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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Beim Treiben einer Folge Bohrgestänge oder anderer
Rohre in oder aus einem Bohrloch wurde es zur Verbindung und Trennung
der verschiedenen Bohrkomponenten, wie z.B. Bohrgestänge oder Überschiebmuffe,
eine Kombination aus Drehmomentschlüssel und Drehschrauben benutzt.
Solche Kombinationen aus Drehmomentschlüssel und Drehschrauber werden
oftmals als „Iron
Roughnecks" bezeichnet.
Diese Geräte
kombinieren Drehmomentschlüssel
und Drehschrauber und sind in U.S. 4,023,449, U.S. 4,348,920 und
U.S. 4,765,401, alle bei Boyadjieff, beschrieben, die alle durch
Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in der vorliegenden Offenbarung einbezogen
sind.
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In der Vergangenheit wurden Iron Roughnecks,
Drehschrauben und Drehmomentschlüssel
zusammen auf einem einzelnen Schlitten befestigt, sind aber trotzdem
getrennte Maschinen. Beim „Losbrechen" oder Lösen von
Verbindungen zwischen zwei Gestängeverbindern
von Bohrrohren wird die obere Backe des Drehmomentschlüssels verwendet,
um den oberen Abschnitt eines oberen Gestängeverbinders von Bohrrohren
zu umklammern und die untere Backe des Drehmomentschlüssels umklammert
den unteren Abschnitt der Rohrverbindung. Bohrrohrhersteller fügen an jedem
Ende eines Gestängeverbinders
von Bohrrohren mit Gewinde versehene Komponenten, sogenannte „Gestängeverbinder", hinzu. Sie fügen die
mit Gewinde versehenen Gestängeverbinder
hinzu, weil die Metallwand von Bohrrohren nicht dick genug ist,
um Gewinde in sie zu schneiden. Die Gestängeverbinder werden an den
Endabschnitten der Bohrrohre aufgeschweißt und geben den Rohren an
jedem Ende eine charakteristische Ausbuchtung. Ein Gestängeverbinder,
die weibliche oder Innengewinde aufweist, wird „Muffe" genannt. Der Gestängeverbinder am anderen Ende,
die männliche
oder Außengewinde
aufweist, wird „Zapfen" genannt.
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Nach dem Umklammern der Gestängeverbinder
werden die obere und untere Backe relativ zueinander gedreht, um
die Verbindung zwischen den oberen und unteren Gestängeverbindern
zu lösen. Die
obere Backe wird dann gelöst,
während
die untere Backe um den unteren Gestängeverbinder geklammert bleibt.
Ein Drehschrauben, der getrennt von dem Drehmomentschlüssel ist
und höher
auf dem Schlitten befestigt ist, tritt in Eingriff mit dem Schaft
des oberen Bohrrohrverbinders und dreht den oberen Bohrrohrverbinder,
bis er von dem unteren Verbinder getrennt ist. Weil der Drehschrauber
und der Drehmomentschlüssel
getrennte Mechanismen sind, kann der Drehschrauben nicht nahe genug
an den Drehmomentschlüssel
herankommen, um den Gestängeverbinder
zu greifen, so dass der Drehschrauber das Rohr, wenn überhaupt,
entlang seines Schaftes greifen muß.
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Weil die Drehschrauben nicht nahe
genug an den Drehmomentschlüssel
herankommen kann, können
die Iron Roughnecks nach dem Stand der Technik für einige Typen von Bohrschaftkomponenten nicht
verwendet werden. Zum Beispiel haben spiralförmige Muffen entlang des Schaftes
externe Stabilisatoren, die von den Rollen eines Drehschlüssels beschädigt werden
können.
Andere Komponenten weisen andere Variationen in Oberfläche und
Form auf, die sie entlang ihrer Schäfte ungeeignet für einen Kontakt
mit Drehrollen macht.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Der Iron Roughneck der vorliegenden
Erfindung erlaubt das automatische Verbinden und Trennen einer großen Auswahl
an Bohrschaftkomponenten, ohne diese Komponenten zu beschädigen. Der Drehschrauben
ist mit dem Drehmomentschlüssel
in einem einzigen Gerät
integriert, so dass die Drehrollen mit der Komponente auf dem gleichen
Niveau wie die Drehmomentschlüsselbacken
in Eingriff treten. Dies erlaubt den Drehrollen, den Gestängeverbinder und
nicht den Bohrschaft festzuhalten und so zum Beispiel Stabilisatorschienen
und andere Merkmale zu vermeiden, die die Verwendung des Drehschraubers
eines vorigen Iron Roughnecks nach dem Stand der Technik verhindern
würde.
Diese Integration des Drehschraubers mit dem Drehmomentschlüssel erlaubt
auch das Drehen und Anziehen eines Rohrverbinderpaares, ohne den
Drehmomentschlüssel
und den Drehschrauben erneut zu positionieren. Es erlaubt eine kompaktere
Bauart und stellt ein größeres Verhältnis von
Drehmoment zu Antriebsleistung zur Verfügung. Andere Merkmale und Vorteile
der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten
Beschreibung ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden
Zeichnungen gelesen wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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In den Zeichnungen, die Teil dieser
Beschreibung darstellen, sind Ausführungsformen, die verschiedene
Merkmale der Erfindung zeigen, wie folgt dargestellt:
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1 ist
eine perspektivische Ansicht des Iron Roughneck gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung, befestigt an einem Schlitten;
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2 ist
eine rückseitige
perspektivische Ansicht des Iron Roughnecks aus 1;
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3 ist
eine rechtsseitig erhöhte
Ansicht des Iron Roughnecks aus 1;
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4 ist
eine Draufsicht des Iron Roughnecks aus 1;
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5 ist
eine Draufsicht der rechten Backe des Iron Roughnecks aus 1, die Ausnehmungen zum
Einsetzen der beiden Drehrollen zeigt;
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6 ist
eine perspektivische Ansicht der linken Rollenantriebsanordnung
des Iron Roughnecks aus 1;
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7 ist
eine Draufsicht der rechten Rollenantriebsanordnung mit entfernter
oberer Abdeckung, um das Zahnräderwerk
zu zeigen;
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8 ist
eine Querschnittsansicht des Iron Roughnecks von oben, die entlang
der Linie 8-8 aus 3 angefertigt
ist und die Drehrollen und die Rohrgreifbacken in den unteren Backen
zeigt; und
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9A ist
eine perspektivische Ansicht einer Rohrgreifbacke von vorn, und 9B ist eine Rückansicht
derselben Rohrgreifbacke, die deren gerändelten Rücken zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Obwohl hierin detaillierte erläuternde
Ausführungsformen
offenbart werden, könnten
andere geeignete Aufbauten und Maschinen zum Ausüben der Erfindung verwendet
werden und werden für
Personen mit durchschnittlichem Fachkönnen auf dem Fachgebiet offensichtlich
sein. Folglich sind hierin offenbarte typische bauliche und funktionale
Einzelheiten nur beispielhaft; sie beschreiben die bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung.
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1 und 2 zeigen einen Iron Roughneck 10,
der gemäß einer
bestimmten Ausführungsform der
Erfindung konstruiert ist. Eine obere rechte Backe 12,
eine obere linke Backe 14, eine untere rechte Backe 16 und
eine untere linke Backe 18 des Iron Roughnecks haben jeweils
ein Rohrgreifbackenelement oder „Zangenbacke" (8) zum Greifen der Gestängeverbinder
zweier Bohrrohrabschnitte, die verbunden oder getrennt werden sollen.
Obwohl die Erfindung in erster Linie bei der Verwendung beschrieben
wird, Gestängeverbinder
von Bohrrohren zu verbinden und zu trennen, kann sie auch verwendet
werden, um viele andere Bohrkomponenten zu verbinden und zu trennen,
einschließlich,
aber nicht beschränkt
auf Eruptionsschieber, Überschiebmuffen, Überschiebmuffen
mit spiralförmigen
Kerbungen, Stabilisatoren, Bohrkronen und Bodenlochsohlenausrüstungen
einschließlich
Bohrkronen.
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Wie in 5 und 8 veranschaulicht, hat die obere
rechte Backe eine vordere Ausnehmung 22 und eine hintere
Ausnehmung 24, die spannend hergestellt oder ausgeformt
sind. Die obere linke Backe 14 hat ähnlich eine vordere Ausnehmung 26 und
eine hintere Ausnehmung 28. 6 zeigt
eine linke Drehanordnung 30 mit einer linken vorderen Drehrolle 34 und
einer linken hinteren Drehrolle 36. Eine rechte Drehanordnung 32 ist
das Spiegelbild der linken Drehanordnung 30 und hat eine
rechte vordere Drehrolle 38 und eine rechte hintere Drehrolle 40 (2 und 8). Wie in 2 und 8 veranschaulicht, ist die
linke Drehanordnung 30 oberhalb der oberen linken Backe 14 befestigt,
und die rechte Drehanordnung 32 ist oberhalb der oberen
rechten Backe 12 befestigt, so dass die Drehrollen 34, 36, 38 und 40 jeweils
in den Ausnehmungen 22, 24, 26 und 28 positioniert
sind. Eine der Rohrgreifbacken 20 ist zwischen den Drehrollen 34 und 36 positioniert,
und die andere Rohrgreifbacke 20 ist zwischen den Drehrollen 38 und 40 positioniert.
Durch Positionieren der Drehrollen 34, 36, 38 und 40 in
den oberen Backen 12 und 14 auf demselben Niveau
wie die Rohrgreifbacken 20, ist es den Drehrollen 34, 36, 38 und 40 möglich, dichter
an den unteren Backen 16 und 18 zu drehen und
so den Gestängeverbinder
und nicht den Rohrschaft zu greifen.
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1 veranschaulicht
den Iron Roughneck 10, der an einem Träger 42 befestigt ist,
um ihn relativ zu den zu trennenden oder zu verbindenden Bohrkomponenten
zu positionieren. Der Träger 42 fährt auf
Führungen 44,
um eine horizontale Bewegung zu ermöglichen. Für eine vertikale Bewegung entlang des
Trägers 42 ist
der Iron Roughneck 10 außerdem an einem Schlitten 46 befestigt.
Die vertikale Bewegung des Schlittens wird durch einen Hubzylinder und
zwei Ketten erreicht. An den Ketten sind Federn angebracht, die
die vertikale Bewegung ausgleichen, die durch die Rohrgewinde, die
beim Verbinden und Trennen der Rohre relativ zueinander bewegt werden,
verursacht werden.
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Die Backen 12, 14, 16 und 18 arbeiten
in einer ähnlichen
Weise wie ein herkömmlicher
Drehmomentschlüssel.
Wie in 8 zu sehen ist,
sind die oberen Backen 12 und 14 durch einen vertikalen Scharnierstift 48 schwenkbar
miteinander verbunden, um die oberen Backen 12 und 14 in
Richtung aufeinander und voneinander weg zum Greifen oder Freigeben
der Bohrkomponenten zu bewegen. 4 zeigt
die oberen Backen 12 und 14 in einer relativ geschlossenen
Position, während 8 die oberen Backen 12 und 14 in
einer relativ offenen Position zeigt, in der sie einen Bohrrohrverbinder 60 greifen.
Die unteren Backen 16 und 18 sind im Wesentlichen
die gleichen wie die oberen Backen 12 und 14,
wie sie oben beschrieben sind, und sind durch denselben Scharnierstift 48 wie
die oberen Backen für
eine Schwenkbewegung zwischen Greif- und Freigabezuständen verbunden. 2 und 3 veranschaulichen einen oberen Backengreifkolben-
und Zylindermechanismus 50, angeordnet zwischen inneren
Enden der oberen Backen 54, um die oberen Backen zwischen
ihren Greif- und Freigabezuständen
zu betätigen.
Die Figuren veranschaulichen ferner einen unteren Backengreifkolben-
und Zylindermechanismus 52, angeordnet zwischen inneren
Enden der unteren Backen 56, um die unteren Backen zwischen
ihren Greif- und Freigabezuständen
zu betätigen.
In ihren offenen Zuständen
sind die Backen weit genug auseinander, um dem Drehmomentschlüssel zu
ermöglichen,
sich zwischen einer Position um das Rohr und einer Position seitlich
achsversetzt davon zu bewegen. Der obere Backengreifkolben- und
Zylindermechanismus 50 und der untere Backengreifkolben- und
Zylindermechanismus 52 arbeiten unabhängig voneinander, um die oberen
und unteren Backen zu öffnen
und zu schließen.
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Nachdem die Backen an einer Verbindung zwischen
zwei Rohrabschnitten positioniert worden sind, greifen die unteren
Backen 16 und 18 den oberen Gestängeverbinder
des unteren Rohrabschnitts, und die oberen Backen 12 und 14 greifen
den unteren Gestängeverbinder
des oberen Rohrabschnitts. Die oberen Backen 12 und 14 und
die unteren Backen 16 und 18 können dann relativ zueinander
um die vertikale Achse 58 der Rohre 60 gedreht
werden, wie in 8 gezeigt,
um zwischen den Rohren entweder eine Schraubverbindung loszubrechen
oder herzustellen. Um diese relative Rotation zu erreichen, ist
der Zylinder eines linken, Drehmoment aufbringenden Kolben- und
Zylindermechanismusses 62 mit den oberen linken Backen 14 und
sein Kolben mit der unteren linken Backe 18 verbunden,
wie in 4 und 8 gezeigt. In den 4 und 8 ist auch ein rechter, Drehmoment aufbringender
Kolben- und Zylindermechanismus 64 gezeigt, bei dem Zylinder
mit der unteren rechten Backe 16 und der Kolben mit der unteren
rechten Backe 12 verbunden ist. Folglich können die
Drehmoment aufbringende Kolben- und Zylindermechanismen 62 und 64 die
oberen und unteren Backen in beide Richtungen relativ zueinander und
um die Achse 58 des gegriffenen Rohres 60 unter
Aufbringung von Kraft drehen.
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Wie in der 8 veranschaulicht, hat jede der oberen
Backen 12 und 14 eine einzelne Rohrgreifbacke 20.
In dem Iron Roughneck 10 der vorliegenden Erfindung sind
die Drehrollen 34, 36, 38 und 40 in
den oberen Backen zusammen mit den Greifbacken so positioniert,
dass jede Greifbacke 20 zwischen einem Paar Drehrollen
angeordnet ist. Aufgrund dieser Anordnung ist dort sehr wenig Platz
zum Befestigen der Rohrgreifbacken 20. Folglich werden verschiedene
spezielle Merkmale verwendet, um die Rohrgreifbacken 20 zu
lagern.
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Die Rohrgreifbacken 20 sind
fächerförmig oder
schwalbenschwanzförmig
ausgebildet (9A), um
in korrespondierende schwalbenschwanzförmige Nuten oder Schlitze 66,
die in den oberen Backen zwischen den Ausnehmungen 22, 24, 26 und 28 gebildet
sind, eingesetzt zu werden. Jede Nut 66 fächert in
der Richtung, die in den Körper der
entsprechenden oberen Backe hineingeht, auf. Jede schwalbenschwanzförmige Greifbacke 20 ist
in seine korrespondierende Nut 66 eingesetzt, um eine Schwalbenverbindung
zu bilden. Das schmale Ende der schwalbenschwanzförmigen Rohrgreifbacke
erstreckt sich weg von den oberen Backenkörpern, um sich in die Gestängeverbinder
hinein zu graben und diese zu greifen. In einer Ausführungsform
sind die Backen aus den Nuten 66 entfernbar, so dass sie
ersetzt werden können,
wenn die Nuten 66 abgenutzt sind.
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Wie in 9B gezeigt,
haben die Drehmomentgreifbacken 20 der veranschaulichten
Ausführungsform
gerändelte
Rücken,
um die Greifbacken 20 besser gegen die Rückseite
der korrespondierenden Nuten 66 zu sichern, wobei folglich
die Drehmomentbelastung von den Seiten der Nuten 66 zu
der Rückseite
der Nuten geleitet wird. Die gerändelte Oberfläche könnte aus
einer Folge v-förmiger Furchen
gebildet sein, die zu einer Vielzahl zugespitzter, pyramidenförmiger Vorsprünge führt. Dies
schützt die
Seiten der Nuten 66, die wegen der Nähe der Ausnehmungen 22, 24, 26 und 28 relativ
dünne Teile sind,
und die deshalb nicht zu hoher Belastung ausgesetzt werden sollten.
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Die unteren Backen 16 und 18 können die Anordnung,
die oben beschrieben ist, verwenden, andernfalls können andere
Anordnungen verwenden werden.
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6 veranschaulicht
die linke Drehanordnung 30 mit einer vorderen Drehrolle 34 und
einer hinteren Drehrolle 36. Die rechte Drehanordnung 32 ist
das Spiegelbild der linken Drehanordnung 30 und ist deshalb
nicht separat im Detail gezeigt. Die nachfolgende Beschreibung betrifft
auch die rechte Drehanordnung 32. Die Drehanordnung 30 ist
oberhalb der oberen Backe 12 befestigt, so dass sich die Drehrollen 34 und 36 in
die Ausnehmungen 26 und 28 erstrecken. Ein hydraulischer
Drehmotor 74 ist an der Seite des Gehäuses 68 befestigt.
Wie in 7 veranschaulicht,
befindet sich in dem Gehäuse 68 ein Zahnräderwerk 72 zum Übertragen
von Leistung des Motors 74 zu den Drehrollen 34 und 36.
Zu diesem Zweck können
auch andere Motoren und Drehanordnungen benutzt werden, solange
sie geeignet sind, die Rollen 34 und 36 zu drehen
und genügend
kompakt sind.
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Es ist wünschenswert, den Motor 74 auf
der Seite des Drehanordnungsgehäuses 68 anzubringen,
wie in 2 gezeigt, statt
oberhalb davon, um Strukturen, die oberhalb des Iron Roughneck angebracht
sind, zu entfernen. Die Kegelzahnräder des Zahnräderwerks 72 erlauben
den Transfer der Rotationsbewegung von der horizontalen Achse 76 des Motors 74 zu
den vertikalen Achsen 78 und 80 der Rollen 34 und 36.
Das Zahnräderwerk 72 dient
auch zum gleichmäßigen Aufteilen
der Leistung des einzigen Motors 74 auf die beiden Rollen 34 und 36.
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Herkömmlich haben Drehrollen glatte
Oberflächen
gehabt, weil sie auf der glatten Oberfläche des Rohrschaftes umlaufen.
In der vorliegenden Erfindung laufen die Drehrollen 34 und 36 jedoch
vorteilhafterweise auf der rauhen Oberfläche des Gestängeverbinders
um. Die Oberflächen
der Gestängeverbinder
können
aufgrund der Rohrgreifbacken 20, die sich hineingraben,
um das Rohr sicher zu halten, rauh werden. Drehrollen mit glatten
Oberflächen können durch
die Vertiefungen und Überstände des Gestängeverbinders
beschädigt
werden und können dabei
von der Oberfläche
des Scharniers weg gedrängt
werden, wodurch der Mechanismus des Drehschraubers belastet wird.
Wie in 6 gezeigt, sind die
Oberflächen
der Rollen 34 und 36 mit einem gerändelten
fischgrätenartigen
Kreuzschraffurmuster versehen, um den Ungleichmäßigkeiten auf den Gestängeverbinderoberflächen besser
zu entsprechen. Das Fischgrätenmuster
enthält
ausreichend offenen Zwischenraum auf den Rollenoberflächen, um
Kantrillen und andere Fehler aufzunehmen, und die Erhöhungen der
Strukturen konzentrieren die Kräfte
genügend,
um jede Kantrille zu durchdringen. Auch andere Strukturen können auf
den Rollenoberflächen vorgesehen
sein, um den Rollen zu erlauben, den Ungleichmäßigkeiten auf den Verbindungsstückoberflächen zu
entsprechen.
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Wenn der Iron Roughneck 10 verwendet wird,
um eine mit Gewinde versehene Verbindung zwischen einem Gestängeverbinderzapfen
eines oberen Bohrrohrabschnitts und einer Gestängeverbindermuffe eines unteren
Rohrabschnitts zu trennen, wird der untere Bohrabschnitt zuerst
in die Abfangkeile eingesetzt. Die Backengreifkolben- und Zylindermechanismen 50 und 52 werden
dann aktiviert, um die Backen 12, 14, 16 und 18 zu öffnen. Der
Iron Roughneck 10 und der Träger 42 werden dann
bewegt, so dass sich die Gestängeverbindermuffe
zwischen den unteren Backen 16 und 18 und der
Gestängeverbinderzapfen
zwischen den oberen Backen 12 und 14 befindet.
Die Backengreifkolben- und Zylindermechanismen 50 und 52 werden
zum Griff der unteren Backen 16 und 18 auf die
Gestängeverbindermuffe
und zum Griff der oberen Backen auf den Gestängeverbinderzapfen wieder aktiviert.
Durch die Greifbackenkolben- und Zylindermechanismen 50 und 52 bereitgestellte
Kraft bringt die Rohrgreifbacken 20 für einen besseren Griff mit
den Gestängeverbindern
in Eingriff. Anschließend
werden die Drehmomentzylindermechanismen 62 und 64 aktiviert,
um die obere Backe im Gegenuhrzeigersinn relativ zu der stationären unteren
Backe (die untere Backe ist an dem unteren Bohrrohrverbinder gegriffen, das
in den Abfangkeilen eingesetzt ist zu drehen, um die Verbindung
zwischen den Gestängeverbinderzapfen
und Gestängeverbindermuffen
zu lösen.
Der Backengreifkolben- und Zylindermechanismus 50 wird
dann aktiviert, um die oberen Backen 12 und 14 zu
lösen,
und die Drehrollen 34, 36, 38 und 40 werden
in Kontakt mit dem Zapfen-Muffe_Gestängeverbinder gebracht. Der
linksseitige hydraulische Drehmotor 74 und ein rechtsseitiger
hydraulischer Drehmotor 82 werden dann aktiviert, um den
Gestängeverbinderzapfen
im Gegenuhrzeigersinn relativ zu der Gestängeverbindermuffe zu drehen,
bis der obere Bohrrohrverbinder von dem unteren Bohrrohrverbinder
getrennt ist.
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Um den Iron Roughneck 10 zu
benutzen, eine mit einem Gewinde versehene Verbindung zwischen einem
Gestängeverbinderzapfen
eines oberen Bohrrohrverbinders und einer Gestängeverbindermuffe eines unteren
Bohrrohrverbinders zu verbinden, wird der oben beschriebene Ablauf
umgekehrt.
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Über
die oben näher
beschriebenen, hydraulischen Motoren hinaus kann jeder andere leistungsstarke,
kompakte Motor verwendet werden. Die Drehanordnungen 30 und 32 können auch
an anderen Positionen oberhalb, innerhalb, seitlich oder unterhalb
der Backen angeordnet werden. Die Rollen können in den unteren Backen
statt in den oberen Backen angeordnet werden, um unten angeordnete Komponenten
herauszudrehen. Rollen können
sowohl in den oberen als auch den unteren Backen bewegt werden,
um weitere Möglichkeiten
bereitzustellen. Eine größere Anzahl
an Backen oder Rollen können
mit der vorliegenden Erfindung ebenfalls verwendet werden.
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Während
die obige Beschreibung viele typische Merkmale der Erfindung beschreibt,
sollte dies nicht als Beschränkung
des Anwendungsbereichs der Erfindung ausgelegt werden, sondern vielmehr als
eine beispielhafte Ausführungsform
davon. Viele andere Variationen sind möglich. Dementsprechend sollte
der Schutzumfang der Erfindung nicht durch die veranschaulichte
Ausführungsform
bestimmt werden, sondern durch die beigefügten Ansprüche und ihre gesetzlichen Äquivalente.