer
horizontalen Position befindet, seine Klemmeinrichtung nach unten ausgestreckt
werden kann, um in ein rohrförmiges Element unter dem Arm einzugreifen, und
der Arm dann in die aufrechte Position geschwenkt und um seine eigene Achse
gedreht werden kann, um das Element der Bohrachse zuzuwenden, so daß durch
das Ausstrecken der Klemmeinrichtung das aufrechte Element zur Bohrachse
vorgebracht werden kann, um es mit einem weiteren länglichen Element auf der
genannten Achse zu verbinden.
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Vorzugsweise ist der Transportarm aus der Position, in der das längliche
rohrförmige Element der Bohrachse zugewandt wird, in entgegengesetzte
Richtungen drehbar, so daß der Arm Elemente, die auf beiden Seiten einer
zentralen vertikalen Ebene durch die Bohrachse und den Transportarm horizontal
liegen, hochheben kann.
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Anhand von Beispielen wird eine an Land aufgestellte Anordnung gemäß
vorliegender Erfindung unter Bezugnahme auf die bei liegenden Zeichnungen
beschrieben, in denen:
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Fig. 1 eine Draufsicht der Anordnung ist,
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Fig. 2 ein Schnitt entlang der Linie A-A in Fig. 1 ist;
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die Fig. 3 und 4 ein seitlicher Aufriß und eine Draufsicht von oben, in
einem größeren Maßstab des Handhabungsauslegers der Anordnung sind,
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Fig. 5 eine detaillierte Darstellung ist, die einen der Greifer des Auslegers
in einer ausgestreckten Position zeigt,
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die Fig. 6 und 7 eine Draufsicht und eine Seitenansicht eines der Greifer
des Auslegers sind, und
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Fig. 8 einen Greifer für ein Rohr mit größerem Durchmesser zeigt.
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Das Bohrgestell umfaßt eine ebene Basis 2, die aus Stahlteilen als ein Gitter
aus Zellen 4, beispielsweise mit einem Zwischenraum von 3 m im Quadrat,
konstruiert ist. Einstückig mit den in eine Richtung laufenden Gitterelementen
ausgebildet oder an diesen befestigt befindet sich eine Reihe paralleler
Schienen 6. Innerhalb des Gitters ist eine numerierte Gruppe von Zellen
gezeigt, in diesem Fall eine rechteckige Gruppe aus 12 Zellen, die als
Bohrstationen für einen Bohrturm 8 zugeteilt sind, welcher der Reihe nach
über jeder der Stationen angeordnet wird, um in einem bekannten Arbeitsmuster
von der durch die Basis 2 geschaffenen festen Plattform Bohrlöcher zu bohren.
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Die länglichen Elemente, die zum Bohren und Auslegen eines Bohrlochs verwendet
werden, im Bohrlochbau allgemein als Rohre bzw. Röhren bezeichnet, werden
in Transportrahmen oder Verstärkungsunterlagen 20 zugeführt, die jeweils eine
Anzahl von Röhren tragen, und diese werden an der Basis an gegenüberliegenden
Seiten des Bohrturms in Lagerpositionen 18 gehalten. Zum Bohren eines Bohrlochs
umfassen die Röhren Bohrgestelle und Schwerstangen, die den Bohrstrang formen,
an dem der Bohrkopf befestigt ist, sowie Gehäuseabschnitte zum Auslegen des
Bohrlochs. Im Fall einer Bohrinsel können sie auch Steigleitungen umfassen,
die ein Außenrohr bilden, in dem der Bohrstrang betrieben wird. Zu
gegenüberliegenden Seiten des Bohrturms sind an der Basis für die Röhren,
allgemein mit der Bezugszahl 22 bezeichnet, bzw. für Gehäuseabschnitte 24
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in ihren Verstärkungsunterlagen erhöhte Stützen 26 vorgesehen. Die
Verstärkungsunterlagen 20 sind in parallelen Reihen angeordnet, mehrere
Einheiten hoch aufgestapelt, vorzugsweise so, daß die nähere Kante einer jeden
Reihe nur einen Bruchteil des Gitterzwischenraums vom Bohrturm beabstandet
ist. Die Achsen der Röhren 22, 24 liegen in rechten Winkeln zu diesen Kanten.
Bezugszahl 20a in Fig. 1 bezeichnet einfach einen Raum zum Lagern leerer
Verstärkungsunterlagen.
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Der Bohrturm 8 ist an einem Basisrahmen 28 befestigt, der auf der Basis 2
aufruht. Die Bohrturm-Gitteranordnung ist an einer Seite offen, die einem
Handhabungsausleger 30 zugewandt ist, durch den die einzelnen Röhren aus den
Verstärkungsunterlagen gehoben werden und zum Zusammenbauen an die Bohrachse
D gebracht werden. Der Ausleger ist durch einen Drehring 32 am Basisrahmen
28 montiert, der durch einen hydraulischen Motor 34 angetrieben werden kann,
um den Ausleger um 90º um eine Achse 32a auf beide Seiten der Mittelposition
zu drehen, in der ein Paar vom Ausleger vorragende Greifer 36 zum Bohrturm
hin gerichtet ist. Der Ausleger weist auch ein horizontales Zapfengelenk 38
unmittelbar oberhalb des Drehrings auf. Durch Hydraulikzylinder 38a kann der
Ausleger an diesem Gelenk von der gezeigten vertikalen Position in eine
horizontale Position geschwungen werden.
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Die beiden Greifer 36 sind an Gleitstücken 42 auf dem Ausleger montiert.
Hydraulik-Heber 40 zwischen den Gleitstücken und dem Ausleger können die
Greifer 36 gemeinsam vom Ausleger nach außen ausstrecken. Zumindest einer
der Greifer 36 ist mit seinem Gleitstück 42 entlang dem Ausleger beweglich,
um den Abstand zwischen den Greifern zu variieren, z. B. durch
Zahnstangenmechanismen 41 zwischen den Gleitstücken und dem Ausleger.
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Als ein austauschbarer Teil eines jeden Greifers ist eine Greifbacke 44
montiert, die einen Träger 46 umfaßt, durch den die Backe an ihr Gleitstück
42 geschraubt werden kann. Ein Paar Greifarme 48 ragt aus dem Träger hervor
und ist an ihm durch jeweilige Drehzapfen 47 montiert. An den äußeren Enden
der Arme befinden sich Drehzapfen 50 für jeweilige Klemmfinger 52. Die Arme
können an ihren Drehzapfen durch eine Spannschraubenvorrichtung 54 auf einen
erforderlichen Winkel eingestellt werden, um sie auf einen Bereich von
Röhrendurchmessern einzustellen. In Fig. 6 sind die jeweiligen Arme in
gegenüberliegenden Einstellungsendgrenzen gezeigt, es soll jedoch verstanden
werden, daß sie jederzeit in gleichen und entgegengesetzten Winkeln zur
Mittelebene zwischen ihnen liegen. Am inneren Ende eines jeden Arms ist durch
Achszapfen ein Schwenkbolzen 56 angebracht, der mit Gewinde versehene Bohrungen
58 aufweist, durch die sich eine Schraube 60 der Spannschraubenanordnung
erstreckt, die in die beiden Schwenkbolzen mit Schraubengewinden in
entgegengesetzten Richtungen eingreift. Auf ihrer Länge auf halbem Weg zwischen
den Bolzen 56 geht die Schraube 60 durch Abstandslöcher in Anordnungsplatten
62 hindurch, die am Träger befestigt sind, und zwischen diesen Platten weist
sie einen vergrößerten Abschnitt 64 auf, so daß sie durch die Platten axial
angeordnet ist. Durch einen Kopf 66 an einem Ende kann die Schraube gedreht
werden und, da sie axial feststehend ist, bewegen sich die Schwenkbolzen
entlang der Schraube in entgegengesetzte Richtungen, während sie gedreht wird,
wodurch die Arme 48 gemeinsam nach innen und außen geschwenkt werden, um sie
auf den Abstand einzustellen, der für einen bestimmten Röhrendurchmesser
erforderlich ist.
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Um die Röhre zu greifen, wenn sie zwischen den Armen angeordnet ist, werden
die Klemmfinger 52 durch einen gemeinsamen Antriebsmotor 68 am Träger nach
nach innen geschwungen. Jeder Finger ist an seinem Drehzapfen 50 drehbar,
z. B. durch eine Antriebskette 70, die um Kettenräder 72,74 läuft, die jeweils
am Fingerdrehzapfen 50 und an einer Welle 76 befestigt sind, die auch ein
Antriebsritzel 78 daran befestigt hat, wobei die Weile 76 mit dem Armdrehzapfen
47 konzentrisch ist. Ein Zwischenzahnrad 80 auf dem Träger 46 verbindet ein
Antriebsritzel 82 auf dem Motor 68 direkt mit dem Antriebsritzel der
Antriebskette. Ein weiteres Zahnrad 84 zwischen dem Zwischenrad 80 und dem
Antriebsritzel der anderen Antriebskette dreht dieses zweite Antriebsritzel
78 in die entgegengesetzte Richtung, so daß die Finger 52 sich gemeinsam öffnen
und schließen.
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Die Achse des Drehrings 32 ist bezogen auf den Bohrturm 8 feststehend, so daß,
während der Bohrturm an einer bestimmten Station arbeitet, die
Verstärkungsunterlagen 20, die die Röhren enthalten, entlang jeder Reihe in
den Betriebsbereich des Auslegers bewegt werden müssen. Für diesen Zweck ist
jede der beiden Reihen aufeinandergestapelter Verstärkungsunterlagen mit einem
Paar Beförderungsfahrgestelle 90 an gegenüberliegenden Seiten der Reihe
versehen, wobei die Fahrgestelle mit Flansch versehene Räder 92 aufweisen,
die auf den Schienen 6 auf der Oberseite der Basis 2 laufen. Die Fahrgestelle
werden durch eine Druckhydraulikzufuhr von Rollen 94 angetrieben, die am Ende
der Basis angeordnet sind und Druckfluid für Antriebsmotoren 96 des
Fahrgestells und für (nicht gezeigte) Hebemotoren liefern, die Schraubenwinden
98 an gegenüberliegenden Endpfeilern 100 eines jeden Fahrgestells drehen,
um Tragzapfen 102 zu heben und zu senken, die mit der Unterseite einer
gewählten Verstärkungsunterlage in Eingriff gebracht werden können, um sie
von ihrem Stapel auf eine Betriebshöhe zu heben. Die Stapel sind auf ein
Niveau unter der Betriebshöhe beschränkt, so daß die Fahrgestelle eine
hochgehobene Verstärkungsunterlage von jeder gewählten Position entlang einer
Reihe von Verstärkungsunterlagen zum Ausleger transportieren können.
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Innerhalb der Basis des Bohrturms befindet sich eine Spur 104, die sich von
der Bohrachse weg vom Ausleger erstreckt. Die Spur trägt einen Kreuzwagen
mit Schienen in rechten Winkeln zur Spur, auf dem ein Abhängegerät montiert
ist. Ein Drehmomentschlüsselgerät ist auf dem Abhängegerät angeordnet und
ist parallel zur Spur 104 verschiebbar. Die beiden Geräte tragen jeweils
eine Reihe, z. B. drei alternative Einheiten für unterschiedliche
Röhrendurchmesser, und die Abhängeeinheiten können auch austauschbare
Reduzierhülsen aufweisen, um sie genauer an bestimmte Röhrendurchmesser
anzupassen. Die Abhängeeinheiten können selbst herkömmliche Gestalt aufweisen
und sind nicht einzeln dargestellt, und die Verschiebbarkeit der
Drehmomentschlüsseinheiten ermöglicht es, daß sie koaxial mit den
Abhängeeinheiten angeordnet werden.
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Innerhalb des Basisrahmens 28 ist ein Drehtisch 142 auf einer vertikalen Achse
montiert, der alternative Bohrlochsicherungen 144 von herkömmlicher
Konstruktion trägt. Durch das Drehen des Drehtisches kann eine gewählte
Sicherung auf der Bohrachse angeordnet werden. Alternativ dazu können die
Bohrlochsicherungen 144 auf einem (nicht gezeigten) linear verschiebbaren
Wagen getragen werden, wie ohne jede weitere Veranschaulichung verstanden
werden wird.
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Das Bohren wird durch ein Drehgelenk 150 mit Kraftantrieb durchgeführt, das
vom Kopf des Bohrturms 8 hängt und durch eine Bohrwinde 152 an der Basis
des Bohrturm gehoben und gesenkt wird. Eine weitere Beschreibung dieser
Einheiten ist nicht erforderlich, da sie in gänzlich herkömmlicher Form
vorliegen können. Andere in den Zeichnungen gezeigte herkömmliche Einheiten
sind eine Schlammbehandlungsanlage 154 an der Basis angrenzend an den Bohrturm
und getrennte Module 156, 158, 160, wobei das erste Ausrüstung zur
Schlammlagerung, zum Mischen und Luftausgleichsbehälter umfaßt, das zweite
mit Schlammpumpen und Luft- und Hydraulikkompressoranlage ausgestattet ist
und das dritte mit Zementmisch-, -lager- und -pumpanlage ausgestattet ist.
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Die Form der Anlage ermöglicht es, daß sie auf eine Reihe von Arten
wirtschaftlich verwendet wird, und ist besonders gut zur Bohrung an Land oder
auf feststehenden Plattformen vor der Küste geeignet. Als ein Beispiel kann
die Basis 2 eine aus einer Anzahl sein, die ständig an gewählten Bohrplätzen
positioniert ist, und die verbleibende Ausrüstung kann zwischen diesen Plätzen
herumbewegt werden, wie von den Arbeitsanforderungen vorgegeben. Die
verschiedenen Einheiten werden, wenn sie zur Basis gebracht werden, bezogen
auf die parallelen Schienen 6 in die richtige Anordnung gebracht, können aber
dann durch herkömmliche Verschiebemethoden, die zum Bewegen schwerer Ladungen
eingesetzt werden, entlang der Schienen verschoben werden. Die
Verstärkungsunterlagen 20 werden einfach in ihren Reihen auf die Stützen 26
gelegt, wobei benachbarte Kanten der Reihen in Abhängigkeit von der Stelle,
an der der Bohrturm 8 verwendet werden soll, in passender Position angeordnet
werden.
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Im Verlauf der Bohrung werden die Fahrgestelle 90 der Stapel aus
Bohrelement-Verstärkungsunterlagen so betrieben, daß jede Verstärkungsunterlage
in den Bereich des Auslegers 30 gebracht wird, und dann, mit Bewegung in einer
Reihe von Schritten, die Achse einer jeden Röhre auf die Auslegerdrehringachse
ausgerichtet wird. (Nicht gezeigte) bekannte Steuerungsvorrichtungen,
einschließlich elektronischer Datenverarbeitungseinrichtungen, gewährleisten,
daß die Fahrgestelle eines jeden Paares sich um entsprechende Distanzen
zueinander bewegen, so daß sie aufeinander ausgerichtet bleiben und in die
erforderlichen Positionen entlang der Reihe gebracht werden, und weiters können
derartige Steuerungsvorrichtungen die anderen Bewegungen der beschriebenen
Vorrichtung in Gang setzen und sequentiell ordnen.
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Wenn die Fahrgestelle eine Verstärkungsunterlage zum Handhabungsausleger 30
gebracht haben, wird der Ausleger von seiner Mittelposition um 90º in die
erforderliche Richtung gedreht, in der die Greifer 36 radial zur Bohrachse
hin vorragen. Der Ausleger ist nun den horizontalen Bohrelementen zugewandt
und wird mit ausgestreckten Greifern 36 um sein Zapfengelenk 38 gesenkt, um
das Bohrelement zu ergreifen, das mit der Drehringachse ausgerichtet ist.
Die Greifer werden dann zurückgezogen, um das Bohrelement hochzuheben. Während
der Ausleger in die vertikale Position zurückgeschwenkt wird, befinden sich
die Greifer nur in Reibungsschluß mit dem Bohrelement, und es kann auf ein
Anordnungskissen 170 hinuntergleiten, das auf dem Ausleger montiert ist, so daß
es unter die Greifer ragt. Wenn der Ausleger nun vertikal steht und die Greifer
zurückgezogen sind, wird der Ausleger auf seinem Drehring gedreht, so daß die
Röhre dem Bohrturm 8 zugewandt ist. Das Anordnungskissen ist wie die Greifer
senkrecht zur Auslegerachse durch Hydraulik-Heber verschiebbar, und das Kissen
und die Greifer werden gemeinsam ausgestreckt, um sich in die offene Seite
des Bohrturms zu bewegen und dadurch die Röhre auf der Bohrachse anzuordnen.
Dort wird die Röhre am Drehgelenk 150 mit Kraftantrieb befestigt, von dem
es herunterhängt, wenn die Greifer gelöst werden und die Greifer und das
Anordnungskissen gemeinsam zurückgezogen werden. Hier ist festzustellen, daß
die Verwendung des Anordnungskissens als eine vorübergehende Stütze für die
Röhren die Kraftanforderungen der Greifer begrenzt und das Risiko der
Beschädigung der Röhren durch übermäßige Klemmkräfte verringert.
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Nachdem die Greifer und das Anordnungskissen vom Bohrturm zurückgezogen worden
sind, senkt das Drehgelenk mit Kraftantrieb schließlich die Röhre zum
bestehenden Bohrstrang hin, wo sie durch Betätigung entsprechender
Abhängeund Drehmomentschlüsseleinheiten auf bekannte Art an den Bohrstrang gekoppelt
werden kann. Während die Röhre am Bohrstrang befestigt wird, kehrt der Ausleger
zurück, um eine weitere Röhre aufzunehmen, die in der Zwischenzeit mit seiner
Drehachse ausgerichtet worden ist.
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Die Bohrlochgehäuseabschnitte werden auf ähnliche Art gehandhabt, da sie aber
einen wesentlich größeren Durchmesser haben können, können alternative
Greifbacken erforderlich sein. Fig. 8 veranschaulicht eine alternative
Konfiguration der Backen 176, die in diesem Beispiel für einen Abschnitt mit
30 Inch (750 mm) Durchmesser bestimmt sind, Arme 178 aufweisen, die eine
starre, nicht einstellbare Einheit bilden, aber Klemmfinger 180 tragen, die
auf ähnliche Art wie die bereits beschriebenen Finger 52 der Backen 44
arbeiten. Die Backen 44, 176 werden ganz einfach ausgewechselt, indem sie
auf Röhren oder ähnlichen Stützen in Positionen montiert werden, in denen
ihre Träger mit den Befestigungseinrichtungen auf dem Ausleger ausgerichtet
werden und an diesen Einrichtungen befestigt werden können, wenn der Ausleger
um sein Zapfengelenk 38 auf sie hintergeschwungen wird.
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Es versteht sich, daß das Zerlegen der Bohrstrangelemente und Auskleidungen
durch einen analogen umgekehrten Vorgang durchgeführt werden kann, wobei der
Handhabungsausleger verwendet wird, um die Röhren zu nehmen, wenn sie vom
Drehmomentschlüsselgerät gelöst werden, und sie in Verstärkungsunterlagen
zu geben, die dann wo gewünscht in ihrer Reihe aufgestapelt werden.
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Ein Merkmal der beschriebenen Anlage besteht darin, daß alle Vorgänge des
Einbauens oder Entfernens einer Röhre vorprogrammiert und automatisch auf
Befehl von einer Betriebsperson durchgeführt werden können. Die Programmier-
und Steuerungseinrichtungen können von Vorrichtungen und Techniken stammen,
die Fachleuten wohlbekannt sind, und erfordern hier keine weitere detaillierte
Ausführung.
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Durch den Einsatz der Vorrichtung kann die Anbringung der Röhren effizient
durchgeführt werden, wodurch die Aufgabe ihrer Montage und Demontage
vereinfacht und so die für diese Aufgaben erforderliche Zeit minimiert werden
kann. Die Möglichkeit, die Ausrüstung zwischen ähnlichen, relativ
kostengünstigen Stützbasen an verschiedenen Plätzen zu bewegen, ermöglicht
einen effizienteren Einsatz der Bohrausrüstung und ihrer Hilfsanlage, wodurch
die Bohrkosten weiter verringert werden.