EP3433464B1

EP3433464B1 - Handhabungsvorrichtung zur verwendung im mast einer bohranlage und verfahren zum bewegen von bohrstangen oder bohrgestängeelementen

Info

Publication number: EP3433464B1
Application number: EP18710848.5A
Authority: EP
Inventors: Arend Lödden; Gustaaf Martin RUS
Original assignee: Bentec Drilling and Oilfield Systems GmbH
Current assignee: Bentec Drilling and Oilfield Systems GmbH
Priority date: 2017-03-15
Filing date: 2018-03-10
Publication date: 2021-04-07
Anticipated expiration: 2038-03-10
Also published as: DE102017204352A1; WO2018166927A1; EA039871B1; EP3433464A1; EA201990691A1

Description

Handhabungsvorrichtung zur Verwendung im Mast einer Bohranlage und zum Bewegen von Bohrstangen oder Bohrgestängeelementen, Verfahren zum Betrieb einer solchen Handhabungsvorrichtung und Bohranlage mit einer solchen Handhabungsvorrichtung
Die Erfindung betrifft zuvorderst eine Handhabungsvorrichtung, welche zur Verwendung im Mast einer Bohranlage sowie zum Bewegen von Bohrstangen oder Bohrgestängeelementen bestimmt und eingerichtet ist. Die Erfindung betrifft im Weiteren eine Bohranlage mit einer solchen Handhabungsvorrichtung, ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Handhabungsvorrichtung sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Bohranlage mit einer solchen Handhabungsvorrichtung. Schließlich betrifft die Erfindung auch eine Bohranlage mit einer solchen Handhabungsvorrichtung.
Aus der US 7,246,983 B ist eine Handhabungsvorrichtung zur Verwendung im Mast einer Bohranlage bekannt, bei der mittels einer Scherenhubmechanik ein Greifer zwischen Bohrlochmitte und einer Position über einer zum Abstellen von Bohrgestängeelementen bestimmten, sogenannten Fingerbühne verschwenkbar ist. Aufgrund der Schwenkbewegung ergeben sich unterschiedliche Höhen des freien Endes der Scherenhubmechanik, so dass der Greifer zum Ausgleich dieser Höhenunterschiede mittels einer dafür vorgesehenen Einrichtung in vertikaler Richtung verfahrbar ist. Zum Erreichen unterschiedlicher Positionen innerhalb der Fingerbühne ist eine weitere axiale Positionierbarkeit des Greifers, nämlich in horizontaler Richtung, notwendig. Dafür umfasst die Vorrichtung der US 7,246,983 B am freien Ende der Scherenhubmechanik eine entlang des freien Endes der Scherenhubmechanik bewegliche Vorrichtung nach Art einer Laufkatze, welche die die Vertikalbewegung des Greifers ermöglichende Einheit trägt.
Aus der CN 205532274 U ist eine gattungsgemäße Handhabungsvorrichtung zur Verwendung im Mast einer Bohranlage bekannt. Diese ist seitlich am Bohrmast beweglich und weist einen drehbaren und schwenkbeweglichen Arm mit einem Werkzeug am Ende des Arms auf. Mittels der Handhabungsvorrichtung lässt sich ein Bohrgestängeelement im Mast anheben und mit einem anderen Bohrgestängeelement verbinden. Dafür ist eine weitere Maschine vorgesehen, welche jeweils ein einzelnes Bohrgestängeelement in eine vertikale Orientierung aufrichtet. Ein so aufgerichtetes Bohrgestängeelement kann mittels der Handhabungsvorrichtung angehoben werden und mit einem zwischenzeitlich mittels der anderen Maschine aufgerichteten weiteren Bohrgestängeelement verbunden werden.
Aus der DE 10 2012 016 878 A1 ist eine Handhabungsvorrichtung bekannt, mittels derer ebenfalls Bohrgestängeelemente miteinander verbindbar sind. Diese Handhabungsvorrichtung ist zur Bewegung seitlich am Mast vorgesehen und weist zur Aufnahme und zum Drehen von mittels einer Hubeinrichtung zugeführten Bohrgestängeelementen einen in einer horizontalen Ebene verschwenkbaren Schwenkarm sowie ein um eine horizontale Achse drehbares Werkzeug auf.
Eine solche Ausführungsform einer zur Verwendung im Mast einer Bohranlage bestimmten Handhabungsvorrichtung ist vergleichsweise aufwendig und weist zudem ungünstige Beschränkungen hinsichtlich ihres Bewegungsumfangs auf.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht entsprechend darin, eine weitere Ausführungsform einer zur Verwendung im Mast einer Bohranlage vorgesehenen und zum Bewegen von Bohrgestängeelementen bestimmten Handhabungsvorrichtung anzugeben, insbesondere eine solche Handhabungsvorrichtung, welche zumindest einzelne Nachteile der im Stand der Technik bekannten Handhabungsvorrichtung vermeidet. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein einfaches und effizientes Verfahren zum Betrieb einer Handhabungsvorrichtung der hier vorgeschlagenen Art anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels eines Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einer im Folgenden als Handhabungsvorrichtung bezeichneten Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Dazu ist bei einer solchen Handhabungsvorrichtung Folgendes vorgesehen: Die Handhabungsvorrichtung ist im oder am Mast vertikal beweglich und umfasst einen beweglichen Arm sowie am freien Ende des Arms ein Werkzeug zum Erfassen eines Abschnitts eines Bohrgestängeelements, zum Beispiel ein Werkzeug in Form eines sogenannten Elevators oder ein Werkzeug in Form eines Greifers. Der Arm ist an einer im Folgenden als Basis bezeichneten Einheit der Handhabungsvorrichtung angebracht. Aufgrund der Beweglichkeit der Handhabungsvorrichtung einerseits vertikal im oder am Mast und andererseits der Beweglichkeit des Arms der Handhabungsvorrichtung besitzt die Handhabungsvorrichtung zumindest drei Freiheitsgrade. Der erste Freiheitsgrad ist die vertikale Beweglichkeit der gesamten Handhabungsvorrichtung im oder am Mast. Der zweite Freiheitsgrad ist eine Drehbeweglichkeit des Arms der Handhabungsvorrichtung relativ zu deren Basis. Der dritte Freiheitsgrad ist eine Schwenkbeweglichkeit des Arms relativ zur Basis. Die Handhabungsvorrichtung umfasst also die im oder am Mast vertikal bewegliche Basis und den an der Basis um eine Drehachse beweglichen sowie um eine Schwenkachse schwenkbeweglichen Arm. Die Drehachse ist parallel oder zumindest im Wesentlichen parallel zum Mast oder zu einer Bewegungsbahn der Handhabungsvorrichtung im oder am Mast. Die Schwenkachse liegt in einer Ebene, welche senkrecht oder zumindest im Wesentlichen senkrecht zum Mast oder zu einer Bewegungsbahn der Handhabungsvorrichtung im oder am Mast steht.
Mittels einer vergleichsweise einfachen Kinematik ergibt sich damit eine Handhabungsvorrichtung, die sich durch äußerst flexible Bewegungsmöglichkeiten auszeichnet. Wenn man als z-Achse eines kartesischen Koordinatensystems eine Achse annimmt, die von Bohrlochmitte zur Mastkrone zeigt, kann der Arm das Werkzeug in im Wesentlichen jede x- und y-Position bewegen. Mittels der vertikalen Beweglichkeit der Handhabungsvorrichtung kommt noch die Erreichbarkeit verschiedenster z-Positionen hinzu. Mittels der hier vorgeschlagenen einfachen Kinematik der Handhabungsvorrichtung kann also deren Werkzeug beinahe jeden Raumpunkt des kartesischen Koordinatensystems erreichen, wobei sich Beschränkungen in z-Richtung aufgrund des Umfangs der vertikalen Beweglichkeit im oder am Mast und Beschränkungen in x-, y-Richtung im Wesentlichen aufgrund der wirksamen Länge des Arms ergeben.
Mittels der Handhabungsvorrichtung ist - aufgrund der vertikalen Beweglichkeit - einerseits eine Bohrstange oder ein Bohrgestängeelement in einer horizontalen oder im Wesentlichen horizontalen Orientierung auf Höhe des sogenannten Drillfloor der Bohranlage übernehmbar, in eine vertikale Orientierung aufrichtbar und in der vertikalen Orientierung auf Höhe der sogenannten Fingerbühne der Bohranlage anhebbar. Mittels derselben Handhabungsvorrichtung ist andererseits - aufgrund der Beweglichkeit des Werkzeugs in x- und y-Richtung - eine Bohrstange oder ein Bohrgestängeelement in einer vertikalen oder im Wesentlichen vertikalen Orientierung aus einer Position im Bereich der Fingerbühne in eine Position im Bereich des Bohrlochs beweglich, insbesondere in die als Bohrlochmitte bezeichnete Position beweglich, und umgekehrt. Weiter ist mittels derselben Handhabungsvorrichtung eine Bohrstange oder ein Bohrgestängeelement in vertikaler Orientierung in eine Position über dem sogenannten Mauseloch oder vom Mauseloch in eine Position über dem Bohrloch, insbesondere in die Position Bohrlochmitte, oder vom Mauseloch in eine Position im Bereich der Fingerbühne beweglich. Ein und dieselbe Maschine, nämlich die hier und im Folgenden als Handhabungsvorrichtung bezeichnete Maschine, übernimmt damit eine Mehrzahl von Funktionen, für die bisher einzelne Maschinen vorgesehen waren, nämlich soweit die Bewegung von oder zur Fingerbühne und von oder zur Bohrlochmitte betroffen ist, die Funktion eines unter der Fingerbühne angebrachten Pipehandlers, und soweit die Funktion des Aufrichtens einer Bohrstange oder eines Bohrgestängeelements in eine vertikale Orientierung betroffen ist, die Funktion eines Topdrive Elevators. Die Besonderheit der gegenständlichen Handhabungsvorrichtung besteht dabei auch darin, dass die beschriebenen Handhabungsvorgänge zeitlich parallel zum laufenden Bohrbetrieb erfolgen können und dass zum Beispiel der Bohrbetrieb zum Füllen der Fingerbühne mit Bohrgestängeelementen nicht unterbrochen werden muss. Des Weiteren muss der Bohrbetrieb zum Kombinieren mehrerer Bohrstangen zum Erhalt eines in der Fachterminologie als Double (zwei Bohrstangen) oder als Triple oder Stand (drei Bohrstangen) bezeichneten Bohrgestängeelements nicht unterbrochen werden. Die beschriebenen Handhabungsvorgänge erfolgen nicht nur optional zeitlich parallel zum laufenden Bohrbetrieb, sondern auch räumlich parallel zu einem Bewegungsbereich eines im Mast zum Drehen des Bohrstrangs im Bohrloch vorgesehenen Topdrive oder dergleichen, denn der vertikale Bewegungsbereich eines solchen Topdrive oder dergleichen im Mast und der vertikale Bewegungsbereich der gegenständlichen Handhabungsvorrichtung im oder am Mast liegt in parallelen oder zumindest im Wesentlichen parallelen, aber voneinander beabstandeten Ebenen. Der vertikale Bewegungsbereich des Topdrive oder dergleichen liegt über der Bohrlochmitte und entlang einer in der Fachterminologie als Centerline bezeichneten Bohrlochmittelachse. Der vertikale Bewegungsbereich der gegenständlichen Handhabungsvorrichtung verläuft entlang einer zur Bohrlochmittelachse parallelen oder zumindest im Wesentlichen parallelen, aber von der Bohrlochmittelachse beabstandeten gedachten Linie.
Aus der US 2016 312 548 A ist eine Vorrichtung nach Art einer Laufkatze bekannt, die im Mast einer Bohranlage in vertikaler Richtung beweglich ist. An der Vorrichtung ist ein Topdrive angebracht, der mittels der Vorrichtung in ansonsten grundsätzlich an sich bekannter Art und Weise beweglich ist. Die Vorrichtung tritt damit an die Stelle eines sonst zur Vertikalbewegung des Topdrive vorgesehenen Hebewerks.
Aus der WO 2014 179 727 A1 ist eine Handhabungsvorrichtung ("Stand Builder") bekannt, die in vertikaler Richtung entlang einer Führung beweglich ist und ein quer zur Ebene der Führung drehbares Werkzeug aufweist. Auf diese Weise kann mittels der Handhabungsvorrichtung eine auf Ebene des Drillfloor im Wesentlichen horizontale Bohrstange übernommen und mittels einer Aufwärtsbewegung entlang der Führung aufgerichtet werden. Beim Aufrichten ändert sich die Neigung der Bohrstange und ausgehend von der anfänglich horizontalen Position gelangt die Bohrstange mehr und mehr in eine vertikale Position. Durch die Drehbarkeit des Werkzeugs kann dieses der Änderung der Neigung der Bohrstange folgen und die Bohrstange während des Aufrichtens halten. Eine mittels der Handhabungsvorrichtung aufgenommene Bohrstange kann anschließend in dem sogenannten Mauseloch ("Mouse Hole") abgestellt werden. Dann ist die Handhabungsvorrichtung wieder frei, um eine weitere Bohrstange aufzunehmen und aufzurichten. In aufgerichteter Konfiguration kann diese Bohrstange mit der im Mauseloch platzierten Bohrstange verbunden werden. Eine solche Kombination zweier Bohrstangen ist ein Bohrgestängeelement, das in der Fachterminologie als Double bezeichnet wird. Das Bohrgestängeelement (Double) kann mittels der Handhabungsvorrichtung aus dem Mauseloch herausgezogen und insgesamt mit einer zuvor mittels der Handhabungsvorrichtung in einem zweiten Mauseloch abgestellten Bohrstange verbunden werden. Eine solche Kombination von drei Bohrstangen ist ein Bohrgestängeelement, das in der Fachterminologie als Triple oder Stand bezeichnet wird. Die Handhabungsvorrichtung der WO 2014 179 727 A1 fungiert damit als Vorrichtung zum Kombinieren von Bohrstangen zu Doubles oder Stands ("Stand Builder") .
Aus der US 7,967,540 ist ebenfalls eine Handhabungsvorrichtung zum Kombinieren von Bohrstangen bekannt. Diese ist mittels eines Seilzugsystems vertikal im Mast beweglich und umfasst eine schwenkbewegliche Manschette, mittels derer der Gewindeabschnitt einer Bohrstange kontaktiert werden kann. Eine horizontal ankommende Bohrstange wird mittels der Manschette erfasst und durch Hochziehen der Handhabungsvorrichtung im Mast mittels der Handhabungsvorrichtung aufgerichtet. Eine aufgerichtete Bohrstange kann an eine in der Fachterminologie als Travelling Block bezeichnete sogenannte Unterflasche (Kloben) einer zur Vertikalbewegung des Bohrstrangs bestimmten Flaschenzugmechanik übergeben werden. Die Bohrstange wird dort ebenfalls mittels einer Manschette wie an der Handhabungsvorrichtung gehalten. Danach kann mittels der Handhabungsvorrichtung eine weitere Bohrstange aufgerichtet und die zuvor an den Travelling Block übergebene Bohrstange zur Oberkante der mittels der Handhabungsvorrichtung aufgerichteten Bohrstange hochgezogen werden. Jetzt können die ersten beiden Bohrstangen miteinander verbunden werden (Double) und im verbundenen Zustand mittels des Travelling Block weiter im Mast hochgezogen werden. Anschließend werden diese mit einer mittels der Handhabungsvorrichtung aufgerichteten dritten Bohrstange verbunden. Die Handhabungsvorrichtung richtet die einzelnen Bohrstangen auf. Zum Kombinieren der Bohrstangen zum Erhalt von Doubles oder Stands ist das zum Aufziehen und Ablassen des gesamten Bohrstrangs vorgesehene Hebewerk mit dem damit bewegten Travelling Block notwendig. Weil damit beim Zusammenfügen von Doubles oder Stands das Hebewerk nicht für den eigentlichen Bohrbetrieb und das Halten des Bohrstrangs im Bohrloch zur Verfügung steht, kann nicht von einem "Off-line Stand Building" gesprochen werden.
Aus der US 6,997,265 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum "Off-line Stand Building" (Kombinieren von Bohrstangen zu Doubles oder Stands, während parallel der Bohrbetrieb fortgesetzt wird) bekannt. Hier ist zusätzlich zum Bohrmast ein weiterer Mast erforderlich, an dem zwei Handhabungseinrichtungen vertikal beweglich sind. Mittels jeder Handhabungseinrichtung lässt sich eine Bohrstange aufrichten. Durch Drehung des Masts mit der Handhabungseinrichtung kann eine aufgerichtete Bohrstange in eine Position über dem Mauseloch gebracht und durch Absenken der Handhabungseinrichtung dort abgestellt werden. Weitere mittels der Handhabungseinrichtung aufgerichtete Bohrstangen können mit der im Mauseloch befindlichen Bohrstange verbunden werden, so dass sich ein Double und schließlich ein Stand ergibt. Ein Bohrgestängeelement in Form eines Stands wird mittels der Handhabungseinrichtungen aus dem Mauseloch hochgezogen und durch Drehen des Masts an einen im Bohrmast angebrachten Pipehandler übergeben, welcher das Bohrgestängeelement entweder in einer Fingerbühne abstellt oder zur Kombination mit dem Bohrstrang auf Bohrlochmitte bringt.
Bezüglich des Verfahrens zum Betrieb einer Handhabungsvorrichtung wie hier und im Folgenden beschrieben wird die oben formulierte Aufgabe mittels einer Verfahrens mit den Merkmalen des zum Anspruch 1 korrespondierenden unabhängigen Verfahrensanspruchs gelöst. Bei einem solchen Betriebsverfahren ist vorgesehen, dass die Handhabungsvorrichtung zum Bewegen von Bohrstangen oder Bohrgestängeelementen in vertikaler Richtung im oder am Mast verfahren wird und/oder der Arm der Handhabungsvorrichtung um die Drehachse gedreht und/oder um die Schwenkachse verschwenkt wird. Zweckmäßige Weiterbildungen dieses Verfahrens sind Gegenstand der auf diesen rückbezogenen Unteransprüche.
Für die weitere Beschreibung gilt zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen, dass Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem genannten und im Folgenden mit weiteren, mitunter optionalen Details erläuterten Verfahren zum Betrieb einer Handhabungsvorrichtung sowie eventueller Ausgestaltungen beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit und im Hinblick auf die zur Durchführung des Verfahrens eingerichtete Handhabungsvorrichtung und umgekehrt gelten, so dass das Verfahren auch mittels einzelner oder mehrerer Verfahrensmerkmale fortgebildet sein kann, die sich auf von oder mittels der Handhabungsvorrichtung ausgeführte Verfahrensschritte beziehen, und die Handhabungsvorrichtung entsprechend auch durch Mittel zur Ausführung von im Rahmen des Verfahrens ausgeführten Verfahrensschritten fortgebildet sein kann. Entsprechend gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem genannten Verfahren zum Betrieb der Handhabungsvorrichtung und eventueller Ausgestaltungen beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit und im Hinblick auf die zur Durchführung des Verfahrens bestimmte Handhabungsvorrichtung und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Aspekten der Erfindung stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Der Vorteil der Erfindung besteht zuvorderst in der einfachen und dennoch leistungsfähigen Kinematik der Handhabungsvorrichtung. Die Handhabungsvorrichtung ist in drei Freiheitsgraden beweglich, nämlich translatorisch entlang des Mast sowie rotatorisch einerseits um die Drehachse und andererseits um die Schwenkachse. Damit wird für ein am Ende des Arms der Handhabungsvorrichtung angebrachtes Werkzeug jeder Punkt in einem gedachten Zylinder erreichbar, dessen Hochachse parallel zur Hochachse des Masts der Bohranlage verläuft und dessen Radius durch die wirksame Länge des Arms der Handhabungsvorrichtung bestimmt ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei verwendete Rückbeziehungen innerhalb der Ansprüche weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des in Bezug genommenen Anspruchs durch die Merkmale des jeweiligen abhängigen Anspruchs hin. Sie sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmale oder Merkmalskombinationen eines abhängigen Anspruchs zu verstehen. Des Weiteren ist im Hinblick auf eine Auslegung der Ansprüche sowie der Beschreibung bei einer näheren Konkretisierung eines Merkmals in einem abhängigen Anspruch davon auszugehen, dass eine derartige Beschränkung in den jeweils vorangehenden Ansprüchen sowie einer allgemeineren Ausführungsform des gegenständlichen Verfahrens / der gegenständlichen Handhabungsvorrichtung nicht vorhanden ist. Jede Bezugnahme in der Beschreibung auf Aspekte abhängiger Ansprüche ist demnach auch ohne speziellen Hinweis ausdrücklich als Beschreibung optionaler Merkmale zu lesen. Schließlich ist darauf hinzuweisen, dass das hier angegebene Verfahren auch entsprechend der abhängigen Vorrichtungsansprüche weitergebildet sein kann und umgekehrt.
Darüber hinaus ist darauf hinzuweisen, dass es sich bei den mit der Anmeldung eingereichten Patentansprüchen um Formulierungsvorschläge ohne Präjudiz für die Erzielung weitergehenden Patentschutzes handelt. Da speziell die Merkmale der abhängigen Ansprüche im Hinblick auf den Stand der Technik am Prioritätstag eigene und unabhängige Erfindungen bilden können, behält die Anmelderin sich vor, diese oder noch weitere, bisher nur in der Beschreibung und/oder Zeichnung offenbarte Merkmalskombinationen zum Gegenstand unabhängiger Ansprüche oder Teilungserklärungen zu machen. Sie können weiterhin auch selbständige Erfindungen enthalten, die eine von den Gegenständen der jeweils in Bezug genommenen Ansprüche unabhängige Gestaltung aufweisen.
Bei einer Ausführungsform der Handhabungsvorrichtung ist deren Basis im oder am Mast zwischen einer Position, bei der das Werkzeug eine im Bereich eines Drillfloor der Bohranlage in horizontaler oder im Wesentlichen horizontaler Orientierung zugeführte Bohrstange oder zu einem Bohrgestängeelement kombinierte Bohrstangen erfassen kann, und einer Position, bei der kombinierte Bohrstangen mittels des Werkzeugs in einer Fingerbühne der Bohranlage abstellbar sind, beweglich. Die hier vorgeschlagene Handhabungsvorrichtung unterscheidet sich demnach von einer in der Fachterminologie mitunter als Iron Derrikman bezeichneten und unter der Fingerbühne angebrachten Maschine durch die Bewegungsmöglichkeit in vertikaler Richtung. Erst durch die besondere Bewegungsmöglichkeit in vertikaler Richtung, insbesondere die Bewegungsmöglichkeit bis hinab zum Drillfloor, wird mit ein und derselben Maschine, nämlich der hier vorgeschlagenen Handhabungsvorrichtung, das Aufnehmen von zum Drillfloor zugeführten Bohrstangen und das Abstellen von aus mehreren Bohrstangen gebildeten Bohrgestängeelementen in der Fingerbühne möglich.
Bei einer besonderen Ausführungsform der Handhabungsvorrichtung ist diese in vertikaler Richtung entlang des Masts auf einer von einer Bohrlochmittelachse beabstandeten und zur Bohrlochmittelachse parallelen oder zumindest im Wesentlichen parallelen Handhabungsvorrichtungsmittelachse beweglich. Die Beweglichkeit entlang der von der Bohrlochmittelachse beabstandeten Handhabungsvorrichtungsmittelachse erlaubt einen vom sonstigen Bohrbetrieb zeitlich und räumlich unabhängigen Betrieb der Handhabungsvorrichtung. Durch diese zeitliche und räumliche Unabhängigkeit können zum Beispiel mittels der Handhabungsvorrichtung (zeitlich und räumlich) parallel zum laufenden Bohrbetrieb Bohrstangen zu zwei oder mehr Bohrstangen umfassenden Bohrgestängeelementen zur Verwendung beim Bohrbetrieb kombiniert und für die Verwendung beim Bohrbetrieb vorgehalten werden.
Die oben genannte Aufgabe wird auch mittels einer Steuerungseinrichtung zur Steuerung einer Handhabungsvorrichtung wie hier und im Folgenden beschrieben gelöst, wobei die Steuerungseinrichtung nach dem hier und im Folgenden beschriebenen Verfahren arbeitet und dazu Mittel zur Durchführung des Verfahrens umfasst. Das im Folgenden beschriebene Verfahren ist zur automatischen oder teilautomatischen Ausführung oder auch zur Ausführung in einem sogenannten Handbetrieb bevorzugt in Form eines Computerprogramms realisiert. Die Erfindung ist damit einerseits auch ein Computerprogramm mit durch einen Computer ausführbaren Programmcodeanweisungen und andererseits ein Speichermedium mit einem derartigen Computerprogramm, also ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, sowie schließlich auch eine Steuerungseinrichtung, in deren Speicher als Mittel zur Durchführung des Verfahrens und seiner Ausgestaltungen ein solches Computerprogramm geladen oder ladbar ist.
Wenn im Folgenden Verfahrensschritte oder Verfahrensschrittfolgen beschrieben werden, bezieht sich dies auf Aktionen, die aufgrund des Computerprogramms oder unter Kontrolle des Computerprogramms erfolgen, sofern nicht ausdrücklich darauf hingewiesen ist, dass einzelne Aktionen durch einen Verwender der Handhabungsvorrichtung veranlasst werden. Zumindest bedeutet jede Verwendung des Begriffs "automatisch", dass die betreffende Aktion aufgrund des Computerprogramms oder unter Kontrolle des Computerprogramms erfolgt.
Anstelle eines Computerprogramms mit einzelnen Programmcodeanweisungen kann die Implementierung des hier und im Folgenden beschriebenen Verfahrens auch in Form von Firmware erfolgen. Dem Fachmann ist klar, dass anstelle einer Implementation eines Verfahrens in Software stets auch eine Implementation in Firmware oder in Firm- und Software oder in Firm- und Hardware möglich ist. Daher soll für die hier vorgelegte Beschreibung gelten, dass von dem Begriff Software oder den Begriffen Steuerungsprogramm und Computerprogramm auch andere Implementationsmöglichkeiten, nämlich insbesondere eine Implementation in Firmware oder in Firm- und Software oder in Firm- und Hardware, umfasst sind.
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 Ausführungsbeispiel ist nicht als Einschränkung der Erfindung zu verstehen. Vielmehr sind im Rahmen der vorliegenden Offenbarung durchaus auch Ergänzungen und Modifikationen möglich, insbesondere solche, 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.
Es zeigen

Fig. 1: eine zur Verwendung im Mast einer Bohranlage vorgesehene und zum Bewegen von Bohrgestängeelementen bestimmte Handhabungsvorrichtung,
Fig. 2: den Mast einer Bohranlage mit einer daran beweglichen Handhabungsvorrichtung gemäß Fig. 1,
Fig. 3: einen Schnitt durch den Mast quer zu dessen Hochachse mit einem Blick auf die am Mast in vertikaler Richtung (entlang der Hochachse des Masts) bewegliche Handhabungsvorrichtung gemäß Fig. 1,
Fig. 4: die Handhabungsvorrichtung gemäß Fig. 1 ohne den Mast,
Fig. 5: die Handhabungsvorrichtung gemäß Fig. 4 in einer Seitenansicht und mit unterschiedlichen Schwenkpositionen eines Arms der Handhabungsvorrichtung,
Fig. 6: unterschiedliche Vertikalpositionen der Handhabungsvorrichtung gemäß Fig. 1 und Fig. 4 am Mast,
Fig. 7: und
Fig. 8: Momentaufnahmen beim Aufnehmen einer Bohrstange mittels der Handhabungsvorrichtung,
Fig. 9: eine Momentaufnahme beim Verbinden einer Bohrstange mit einer weiteren Bohrstange zum Erhalt eines Bohrgestängeelements zeitlich und räumlich parallel zum und unabhängig vom Bohrbetrieb,
Fig. 10: die Handhabungsvorrichtung gemäß Fig. 1 und Fig. 4 oberhalb einer am Mast angebrachten Fingerbühne.
Fig. 11, Fig. 12 und Fig. 13: Momentaufnahmen beim Entnehmen eines Bohrgestängeelements aus einer Fingerbühne am Mast sowie
FIg. 14: eine Steuerungseinrichtung zum automatischen oder teilautomatischen Betrieb der Handhabungsvorrichtung.

Die Darstellung in Figur 1 zeigt eine Ausführungsform einer zur Verwendung in einem Mast 10 einer Bohranlage vorgesehenen und zum Bewegen von Bohrstangen 12 (Figuren 6, 7 und 8) oder Bohrgestängeelementen 14 (Fig. 9) bestimmten Handhabungsvorrichtung 20 der hier vorgeschlagenen Art.
Die Handhabungsvorrichtung 20 ist insgesamt im oder am Mast 10 vertikal beweglich, nämlich an den sogenannten vorderen Eckstielen 22, 24 des Masts 10 (Masteckstiele 22, 24). Dafür ist die Handhabungsvorrichtung 20 an den Masteckstielen 22, 24 geführt, zum Beispiel, indem an den Masteckstielen 22, 24 jeweils ein Führungsprofil 26, 28 (Fig. 3) angebracht ist. Die Führungsprofile 26, 28 sind mittels korrespondierender Führungsgegenprofile 30, 32 der Handhabungsvorrichtung 20 formschlüssig kontaktierbar.
Alternativ zu einer solchen Führung im oder am Mast 10 kommt zum Beispiel auch ein mit dem Mast 10 verbundener Adapterrahmen (nicht gezeigt) in Betracht. Ein solcher Adapterrahmen ist - zum Beispiel im Rahmen einer Nachrüstung - am Mast 10 montierbar und ist zum Betrieb der Handhabungsvorrichtung 20 am Mast 10 montiert, zum Beispiel indem der Adapterrahmen mit dem Mast 10 verschweißt und/oder verschraubt wird bzw. ist. Der Adapterrahmen wird zum Beispiel mittelbar oder unmittelbar am Mast 10, insbesondere an den vorderen Masteckstielen 22, 24, montiert, zum Beispiel mittels einer Mehrzahl von Distanzstücken zwischen Mast 10 und Adapterrahmen. Der Adapterrahmen bildet dann eine zu einer Seite einer Hüllfläche des Masts 10 parallele Ebene. Ein solcher Adapterrahmen ist auf die Breite der Handhabungsvorrichtung 20 abgestellt, so dass die Handhabungsvorrichtung 20 entlang des Adapterrahmens parallel zum Mast 10 in vertikaler Richtung am Mast 10 beweglich ist. Ein solcher Adapterrahmen ist im weitesten Sinne ein rechteckiges Strukturelement, dessen Breite durch die Breite der Handhabungsvorrichtung 20 bestimmt ist und das mit seiner größten Längsachse parallel oder zumindest im Wesentlichen parallel zur Hochachse des Masts 10 ausgerichtet ist. Für die Vertikalbewegung der Handhabungsvorrichtung 20 umfasst der Adapterrahmen entlang der im montierten Zustand vertikalen Abschnitte ein Führungsprofil 26, 28 der oben beschriebenen Art oder zumindest eine Zahnstange oder dergleichen oder zumindest ein vertikaler Abschnitt des Adapterrahmens fungiert als ein derartiges Führungsprofil 26, 28.
Die Darstellung in Figur 2 zeigt den oberen Abschnitt eines Masts 10 einer Bohranlage mit weiteren Details. Im Mast 10 ist in grundsätzlich an sich bekannter Art und Weise mittels eines nicht gezeigten Hebewerks ein sogenannter Travelling Block 34 beweglich. An diesem hängt ein sogenannter Topdrive 36, mit dem in an sich bekannter Art und Weise das Bohrgestänge im Bohrloch gedreht wird. Im unteren Bereich des gezeigten Abschnitts des Masts 10 ist eine sogenannte Fingerbühne 38 gezeigt. Hier werden in grundsätzlich an sich bekannter Art und Weise Bohrgestängeelemente 14 abgestellt, zum Beispiel beim Ausbauen des Bohrstrangs oder zum Kombinieren mit dem Bohrstrang beim Abteufen der Bohrung. Oberhalb der Fingerbühne 38 ist die Handhabungsvorrichtung 20 erkennbar. Bei der gezeigten Ausführungsform ist die Handhabungsvorrichtung 20 mittels einer zum Beispiel in der Mastkrone angebrachten Winde 40 am Mast 10 vertikal beweglich. Die Winde 40 treibt eine Seilzugmechanik an, an welcher die Handhabungsvorrichtung 20 mittels einer Umlenkrolle 42 hängt. Die Darstellung in Figur 2 zeigt lediglich eine Momentaufnahme und die dargestellte Vertikalposition ist ausschließlich beispielhaft zu verstehen. Die Handhabungsvorrichtung 20 kann entlang des Masts 10 verschiedene Vertikalpositionen einnehmen. Anstelle einer vertikalen Beweglichkeit der Handhabungsvorrichtung 20 mittels der Winde 40 kommt alternativ genauso eine Ausführungsform in Betracht, bei der die Handhabungsvorrichtung 20 selbst einen Antrieb für die Vertikalbewegung im oder am Mast 10 umfasst. Hierfür kommt zum Beispiel in Betracht, dass im oder am Mast 10, insbesondere an einem der vorderen Masteckstiele 22, 24 oder an den vorderen Masteckstielen 22, 24, eine Zahnstange oder dergleichen angebracht ist, in welche ein mittels eines Motors auf oder an der Handhabungsvorrichtung 20, insbesondere eines Hydraulikmotors oder Elektromotors, angetriebenes Ritzel eingreift, um die Handhabungsvorrichtung 20 im oder am Mast 10 nach oben oder nach unten zu bewegen. Bei einem Antrieb der Vertikalbewegung der Handhabungsvorrichtung 20 mittels einer Winde 40 kann diese auch am Mastfuß, entfernt zum Mast 10 (zum Beispiel am Ort eines sogenannten Hebewerks) oder auf der Handhabungsvorrichtung 20 selbst angebracht sein.
Die Darstellung in Figur 3 zeigt in schematisch vereinfachter Art und Weise einen Schnitt durch den Mast 10 quer zu dessen Hochachse. In der Darstellung ist die spezielle Ausführungsform gezeigt, bei der die Handhabungsvorrichtung 20 an den vorderen Masteckstielen 22, 24 geführt ist, indem an jedem vorderen Masteckstiel 22, 24 ein Führungsprofil 26, 28 angebracht ist, in das die Handhabungsvorrichtung 20 mittels korrespondierender Führungsgegenprofile 30, 32 eingreift. Anstelle der gezeigten Ausführungsform, bei der die Handhabungsvorrichtung 20 mittels ihrer Führungsgegenprofile 30, 32 jedes Führungsprofil 26, 28 U-förmig umschließt, kommt selbstverständlich auch eine Ausführungsform in Betracht, bei der das Führungsprofil 26, 28 im Querschnitt U-förmig ist und die Handhabungsvorrichtung 20 als Führungsgegenprofil 30, 32 Gleitschuhe oder dergleichen aufweist, die in ein solches Führungsprofil 26, 28 eingreifen. Generell kommt es bezüglich der Führung der Handhabungsvorrichtung 20 im oder am Mast 10 nur darauf an, dass sich im oder am Mast 10 entlang des für die Handhabungsvorrichtung 20 vorgesehenen Bewegungsbereichs zumindest ein als Führungsprofil 26, 28 fungierendes erstes Profil und an der Handhabungsvorrichtung 20 ein als Führungsgegenprofil 30, 32 fungierendes korrespondierendes zweites Profil oder jeweils ein korrespondierendes zweites Profil befindet und dass das oder jedes erste Profil mit dem oder jeweils einem zweiten Profil im Eingriff ist.
Die Darstellung in Figur 3 zeigt im Zentrum des Masts 10 die Position der Bohrlochöffnung 50. Die Position der Bohrlochöffnung 50 definiert die Bohrlochmittelachse (siehe auch Figur 6: A1), nämlich eine gedachte vertikale Linie auf Bohrlochmitte. Für die weitere Beschreibung werden die Achsen eines gedachten kartesischen Koordinatensystems wie folgt definiert: Die z-Achse verläuft parallel zur Bohrlochmittelachse und zeigt vom Mastfuß zur Mastkrone. Die zugehörigen Richtungen der x-Achse und der y-Achse sind in Figur 3 gezeigt. Das gesamte Koordinatensystem ist in Figur 1 und Figur 2 gezeigt. Die vertikale Beweglichkeit der Handhabungsvorrichtung 20 bedeutet entsprechend eine Beweglichkeit entlang der z-Achse und parallel zur Bohrlochmittelachse. Die Vertikalbewegung der Handhabungseinrichtung 20 findet dabei in einem konstantem Abstand d1 von der Bohrlochmittelachse statt und die Vertikalbewegung der Handhabungseinrichtung 20 definiert entsprechend eine zusätzliche Linie parallel zur und mit Abstand von der Bohrlochmittelachse.
Die Darstellung in Figur 4 zeigt eine isometrische Ansicht der Handhabungsvorrichtung 20 ohne den Mast 10. Seitlich sind die beiden Führungsgegenprofile 30, 32 und oben ist die Umlenkrolle 42 erkennbar, mit welcher die Handhabungsvorrichtung 20 beim gezeigten Ausführungsbeispiel in der zur Mastkrone geführten Seilzugmechanik hängt. Die Handhabungsvorrichtung 20 kann als Kombination eines Ober- oder Basisteils 52 und eines Unterteils 54 angesehen werden. Das Basisteil 52 trägt das Unterteil 54. Bei dem Unterteil 54 handelt es sich um einen gelenkig beweglichen Arm und das Unterteil 54 wird im Folgenden entsprechend als Gelenkarm 54 oder kurz als Arm 54 bezeichnet. Das Basisteil 52 kann darüber hinaus als Plattform oder Träger für weitere Vorrichtungen oder Aggregate dienen. Gezeigt ist bei der in den Figuren dargestellten Ausführungsform eine am Basisteil 52 angebrachte Winch 56, mittels derer sich zum Beispiel außerhalb des Masts 10 Lasten bewegen und anheben lassen. Des Weiteren ist in Figur 4 ein am Basisteil 52 angebrachtes Hydraulikaggregat 58 gezeigt, mittels dessen die Kraft für die im Folgenden beschriebene gelenkige Beweglichkeit des Arms 54 erzeugt wird.
Die Darstellung in Figur 5 zeigt die Handhabungsvorrichtung 20 gemäß Figur 4 in einer Seitenansicht und mit unterschiedlichen Schwenkpositionen des Arms 54. Der Arm 54 umfasst ein drehbares Schultersegment 60, ein am Schultersegment 60 schwenkbewegliches Armsegment 62 sowie am freien Ende des Armsegments 62 ein Werkzeug 64. Das Armsegment 62 umfasst bei der gezeigten Ausführungsform zwei parallel angeordnete Bügel in Form von oder nach Art sogenannter Elevatorbügel, wie sie von einem Topdrive 36 bekannt sind. Am freien Ende der Bügel ist das Werkzeug 64 schwenkbeweglich angebracht, insbesondere in einer Art und Weise, bei der sich das Werkzeug 64 unter Gravitationseinfluss selbsttätig in eine horizontale oder im Wesentlichen horizontale Orientierung ausrichtet. Zum Toleranzausgleich beim Aufnehmen eines Bohrstangenendes weist das Armsegment 62 unterhalb des Angriffspunkts des Aktors 66 in jedem Bügel eine quer zur Schwenkachse R2 wirksame gelenkige Verbindung auf. Das Werkzeug 64 wird beim Aufnehmen des Bohrstangenendes manuell durch einen Bediener oder automatisch oder ferngesteuert durch einen Bediener geschlossen und zum Freigeben des Bohrstangenendes manuell, automatisch oder ferngesteuert geöffnet.
Zum Verschwenken des Armsegments 62 ist in grundsätzlich an sich bekannter Art und Weise ein Aktor 66 vorgesehen, der - jeweils mit Abstand von der Schwenkachse R2 (Fig. 4) - einerseits am Schultersegment 60 und andererseits am Armsegment 62 angelenkt ist. Als Aktor 66 kommt zum Beispiel ein Hydraulikzylinder in Betracht. In der Darstellung in Figur 5 sind unterschiedliche Schwenkpositionen des Armsegments 62 gezeigt und mit Bezug auf das bereits erwähnte Koordinatensystem (siehe Figuren 1, 2 und 3) ergibt sich, dass die Schwenkbeweglichkeit des Armsegments 62 eine Positionierung des Werkzeugs 64 quer zur z-Achse ermöglicht. Bei der gezeigten Orientierung der Schwenkachse R2 des Armsegments 62 (quer zur Blattebene) ist mittels Verschwenken des Armsegments 62 eine Positionierung des Werkzeugs 64 entlang der y-Achse möglich. Allerdings ist die Orientierung der Schwenkachse des Armsegments 62 aufgrund der Drehbarkeit des Schultersegments 60 um eine Drehachse R1 (Fig. 4) verstellbar, so dass bei einer Drehung des Schultersegments 60 um +90° oder -90° im Vergleich zu der in Figur 5 gezeigten Situation (bei einem Schwenkbereich von zum Beispiel ca. +120° bis ca. -120°) eine Positionierung des Werkzeugs 64 entlang der x-Achse möglich ist. Die Drehbarkeit des Schultersegments 60 ist zum Beispiel mittels einer mittels eines Zahnkranzes motorisch, insbesondere mittels eines Hydraulikmotors oder eines Elektromotors, antreibbaren Drehverbindung realisiert.
Die Drehachse R1 verläuft parallel oder zumindest im Wesentlichen parallel zum Mast 10 (zu einer Hochachse durch den Mast 10) oder zu einer Bewegungsbahn (siehe Figur 6: Handhabungsvorrichtungsmittelachse A2) der Handhabungsvorrichtung 20 im oder am Mast 10. Die Schwenkachse R2 liegt in einer Ebene senkrecht oder zumindest im Wesentlichen senkrecht zum Mast 10 (zu einer Hochachse durch den Mast 10) oder zu der Bewegungsbahn der Handhabungsvorrichtung 20 im oder am Mast 10.
Abhängig von der jeweiligen Drehung des Schultersegments 60 und einer Schwenkpositionen des Armsegments 62 sind damit - begrenzt durch die Länge des Armsegments 62 und die maximale Auslenkung des Armsegments 62 - mit dem Werkzeugs 64 beliebige x- und y-Positionen erreichbar. Mit der Beweglichkeit der Handhabungsvorrichtung 20 auch entlang der z-Achse kann damit mit dem Werkzeug 64 in einem gedachten Zylinder jeder Raumpunkt innerhalb des Zylinders und auf dessen Mantelfläche erreicht werden. Der erwähnte gedachte Zylinder hat eine Hochachse parallel oder im Wesentlichen parallel zur Hochachse des Masts 10, einen Radius, der durch die Länge des Armsegments 62 und die maximale Auslenkung des Armsegments 62 bestimmt ist, und eine Höhe, die durch den Bewegungsbereich der Handhabungsvorrichtung 20 im oder am Mast 10 bestimmt ist. Die Beweglichkeit der Handhabungsvorrichtung 20 ist im unteren Bereich der Darstellung in Figur 5 mittels der dortigen drei Doppelpfeile nochmals separat illustriert. Die Handhabungsvorrichtung 20 ist demnach eine Maschine mit einem translatorischen Freiheitsgrad (Bewegung vertikal im oder am Mast) und zwei rotatorischen Freiheitsgraden (Drehbarkeit des Schultersegments 60 um die Drehachse R1; Schwenkbeweglichkeit des Armsegments 62 um die Schwenkachse R2). Die Drehachse R1 und die Schwenkachse R2 sind in der Darstellung in Figur 4 eingezeichnet. Die Schwenkachse R2 ist hier vor allem zur Unterscheidung von der Drehachse R1 als Schwenkachse bezeichnet. Tatsächlich kann auch die Schwenkachse R2 als Drehachse aufgefasst werden, nämlich als Drehachse mit einem beschränkten Drehbereich.
Als Werkzeug 64 fungiert zum Beispiel ein grundsätzlich an sich bekannter Elevator, jedenfalls eine Vorrichtung, mittels derer ein Ende einer Bohrstange 12 erfasst und bewegt werden kann, also zum Beispiel eine Vorrichtung in Form von oder nach Art einer Zange oder eines Greifers. Das Werkzeug 64 greift dabei bevorzugt in einem Bereich an der Bohrstange 12 an, in dem sich deren Durchmesser von einem Stangendurchmesser hin zu einem größeren Durchmesser einer sogenannten Box (das ein Innengewinde aufweisendes Ende der Bohrstange wird als Box bezeichnet) ändert. Mit der aufgrund des größeren Boxdurchmessers resultierenden Schulter in der Außenoberfläche der Bohrstange 12 kann diese an dem Werkzeug 64 hängen und ist in axialer Richtung fixiert.
In der Darstellung in Figur 3 ist im Bereich der Handhabungsvorrichtung 20 auch das Werkzeug 64 unter der Handhabungsvorrichtung 20 gezeigt. Bei einer vertikalen Bewegung der Handhabungsvorrichtung 20 im Mast 10 hängt der Arm 54 - insbesondere aufgrund eines deaktivierten Aktors 66 und ausschließlich unter Gravitationseinfluss oder aufgrund einer entsprechenden Ansteuerung des Aktors 66 - lotrecht unter der Handhabungsvorrichtung 20. Wenn mittels der Handhabungsvorrichtung 20 eine Bohrstange 12 oder ein Bohrgestängeelement 14 im oder am Mast 10 angehoben oder abgesenkt wird, hängt diese (zumindest nach dem Aufrichten mittels der Handhabungsvorrichtung 20) bzw. dieses ebenfalls lotrecht unter der Handhabungsvorrichtung 20. Insofern kann die in Figur 3 gezeigte Position des Werkzeugs 64 auch als Position einer unter der Handhabungsvorrichtung 20 hängenden Bohrstange 12 oder eines unter der Handhabungsvorrichtung 20 hängenden Bohrgestängeelements 14 angesehen werden. Eine Hochachse (parallel zur Bohrlochmittelachse) durch diese Position wird im Folgenden als Handhabungsvorrichtungsmittelachse (siehe auch Figur 6: A2) bezeichnet und der Abstand von der Handhabungsvorrichtungsmittelachse zur Bohrlochmittelachse ist in der Darstellung in Figur 3 mit d2 bezeichnet.
Bisher stand die Beweglichkeit der Handhabungsvorrichtung 20 im Vordergrund. Im Folgenden wendet sich die Beschreibung der Verwendung der Handhabungsvorrichtung 20 beim Betrieb der Bohranlage zu. Die Handhabungsvorrichtung 20 ist für verschiedene Funktionen beim Bohrbetrieb verwendbar. Dazu gehört das Aufrichten von Bohrstangen 12 oder Bohrgestängeelementen 14 aus einer horizontalen oder im Wesentlichen horizontalen Position in eine für den Bohrbetrieb oder zum Abstellen in der Fingerbühne 38 notwendige vertikale Position. Des Weiteren gehört dazu das Zuführen von Bohrgestängeelementen 14 auf Bohrlochmitte beim Abteufen der Bohrung oder das Aufnehmen von Bohrgestängeelementen 14 auf Bohrlochmitte und das Zwischenlagern aufgenommener Bohrgestängeelemente 14 zum Beispiel in der Fingerbühne 38. Schließlich gehört zur Funktion der Handhabungsvorrichtung 20 auch das Kombinieren von Bohrstangen 12 zum Erhalt sogenannter Doubles oder Stands ("Stand Building").
In der Darstellung in Figur 6 ist insoweit zunächst der sich in an sich bekannter Art und Weise auf einem Unterbau erhebende Mast 10 in einer Seitenansicht und mit unterschiedlichen Positionen der bei der gezeigten Ausführungsform am Mast 10 beweglichen und bei einer anderen Ausführungsform gegebenenfalls auch im Mast 10 beweglichen Handhabungsvorrichtung 20 gezeigt. Entlang des Masts 10 ist die Handhabungsvorrichtung 20 zur Veranschaulichung von deren vertikaler Beweglichkeit von unten nach oben - also vom Mastfuß in Richtung auf die Mastkrone gesehen - in unterschiedlichen Positionen gezeigt, nämlich in einer unteren Position (U), einer mittleren Position (M) in einer Position auf Höhe der Fingerbühne 38 (F) und einer oberen Position (O). Unterhalb des Unterbaus und oberhalb der Mastkrone sind mit parallelen und aufeinander weisenden Pfeilen die Bohrlochmittelachse A1 und die Handhabungsvorrichtungsmittelachse A2 eingezeichnet.
In der unteren Position U befindet sich das Werkzeug 64 auf der sogenannten Drillfloorebene (Drillfloor 70) oder im Wesentlichen auf der Drillfloorebene. Hier wird eine Bohrstange 12 zugeführt und von der Handhabungseinrichtung 20 mittels des Werkzeugs 64 aufgenommen. Kurz wird bezüglich dieser Position auch davon gesprochen, dass sich die Handhabungsvorrichtung 20 auf Drillfloorebene befindet, auch wenn dies eher auf das Werkzeug 64 der Handhabungsvorrichtung 20 zutrifft. Die Handhabungsvorrichtung 20 ist entlang des Masts 10 zwischen der unteren Position U und der oberen Position O sowie zwischen jeder Position oberhalb der unteren Position U und unterhalb der oberen Position O beweglich und passiert dabei ggf. auch die Fingerbühne 38. Die Fingerbühne 38 ist dafür mit einem ausreichenden Abstand vom Mast 10 am Mast 10 angebracht und bei einer speziellen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Fingerbühne 38 eine Ausnehmung 74 (Fig. 11) aufweist, welche es ermöglicht, dass die Handhabungsvorrichtung 20 bei ihrer Vertikalbewegung entlang des Masts 10 die Fingerbühne 38 passieren kann.
In der Darstellung in Figur 6 ist zu der Handhabungsvorrichtung 20 in der unteren Position U eine seitlich zugeführte und mittels des Werkzeugs 64 aufgenommene Bohrstange 12 (Längsachse der Bohrstange 12 quer zur Blattebene) gezeigt. Zu der Handhabungsvorrichtung 20 in der mittleren Position M ist in Figur 6 eine unter der Handhabungsvorrichtung 20 (am Werkzeug 64) hängende Bohrstange 12 gezeigt. Zu der Handhabungsvorrichtung 20 in der Fingerbühnenposition F ist ein in Richtung auf die Fingerbühne 38 ausgeschwenkter (vom Mast 10 weg) Arm 54 gezeigt, um zu veranschaulichen, dass mittels der Handhabungsvorrichtung 20 Bohrgestängeelemente 14 in der Fingerbühne 38 abgestellt werden können oder aus der Fingerbühne 38 entnommen werden können. Darüber hinaus kann in grundsätzlich jeder Vertikalposition der Handhabungsvorrichtung 20 (abhängig von der Vertikalposition des Topdrive 36 oder einer vergleichbaren Vorrichtung) das Werkzeug 64 in Richtung auf die Bohrlochmittelachse A1 oder zur Bohrlochmittelachse A1 verschwenkt werden.
Der Bewegungsbereich der Handhabungsvorrichtung 20 in vertikaler Richtung entlang des Masts 10 umfasst zumindest die untere Position U und eine Position im Bereich der Fingerbühne 38, also zum Beispiel die in Figur 6 gezeigte Fingerbühnenposition F. Zumindest in diesem Bereich ist im oder am Mast 10 zumindest ein Führungsprofil 26, 28 oder - wie exemplarisch gezeigt - zwei Führungsprofile 26, 28 jeweils an den vorderen Masteckstielen 22, 24 angebracht.
In den Darstellungen in Figur 7 und Figur 8 ist das Aufnehmen einer von außerhalb zum Drillfloor 70 zugeführten Bohrstange 12 mittels der Handhabungsvorrichtung 20 gezeigt. Die Bohrstange 12 wird optional seitlich zugeführt, weil sich vor und/oder hinter der Bohranlage weitere Bohrlöcher befinden können (seitlich zur Bohranlage meint dabei eine Richtung quer zu einer Ebene durch die Bohrlochmittelachse A1 und die Handhabungsvorrichtungsmittelachse A2; vor oder hinter der Bohranlage meint entsprechend eine Richtung parallel zu der Ebene durch die Bohrlochmittelachse A1 und die Handhabungsvorrichtungsmittelachse A2). Andere Zuführrichtungen sind ebenso denkbar. Das Zuführen der Bohrstange 12 erfolgt zum Beispiel mittels einer dafür vorgesehenen Maschine, insbesondere einer sogenannten PULD-Maschine (Pull-Up-and-Lay-Down Maschine). Auf die Art der Zuführung kommt es aber nicht an und andere Zuführungsarten sind ebenfalls denkbar und sollen als von der hier vorgelegten Beschreibung umfasst gelten. Wesentlich ist, dass die Bohrstange 12 in einer horizontalen oder im Wesentlichen horizontalen Orientierung zum Drillfloor 70 gelangt und dort in dieser Orientierung durch die Handhabungsvorrichtung 20 aufgenommen wird. Die Darstellung in Figur 8 zeigt das Aufnehmen der Bohrstange 12 in Form eines vergrößerten Ausschnitts aus der Darstellung in Figur 7. Zum Aufnehmen der Bohrstange 12 wird die Handhabungsvorrichtung 20 an den Führungsprofilen 26, 28 in die untere Position U (vgl. Fig. 6) verfahren. Spätestens in der unteren Position U wird das Schultersegment 60 um die Drehachse R1 in Richtung auf die aufzunehmende Bohrstange 12 gedreht (das Drehen des Schultersegments 60 kann grundsätzlich bereits vor Erreichen der unteren Position U beginnen). Spätestens in der unteren Position U wird zum Aufnehmen der Bohrstange 12 das Armsegment 62 um die Schwenkachse R2 in Richtung auf die aufzunehmende Bohrstange 12 verschwenkt (auch das Verschwenken des Armsegments 62 kann grundsätzlich bereits vor Erreichen der unteren Position U beginnen). Sobald das Werkzeug 64 durch eine geeignete Positionierung des Arms 54 (Drehen um R1, Schwenken um R2) das Ende der Bohrstange 12 und die dortige sogenannte Box erfassen kann, wird das Werkzeug 64 (automatisch und/oder manuell) geschlossen und die Bohrstange 12 ist so an der Handhabungsvorrichtung 20 fixiert. Anschließend wird die Handhabungsvorrichtung 20 entlang des Masts 10 in Richtung auf die Mastkrone verfahren. Dabei wird die Bohrstange 12 aufgerichtet (die Bohrstange 12 gelangt in eine vertikale Orientierung), bis die Bohrstange 12 schließlich am Werkzeug 64 und lotrecht unter der Handhabungsvorrichtung 20 hängt. Beim Aufwärtsfahren der Handhabungsvorrichtung 20 kann der Aktor 66 deaktiviert sein (ein zum Beispiel als Aktor 66 fungierender Hydraulikzylinder wird "gefloatet"), so dass der Arm 54 frei beweglich ist und schließlich ebenfalls lotrecht unter der Basis 52 der Handhabungsvorrichtung 20 hängt. Genauso kann vorgesehen sein, dass beim Aufwärtsfahren der Arm 54 mittels des Aktors 66 aktiv in eine lotrechte Position verschwenkt wird.
Nach dem Aufrichten der Bohrstange 12 kann diese mittels der Handhabungsvorrichtung 20 im sogenannten Mauseloch 72 abgestellt werden. Die Darstellung in Figur 8 zeigt eine im Mauseloch 72 abgestellte Bohrstange 12, von der entsprechend nur noch das obere Ende mit der dortigen Box erkennbar ist. Wenn das Mauseloch 72 in Verlängerung der Handhabungsvorrichtungsmittelachse A2 liegt, kann das Abstellen der Bohrstange 12 im Mauseloch 72 durch einfaches Abwärtsfahren der Handhabungsvorrichtung 20 erfolgen. Allerdings ist nicht erforderlich, dass sich das Mauseloch 72 in Verlängerung der Handhabungsvorrichtungsmittelachse A2 befindet und wenn dieses von der Handhabungsvorrichtungsmittelachse A2 beabstandet ist (zum Beispiel bei mehr als einem Mauseloch 72), wird die Bohrstange 12 durch geeignete Positionierung des Arms 54 (Drehen um R1 und/oder Schwenken um R2; immer wenn hier und im Folgenden von einem Drehen und/oder Schwenken um die Achsen R1 bzw. R2 gesprochen wird, ist ein eventuelles gleichzeitiges, voreilendes oder anschließendes Bewegen der Handhabungsvorrichtung 20 entlang der z-Achse zur Höhenanpassung mitzulesen) über dem Mauseloch 72 positioniert und schließlich im Mauseloch 72 abgestellt. Wenn die zuerst aufgenommene Bohrstange 12 (erste Bohrstange 12) im Mauseloch 72 abgestellt ist, kann mittels der Handhabungsvorrichtung 20 eine weitere Bohrstange 12 (zweite Bohrstange 12) aufgenommen und aufgerichtet werden. Dies erfolgt genauso, wie dies weiter oben bereits erläutert wurde.
Die Darstellung in Figur 9 zeigt eine Momentaufnahme beim Verbinden der zweiten Bohrstange 12 mit der im Mauseloch 72 befindlichen ersten Bohrstange 12 zum Erhalt eines Bohrgestängeelements 14 zeitlich und räumlich parallel zum und unabhängig vom Bohrbetrieb. Dafür fährt die Handhabungsvorrichtung 20 mit der zweiten Bohrstange 12 entlang des Masts 10 zumindest so weit in Richtung auf die Mastkrone, bis die zweite Bohrstange 12 frei unter der Handhabungsvorrichtung 20 hängt. Je nach Position des Mauselochs 72 oder des jeweiligen Mauselochs 72, also des Mauselochs 72, in dem die erste Bohrstange 12 abgestellt wurde, kann die Handhabungsvorrichtung 20 zum Verbinden der zweiten Bohrstange 12 mit der ersten Bohrstange 12 entweder mit der lotrecht unter der Handhabungsvorrichtung 20 hängenden zweiten Bohrstange 12 abwärts und in Richtung auf das aus dem Mauseloch 72 ragende Ende der ersten Bohrstange 12 fahren oder es ist zuvor eine Positionierung des Arms 54 (Drehen um R1 und/oder Schwenken um R2) notwendig, um die zweite Bohrstange 12 in eine Position über der ersten Bohrstange 12 zu bringen.
Das Verbinden der zweiten Bohrstange 12 mit der ersten Bohrstange 12 (Gewindeverbindung von Pin und Box) erfolgt mittels einer dafür vorgesehenen, grundsätzlich an sich bekannten und in den Figuren nicht gezeigten Maschine, zum Beispiel einer Maschine in Form von oder nach Art eines sogenannten Iron Roughneck. Die im Werkzeug 64 hängende Bohrstange 12 ist dabei relativ zum Werkzeug 64 drehbar, weil keine kraftschlüssige Verbindung zwischen Werkzeug 64 und Bohrstange 12 vorliegt oder eine solche kraftschlüssige Verbindung ggf. während des Vorgangs des Verbindens gelöst wird. Durch das Verbinden der zweiten Bohrstange 12 mit der ersten Bohrstange 12 ist ein in der Fachterminologie als Double bezeichnetes Bohrgestängeelement 14 entstanden.
Das Erstellen solcher Bohrgestängeelemente 14 kann unabhängig vom laufenden Bohrbetrieb erfolgen, weil sich die Handhabungsvorrichtung 20 dabei entlang der Handhabungsvorrichtungsmittelachse A2 bewegt, während sich ein Topdrive 36 oder dergleichen entlang der Bohrlochmittelachse A1 bewegt, so dass sich beide kollisionsfrei und unabhängig voneinander bewegen können. In der Darstellung in Figur 9 ist der Topdrive 36 über der Bohrlochöffnung 50 im Drillfloor 70 erkennbar. Der Topdrive 36 bewegt sich entlang der durch die Bohrlochöffnung 50 und den Bohrstrang definierten Bohrlochmittelachse A1 (Fig. 6). Die Handhabungsvorrichtung 20 bewegt sich entlang der von der Bohrlochmittelachse A1 beabstandeten und zur Bohrlochmittelachse A1 parallelen oder zumindest im Wesentlichen parallelen Handhabungsvorrichtungsmittelachse A2. Bei der Darstellung in Figur 9 fällt die Handhabungsvorrichtungsmittelachse A2 mit der Längsachse des gezeigten Bohrgestängeelements 14 zusammen. Aufgrund des Abstands zwischen Bohrlochmittelachse A1 und Handhabungsvorrichtungsmittelachse A2 kann das Erstellen von Bohrgestängeelementen 14 zeitlich und räumlich parallel zum und unabhängig vom Bohrbetrieb erfolgen.
Zum optionalen Erstellen eines drei Bohrstangen 12 umfassenden Bohrgestängeelements 14 (Triple oder Stand) wird das bisher zwei Bohrstangen 12 umfassende Bohrgestängeelement 14 mittels der Handhabungsvorrichtung 20 aus dem Mauseloch 72 herausgezogen und mittels der Handhabungsvorrichtung 20 und durch geeignete Positionierung des Arms 54 (Drehen um R1 und/oder Schwenken um R2) im oder neben dem Mast 10 abgestellt. Für ein solches Abstellen steht in grundsätzlich an sich bekannter Art und Weise eine Abstellposition (nicht gezeigt) zur Verfügung, in der das Bohrgestängeelement 14 zumindest oben, optional oben und unten, mittels einer Klaue oder dergleichen gehalten wird. Nachdem durch Abstellen des bisher zwei Bohrstangen 12 umfassenden Bohrgestängeelements 14 das Mauseloch 72 wieder frei geworden ist, kann mittels der Handhabungsvorrichtung 20 eine weitere Bohrstange 12 (dritte Bohrstange 12) - wie oben beschrieben - geholt, aufgerichtet und im Mauseloch 72 abgestellt werden. Anschließend wird mittels der Handhabungsvorrichtung 20 das zuvor in der Abstellposition abgestellte Bohrgestängeelement 14 wieder aufgenommen und mittels der Handhabungsvorrichtung 20 - wie oben beschrieben - oberhalb des aus dem Mauseloch 72 herausragenden Endes der dritten Bohrstange 12 platziert werden. Das Verbinden des bisher zwei Bohrstangen 12 umfassenden Bohrgestängeelements 14 mit der dritten Bohrstange 12 erfolgt erneut mittels der oben erwähnten, zum Herstellen einer solchen Gewindeverbindung vorgesehenen Maschine. Durch das Verbinden der dritten Bohrstange 12 mit dem bisher zwei Bohrstangen 12 (erste Bohrstange 12, zweite Bohrstange 12) umfassenden Bohrgestängeelement 14 ist ein in der Fachterminologie als Triple oder Stand bezeichnetes Bohrgestängeelement 14 entstanden.
Alternativ ist ein Erstellen eines drei Bohrstangen 12 umfassenden Bohrgestängeelements 14 (Triple oder Stand) auch mittels eines weiteren Mauselochs 72 möglich. Zur Unterscheidung wird dabei das Mauseloch 72, in welchem sich nach dem Verbinden einer zweiten Bohrstange 12 mit einer ersten Bohrstange 12 das zwei Bohrstangen 12 umfassende Bohrgestängeelement 14 befindet, als erstes Mauseloch 72 und das weitere Mauseloch (nicht gezeigt) als zweites Mauseloch bezeichnet. Dann wird mittels der Handhabungsvorrichtung 20 - wie oben beschrieben - eine dritte Bohrstange 12 geholt und aufgerichtet und anschließend im zweiten Mauseloch abgestellt. Dann wird mittels der Handhabungsvorrichtung 20 das im ersten Mauseloch 72 befindliche Bohrgestängeelement 14 zumindest bis auf die Höhe des aus dem zweiten Mauseloch ragenden Endes der dritten Bohrstange 12 angehoben und anschließend mittels der Handhabungsvorrichtung 20 über dem zweiten Mauseloch positioniert. Dort erfolgt jetzt - wie oben beschrieben - die Herstellung der Gewindeverbindung zwischen dem lotrecht an der Handhabungsvorrichtung 20 hängenden Bohrgestängeelement 14 (Kombination aus erster Bohrstange 12 und zweiter Bohrstange 12) und der im zweiten Mauseloch befindlichen dritten Bohrstange 12. Das Ergebnis ist wiederum ein drei Bohrstangen 12 umfassendes Bohrgestängeelement 14 (Stand).
Das Erstellen solcher Stands kann vollständig unabhängig vom laufenden Bohrbetrieb erfolgen, weil sich die Handhabungsvorrichtung 20 dabei weiterhin nur entlang der Handhabungsvorrichtungsmittelachse A2 bewegt, während sich ein Topdrive 36 oder dergleichen entlang der Bohrlochmittelachse A1 bewegt, so dass sich beide kollisionsfrei und unabhängig voneinander bewegen können. Das vom laufenden Bohrbetrieb unabhängige Erstellen von Bohrgestängeelementen 14 in Form von Stands wird auch als Offline-Stand-Building bezeichnet und entsprechend fungiert die gegenständliche Handhabungsvorrichtung 20 als Offline-Stand-Builder.
Mittels der Handhabungsvorrichtung 20 ist selbstverständlich - nämlich in umgekehrter Reihenfolge wie oben beschrieben - auch ein Auflösen eines mehrere Bohrstangen 12 umfassenden Bohrgestängeelements 14 möglich. Zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen wird entsprechend auf die obige Beschreibung sowie darauf verwiesen, dass die beschriebenen Verfahrensschritte beim Auflösen eines mehrere Bohrstangen 12 umfassenden Bohrgestängeelements 14 in umgekehrter Reihenfolge ablaufen.
Ein mittels der Handhabungsvorrichtung 20 erstelltes Bohrgestängeelement 14, nämlich ein zwei Bohrstangen 12 umfassendes Bohrgestängeelement 14 (Double) oder ein drei Bohrstangen 12 umfassendes Bohrgestängeelement 14 (Triple, Stand), kann mittels der Handhabungsvorrichtung 20 unmittelbar dem Bohrprozess zugeführt werden. Dafür wird der Topdrive 36 vom auf Drillfloorebene endenden Kopf des Bohrstrangs gelöst und im Mast 10 zur Mastkrone verfahren. Dann kann mittels der Handhabungsvorrichtung 20 durch geeignete Positionierung des Arms 54 (Drehen um R1; Schwenken um R2) das Bohrgestängeelement 14 auf Bohrlochmitte gebracht und dort in grundsätzlich an sich bekannter Art und Weise einerseits mit dem Topdrive 36 und andererseits mit dem Kopf des Bohrstrangs verbunden werden. Dabei kommt der Arm 54 der Handhabungsvorrichtung 20 kontrolliert in den Bewegungsbereich (Bohrlochmittelachse A1) des Topdrive 36 oder einer sonstigen zum Antrieb des Bohrstrangs vorgesehenen Vorrichtung. Dies ist kollisionsfrei möglich, indem dieser bzw. diese zuvor in eine ausreichende Höhe im Mast 10 verfahren wurde. Die Darstellung in Figur 1 zeigt die Handhabungsvorrichtung 20 mit einem in Richtung auf Bohrlochmitte geschwenkten Arm 54, allerdings (im Interesse der Übersichtlichkeit der Darstellung) ohne ein am Werkzeug 64 hängendes Bohrgestängeelement 14.
Ein mittels der Handhabungsvorrichtung 20 erstelltes Bohrgestängeelement 14, nämlich ein zwei Bohrstangen 12 umfassendes Bohrgestängeelement 14 (Double) oder ein drei Bohrstangen 12 umfassendes Bohrgestängeelement 14 (Triple, Stand), kann mittels der Handhabungsvorrichtung 20 auch in der Fingerbühne 38 oder einer vergleichbaren Vorrichtung abgestellt werden. Ob in der Fingerbühne 38 Doubles oder Stands abgestellt werden können, hängt von der Länge einer einzelnen Bohrstange 12 sowie von der Höhe der Fingerbühne 38 am Mast 10 ab. Oftmals befindet sich die Fingerbühne 38 am Mast 10 in einer Höhe, welche ein Abstellen von drei Bohrstangen 12 umfassenden Bohrgestängeelementen 14 (Stands) erlaubt. Dies wird im Folgenden für die weitere Beschreibung - allerdings ohne Verzicht auf eine weitergehende Allgemeingültigkeit - angenommen, so dass entsprechend mitunter auch nur kurz von einem Abstellen von Stands in der Fingerbühne 38 gesprochen wird (oder umgekehrt einem Abholen von Stands aus der Fingerbühne 38) .
Die Darstellung in Figur 10 zeigt die gegenständliche Handhabungsvorrichtung 20 in einer Position oberhalb der Fingerbühne 38 (siehe Figur 6: Position F). Die Handhabungsvorrichtung 20 ist mit einem in Richtung auf Bohrlochmitte verschwenktem Arm 54 gezeigt. Genauso kann der Arm 54 (durch Drehen um R1 und/oder Schwenken um R2) über die Fingerbühne 38 verschwenkt werden, um dort in grundsätzlich an sich bekannter Art und Weise zwischen den Fingern der Fingerbühne 38 Bohrgestängeelemente 14 abzustellen oder dort abgestellte Bohrgestängeelement 14 abzuholen.
Die Darstellung in Figur 11 zeigt eine Momentaufnahme beim Abstellen eines Bohrgestängeelements 14 mittels der Handhabungsvorrichtung 20 in der Fingerbühne 38 (oder beim Abholen eines Bohrgestängeelements 14 aus der Fingerbühne 38). Man erkennt, dass das Schultersegment 60 (Fig. 5) gedreht und das Armsegment 62 verschwenkt ist, um das mittels des Werkzeugs 64 erfasste Bohrgestängeelement 14 in der momentanen Position zu halten.
Die beiden rotatorischen Freiheitsgrade der Handhabungsvorrichtung 20 (des Arms 54 der Handhabungsvorrichtung 20) erlauben in grundsätzlich an sich bekannter Art und Weise durch gleichzeitige Aktivierung beider Freiheitsgrade auch lineare Bewegungen in der xy-Ebene. Die mit zunehmender Auslenkung des Arms 54 (Schwenken um R2) resultierende wirksame Höhe des Arms 54 kann durch eine Vertikalbewegung (Bewegung entlang der z-Achse) ausgeglichen werden, so dass das Werkzeug 64 der Handhabungsvorrichtung 20 vorgegebenen oder vorgebbaren linearen Bewegungsbahnen in der xy-Ebene folgt. Damit kann die Handhabungsvorrichtung 20 automatisch ein Bohrgestängeelement 14 zwischen zwei vorgegebenen oder vorgebbaren Fingern der Fingerbühne 38 abstellen (anfängliche lineare Bewegung quer zu den Fingern der Fingerbühne 38 und in die Fingerbühne 38 hinein durch Schwenken um R2; anschließende lineare Bewegung parallel zu den Fingern der Fingerbühne 38 und in den Zwischenraum zwischen zwei Fingern hinein durch Drehen um R1 und Schwenken um R2) oder ein Bohrgestängeelement 14 dort abholen. Auch dieses Abstellen eines Bohrgestängeelements 14 in der Fingerbühne 38 oder das Abholen eines Bohrgestängeelements 14 aus der Fingerbühne 38 kann (zeitlich und räumlich) parallel zum laufenden Bohrbetrieb und unabhängig vom laufenden Bohrbetrieb erfolgen, weil sich die Handhabungsvorrichtung 20 in vertikaler Richtung nur entlang der Handhabungsvorrichtungsmittelachse A2 bewegt und dabei nicht in den Bewegungsbereich eines Topdrive oder dergleichen gelangt, so dass sich beide kollisionsfrei unabhängig voneinander bewegen können.
Speziell ist daher mittels der Handhabungsvorrichtung 20 durch kontinuierliches Aufnehmen neuer Bohrstangen 12 - wie oben beschrieben - und Kombinieren einzelner Bohrstangen 12 zu Bohrgestängeelementen 14 - wie ebenfalls oben beschrieben - ein sukzessives Füllen der Fingerbühne 38 mit Stands möglich und zwar komplett unabhängig vom ansonsten fortgesetzten Bohrbetrieb. Während des Füllens der Fingerbühne 38 kann mittels der Handhabungsvorrichtung 20 bedarfsweise ein Bohrgestängeelement 14 aus der Fingerbühne 38 entnommen und dem Bohrprozess zugeführt werden - wie oben beschrieben - oder unmittelbar nach dem Kombinieren einzelner Bohrstangen 12 das resultierende Bohrgestängeelement 14 dem Bohrprozess zugeführt werden - wie ebenfalls oben beschrieben.
Die Darstellung in Figur 12 zeigt eine Momentaufnahme, bei der mittels der Handhabungsvorrichtung 20 ein Bohrgestängeelement 14 aus der Fingerbühne 38 entnommen wurde und lotrecht unter der Handhabungsvorrichtung 20 in deren Werkzeug 64 hängt. Das aufgenommene Bohrgestängeelement 14 soll dem Bohrprozess zugeführt werden. Die Handhabungsvorrichtung 20 befindet sich entsprechend in einer Warteposition und es wird abgewartet, bis der Topdrive 36 in Mast 10 ausreichend weit in Richtung auf die Mastkrone nach oben gefahren ist, bis das aufgenommene Bohrgestängeelement 14 mittels der Handhabungsvorrichtung 20 unter dem Topdrive 36 auf Bohrlochmitte gebracht werden kann, wie dies in der in Figur 13 dargestellten Momentaufnahme gezeigt ist. Das so positionierte Bohrgestängeelement 14 wird in grundsätzlich an sich bekannter Art und Weise am unteren Ende (auf Drillfloorebene) mittels einer dafür vorgesehenen Maschine, insbesondere einer Maschine in Form von oder nach Art eines sogenannten Iron Roughneck, mit dem oberen Ende des Bohrstrangs verbunden. Das obere Ende des Bohrgestängeelements 14 wird zuvor oder anschließend in grundsätzlich an sich bekannter Art und Weise an den Topdrive 36 gekoppelt. Dann kann das Werkzeug 64 (manuell, automatisch oder durch einen Bediener ferngesteuert) geöffnet und das Bohrgestängeelement 14 aus der Handhabungsvorrichtung 20 gelöst werden.
In den Darstellungen in Figur 11, 12 und 13 ist eine dem Mast 10 zugewandte Ausnehmung 74 in der Fingerbühne 38 erkennbar, welche eine Vertikalbewegung der Handhabungsvorrichtung 20 von einer Position oberhalb der Fingerbühne 38 zu einer Position unterhalb der Fingerbühne 38 und umgekehrt - also gewissermaßen ein "Durchfahren" der Fingerbühne 38, erlaubt.
Die Ermittlung der Bewegungsbahnen für das Werkzeug 64 erfolgt in grundsätzlich an sich bekannter Art und Weise zum Beispiel mittels einer Koordinatentransformation aus einem kartesischen Koordinatensystem in ein Zylinderkoordinatensystem. In dem kartesischen Koordinatensystem werden der Start- und Endpunkt einer geplanten Bewegungsbahn und ggf. einzelne Stützpunkte auf einer solchen Bewegungsbahn oder eine Vielzahl von solchen Stützpunkten vorgegeben. Zu jedem derartigen Punkt und dessen kartesischen Koordinaten (x, y, z) ergibt sich mittels der Koordinatentransformation ein Äquivalent im Zylinderkoordinatensystem. Aus den resultierenden Koordinaten (r, ϕ, h) im Zylinderkoordinatensystem ergeben sich direkt die zugehörigen Positionen der einzelnen Freiheitsgrade der Handhabungsvorrichtung 20, nämlich die vertikale Position h entlang der z-Achse (h = z), das Verschwenken des Armsegments 62 um den Winkel α um die Schwenkachse R2 (α = arc sin (r/l); l = Länge des Armsegments 62, r = √[x²+ y²]) und das Drehen des Schultersegments 60 um den Winkel ϕ um die Drehachse R1 (ϕ = arc sin (y/r). Die Berechnung der jeweils notwendigen Positionen der einzelnen Freiheitsgrade der Handhabungsvorrichtung 20 und die Generierung entsprechender Steuersignale 80 zur Ansteuerung der zur Bewegung der Handhabungsvorrichtung vorgesehenen Aggregate (zum Beispiel: Winde 40 zur Beeinflussung der Vertikalposition; Aktor 66 zur Beeinflussung der Schwenkposition des Armsegments 62; Elektro- oder Hydraulikmotor zum Antrieb der Drehverbindung zur Beeinflussung der Drehposition des Schultersegments 60) erfolgt mittels einer zum automatischen oder teilautomatischen Betrieb der Handhabungsvorrichtung 20 vorgesehenen Steuerungseinrichtung 76 (Fig. 14), zum Beispiel einer Steuerungseinrichtung 76 in Form einer speicherprogrammierbaren Steuerung oder dergleichen.
Die Darstellung in Figur 14 zeigt abschließend in schematisch stark vereinfachter Form die erwähnte Steuerungseinrichtung 76, die in an sich bekannter Art und Weise eine Verarbeitungseinheit in Form von oder nach Art eines Mikroprozessors und einen Speicher aufweist, in den ein beim und zum Betrieb der Handhabungsvorrichtung 20 ausgeführtes und als Steuerungsprogramm der Handhabungsvorrichtung 20 fungierendes Computerprogramm 78 geladen ist. Unter Kontrolle der Steuerungseinrichtung 76 bzw. des mittels der Steuerungseinrichtung 76 ausgeführten Computerprogramms 78 werden Steuersignale 80 zur Ansteuerung der zum Bewegen der Handhabungsvorrichtung 20 bestimmten Aggregate generiert und diese werden in an sich bekannter Art und Weise mit dem jeweiligen Steuersignal 80 oder den jeweiligen Steuersignalen 80 beaufschlagt. Dabei handelt es sich zum Beispiel um die folgenden Aggregate: Winde 40, Hydraulikaggregat 58 und Motor 82. Die Winde 40 oder ein vergleichbares Aggregat ist zum vertikalen Bewegen der Handhabungsvorrichtung 20 im oder am Mast 10 vorgesehen. Das Hydraulikaggregat 58 ist zum Erzeugen eines Drucks zum Bewegen des Aktors 66 und entsprechend zum Verschwenken des Armsegments 62 um die Schwenkachse R2 vorgesehen. Der Motor 82, zum Beispiel ein Motor 82 in Form eines Hydraulik- oder Elektromotors, ist dem Drehantrieb zum Drehen des Schultersegments 60 um die Drehachse R1 zugeordnet. Die Bewegung der Handhabungsvorrichtung 20 kann automatisch, teilautomatisch oder im sogenannten Handbetrieb erfolgen. Im Handbetrieb fährt ein Bediener die Handhabungsvorrichtung 20 gewissermaßen "auf Sicht" und betätigt dafür in grundsätzlich an sich bekannter Art und Weise einzelne oder mehrere Bedienelemente an einer Bedieneinrichtung, zum Beispiel einem Steuerpult oder dergleichen. Eine Betätigung eines Bedienelements wird mittels der Steuerungseinrichtung 76 erkannt und ausgewertet und mittels der Steuerungseinrichtung 76 werden automatisch Steuersignale generiert, welche eine Aktivierung des oder jedes für die jeweils notwendige Bewegung der Handhabungsvorrichtung 20 notwendigen Aggregats bewirken. Beim teilautomatischen Betrieb kann zum Beispiel durch das Betätigen eines Bedienelements das Verfahren der Handhabungsvorrichtung 20 in eine bestimmte Position, zum Beispiel die untere Position U oder die Fingerbühnenposition, ausgelöst werden. Im Rahmen der Teilautomatik wird dann zum Beispiel vor oder im Zusammenhang mit einer Vertikalbewegung der Arm 54 in eine lotrechte Stellung gebracht oder die Vertikalbewegung bleibt solange gesperrt, bis der Arm 54 lotrecht hängt. Bei einem automatischen Betrieb können unterschiedlich umfangreiche Bewegungssequenzen automatisch und grundsätzlich ohne die Notwendigkeit eines Benutzereingriffs ablaufen, zum Beispiel das Abstellen einer Bohrstange 12 im Mauseloch 72, das Aufnehmen einer extern zugeführten Bohrstange 12 und ein anschließendes Abstellen im Mauseloch 72, das Verbinden mehrerer extern zugeführter Bohrstangen 12 zu einem Bohrgestängeelement 14, das Verbinden mehrerer extern zugeführter Bohrstangen 12 zu einem Bohrgestängeelement 14 und das abschließende Abstellen in der Fingerbühne 38 und so weiter.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch das oder die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Einzelne im Vordergrund stehende Aspekte der hier eingereichten Beschreibung lassen sich damit kurz wie folgt zusammenfassen: Es werden eine Handhabungsvorrichtung 20 zur Verwendung im Mast 10 einer Bohranlage und zum Bewegen von Bohrstangen 12 oder Bohrgestängeelementen 14 sowie ein Verfahren zu deren Betrieb angegeben. Die Handhabungsvorrichtung 20 umfasst eine im oder am Mast 10 vertikal bewegliche Basis 52 und an der Basis 52 einen um eine Drehachse R1 beweglichen Arm 54. Die Drehachse R1 verläuft parallel oder zumindest im Wesentlichen parallel zum Mast 10 oder einer Bewegungsbahn (Handhabungsvorrichtungsmittelachse A2) der Handhabungsvorrichtung 20 im oder am Mast 10. Der um die Drehachse R1 drehbewegliche Arm 54 ist zusätzlich schwenkbeweglich, nämlich um zumindest eine Schwenkachse R2 schwenkbar. Die Schwenkachse R2 liegt in einer Ebene senkrecht oder zumindest im Wesentlichen senkrecht zum Mast 10 oder der Bewegungsbahn (Handhabungsvorrichtungsmittelachse A2) der Handhabungsvorrichtung 20 im oder am Mast 10. Am freien Ende des Arms 54 umfasst die Handhabungsvorrichtung 20 ein insbesondere bewegliches Werkzeug 64 zum Erfassen eines Abschnitts eines Endes einer Bohrstange 12 oder eines Endes eines Bohrgestängeelements 14.

Bezugszeichenliste

10	Mast	54	Unterteil, Gelenkarm, Arm
12	Bohrstange	54	Unterteil, Gelenkarm, Arm
14	Bohrgestängeelement	56	Winch
16, 18	(frei)	58	Hydraulikaggregat
20	Handhabungsvorrichtung	60	Schultersegment
20	Handhabungsvorrichtung	62	Armsegment
22, 24	(Mast-) Eckstiel	64	Werkzeug
26, 28	Führungsprofil	66	Aktor
30, 32	Führungsgegenprofil	68	(frei)
34	Travelling Block	70	Drillfloor
36	Topdrive	72	Mauseloch
38	Fingerbühne	74	Ausnehmung
40	Winde	76	Steuerungseinrichtung
42	Umlenkrolle	78	Computerprogramm
44, 46, 48	(frei)	80	Steuersignal
50	Bohrlochöffnung	82	Motor
52	Ober-/Basisteil

Claims

Verfahren zum Betrieb einer zur Verwendung im Mast (10) einer Bohranlage und zum Bewegen von Bohrstangen (12) oder Bohrgestängeelementen (14) bestimmten Handhabungsvorrichtung (20),
wobei die Handhabungsvorrichtung (20) eine im oder am Mast (10) vertikal bewegliche Basis (52) umfasst,
wobei die Handhabungsvorrichtung (20) an der Basis (52) einen um eine Drehachse (R1) beweglichen Arm (54) aufweist,
wobei die Drehachse (R1) parallel oder zumindest im Wesentlichen parallel mit dem Mast (10) oder einer Bewegungsbahn der Handhabungsvorrichtung (20) im oder am Mast (10) ist,
wobei der Arm (54) um zumindest eine Schwenkachse (R2) schwenkbeweglich ist,
wobei die Schwenkachse (R2) in einer Ebene senkrecht oder zumindest im Wesentlichen senkrecht zum Mast (10) oder einer Bewegungsbahn der Handhabungsvorrichtung (20) im oder am Mast (10) liegt und
wobei die Handhabungsvorrichtung (20) an einem freien Ende des Arms (54) ein bewegliches Werkzeug (64) zum Erfassen eines Abschnitts eines Endes einer Bohrstange (12) umfasst,
wobei die Handhabungsvorrichtung (20) zum Bewegen von Bohrstangen (12) oder Bohrgestängeelementen (14) in vertikaler Richtung im oder am Mast (10) verfahren wird und/oder wobei der Arm (54) der Handhabungsvorrichtung (20) um die Drehachse (R1) gedreht und/oder um die Schwenkachse (R2) verschwenkt wird,
wobei die Handhabungsvorrichtung (20) im oder am Mast (10) an dortigen vorderen Masteckstielen (22, 24) vertikal beweglich und dafür an den vorderen Masteckstielen (22, 24) geführt ist und,
wobei das Werkzeug (64) der Handhabungsvorrichtung (20) in jeder Vertikalposition der Handhabungsvorrichtung (20) in Richtung auf eine Bohrlochmittelachse (A1) oder zur Bohrlochmittelachse (A1) verschwenkt werden kann,
dadurch gekennzeichnet,
dass zum Erstellen von Bohrgestängeelementen (14) mittels der Handhabungsvorrichtung (20)
- eine horizontal oder zumindest im Wesentlichen horizontal orientierte erste Bohrstange (12) mittels der Handhabungsvorrichtung (20) im Bereich des Mastfußes aufgenommen und mittels einer Vertikalbewegung entlang des Masts (10) in eine vertikale Orientierung aufgerichtet wird,

- die erste Bohrstange (12) mittels der Handhabungsvorrichtung (20) in der vertikalen Orientierung im Bereich des Masts (10) abgestellt wird,

- eine horizontal oder zumindest im Wesentlichen horizontal orientierte zweite Bohrstange (12) mittels der Handhabungsvorrichtung (20) im Bereich des Mastfußes aufgenommen und mittels einer Vertikalbewegung entlang des Masts (10) in eine vertikale Orientierung aufgerichtet wird,

- die zweite Bohrstange (12) mittels der Handhabungsvorrichtung (20) mittels einer Vertikalbewegung entlang des Masts (10) auf eine Höhe im Bereich des oberen Endes der ersten Bohrstange (12) gezogen und

- die zweite Bohrstange (12) mittels der Handhabungsvorrichtung (20) zum Erhalt eines Bohrgestängeelements (14) in Form einer Kombination der ersten Bohrstange (12) mit der zweiten Bohrstange (12) über der ersten Bohrstange (12) positioniert wird.
Verfahren nach Anspruch 1,
wobei ein eine erste Bohrstange (12) und eine zweite Bohrstange (12) umfassendes Bohrgestängeelement (14) mittels der Handhabungsvorrichtung (20) im Bereich des Masts (10) abgestellt wird,
wobei mittels der Handhabungsvorrichtung (20) eine horizontal oder zumindest im Wesentlichen horizontal orientierte dritte Bohrstange (12) im Bereich des Mastfußes aufgenommen und mittels einer Vertikalbewegung entlang des Masts (10) in eine vertikale Orientierung aufgerichtet wird,
wobei die dritte Bohrstange (12) mittels der Handhabungsvorrichtung in der vertikalen Orientierung im Bereich des Masts (10) abgestellt wird,
wobei das eine erste Bohrstange (12) und eine zweite Bohrstange (12) umfassende Bohrgestängeelement (14) mittels der Handhabungsvorrichtung (20) mittels einer Vertikalbewegung entlang des Masts (10) auf eine Höhe im Bereich des oberen Endes der dritten Bohrstange (12) gezogen und das Bohrgestängeelement (14) mittels der Handhabungsvorrichtung (20) zum Erhalt eines Bohrgestängeelements (14) in Form einer Kombination der ersten Bohrstange (12) und der zweiten Bohrstange (12) mit der dritten Bohrstange (12) über der dritten Bohrstange (12) positioniert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Bohrstange (12) bzw. die dritte Bohrstange (12) mittels der Handhabungsvorrichtung (20) in der vertikalen Orientierung in einer als Mauseloch (72) bezeichneten Aufnahmevorrichtung abgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, wobei die Handhabungsvorrichtung (20) in vertikaler Richtung entlang des Masts (10) auf einer von einer Bohrlochmittelachse (A1) beabstandeten und zur Bohrlochmittelachse (A1) parallelen oder zumindest im Wesentlichen parallelen Handhabungsvorrichtungsmittelachse (A2) bewegt wird.
Computerprogramm (78) mit Programmcodemitteln, um alle Verfahrensschritte von jedem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4 durchzuführen, wenn das Computerprogramm (78) mittels einer Steuerungseinrichtung (76) für die Handhabungsvorrichtung (20) gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 7 ausgeführt wird.
Digitales Speichermedium auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 5 gespeichert ist.
Handhabungsvorrichtung (20) zur Verwendung im Mast (10) einer Bohranlage und zum Bewegen von Bohrstangen (12) oder Bohrgestängeelementen (14),
wobei die Handhabungsvorrichtung (20) eine im oder am Mast (10) vertikal bewegliche Basis (52) umfasst,
wobei die Handhabungsvorrichtung (20) an der Basis (52) einen um eine Drehachse (R1) beweglichen Arm (54) aufweist,
wobei die Drehachse (R1) parallel oder zumindest im Wesentlichen parallel zum Mast (10) oder einer Bewegungsbahn der Handhabungsvorrichtung (20) im oder am Mast (10) ist,
wobei der Arm (54) um zumindest eine Schwenkachse (R2) schwenkbeweglich ist,
wobei die Schwenkachse (R2) in einer Ebene senkrecht oder zumindest im Wesentlichen senkrecht zum Mast (10) oder einer Bewegungsbahn der Handhabungsvorrichtung (20) im oder am Mast (10) liegt,
wobei die Handhabungsvorrichtung (20) an einem freien Ende des Arms (54) ein bewegliches Werkzeug (64) zum Erfassen eines Abschnitts eines Endes einer Bohrstange (12) umfasst,
wobei die Handhabungsvorrichtung (20) im oder am Mast (10) an dortigen vorderen Masteckstielen (22, 24) vertikal beweglich und dafür an den vorderen Masteckstielen (22, 24) geführt ist und
wobei das Werkzeug (64) der Handhabungsvorrichtung (20) in jeder Vertikalposition der Handhabungsvorrichtung (20) in Richtung auf eine Bohrlochmittelachse (A1) oder zur Bohrlochmittelachse (A1) verschwenkbar ist,
gekennzeichnet durch
eine programmierbare Steuerungseinrichtung (76) für eine solche Handhabungsvorrichtung (20), in deren Speicher ein Computerprogramm (78) nach Anspruch 5 geladen ist und das bei Betrieb der Handhabungsvorrichtung (20) ausgeführt wird.
Bohranlage
mit einer zur Verwendung im Mast (10) der Bohranlage und zum Bewegen von Bohrstangen (12) oder Bohrgestängeelementen (14) bestimmten Handhabungsvorrichtung (20) nach Anspruch 7
mit zumindest einem an einem Mast (10) der Bohranlage angebrachten und einen vertikalen Bewegungsbereich der Handhabungsvorrichtung (20) bestimmenden Führungsprofil (26, 28),
wobei die Handhabungsvorrichtung (20) zumindest ein zum Führungsprofil (26, 28) korrespondierendes Führungsgegenprofil (30, 32) aufweist und wobei das Führungsprofil (26, 28) und das Führungsgegenprofil (30, 32) beim vertikalen Bewegen der Handhabungsvorrichtung (20) im Eingriff sind.
Bohranlage nach Anspruch 8, wobei das oder jedes Führungsprofil (26, 28) an einem am Mast (10), insbesondere an dessen vorderen Masteckstielen (22, 24), montierten Adapterrahmen angebracht ist.
Bohranlage mit einer Handhabungsvorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 8 oder 9,
wobei eine an einem Mast (10) der Bohranlage angebrachte Fingerbühne (38) eine Ausnehmung (74) aufweist, welche eine Vertikalbewegung der Handhabungsvorrichtung (20) von einer Position oberhalb der Fingerbühne (38) zu einer Position unterhalb der Fingerbühne (38) und umgekehrt erlaubt.