KR20020086855A - 관형 부품 마찰 구동 장치 - Google Patents

Abstract

파이프 접속부를 돌려서 조이는 조립식 스피너(spinner)와 토크 집게(torque tong)를 개시하였다. 집게(tong)는 구동 모터(driving motor)와 연결된 구동 기어(driving gear)를 갖는 외부 고정 덮개(outer stationary housing) 및 구동 기어와 맞물려 있는 고리형 구동 기어(driven ring gear)를 갖는 회전식 내부 덮개(inner rotatable housing)을 포함한다. 집게는 파이프에 맞물리기 위한 많은 요소들을 가지고 있다. 내부 덮개는 맞물림을 가동시킬 수 있는 내부적인 기계 장치 또는 유압 장치를 가지고 있다. 각각의 맞물림 요소(engagement element)는 형태의 변화에 노출되고 비압축성 탄성체이며, 각 맞물림 요소는 파이프와 직접적인 맞물림을 위한 마찰 형성면(friction forming surface)을 가지고 있다.

Description

관형 부품 마찰 구동 장치{Device for Frictional Engagement with Tubular Goods}

이러한 종류의 스피너와 토크 집게는 본 발명의 발명자와 동일한 자의 노르웨이 특허 제163973호에 기재되어 있다.

연안이든 내륙이든 유정 또는 가스정의 시추시 길이가 약 9.5 내지 14미터이고, 지름이 약 90 내지 170mm인 시추관(drilling pipes)들이 사용된다. 시추시 길이 약 12미터, 지름 약 178 내지 510미터의 케이징(casings)에 의해 갱정이 확보되고 강화된다. 이러한 모든 관들은 봉함(sealing)을 확실히 하기 위해 상대적으로 큰 토크를 견딜 수 있고 회전하는 동안 풀리지 않는 접속부로 연결된다. 이러한 점은 시추시 주요 활동 중 하나가 관의 접속부를 만들고 해체하는 것과 관련되어 있다는 것을 의미한다. 각 갱정마다 이러한 결합 작업이 전체적으로 약 2000 내지 4000번 관여한다. 최근 25년동안 기계화된 도구들이 이러한 작업들을 위해 존재해왔다.

시추 작업 중에 관들을 결합시키기 위해 사용되는 현존 기계 장비는, 시추 관을 잡아주는 파워 집게(power tongs)과 케이징을 잡아주는 파워 집게의 두가지 분류로 구분된다. 시추관을 잡아주는 파워 집게는 영구적으로 시추층에 설치되고 케이징을 잡아주는 파워 집게는 케이징 줄이 갱정 안으로 들어가야 할 때마다 그때 그때 조립된다는 점에서 서로 다른 도구들이다. 이러한 장비는 종래 기술에 의하면 각각 별도로 구성되어야만 한다; 케이징은 얇은 두께의 접속부를 가지고, 반면 시추관은 두꺼운 두께의 접속부를 갖는다. 케이징 가동 작업을 위한 장비의 조립 및 해체를 위해서는 상당히 수고스러운 작업이 요구된다.

시추관을 잡아주는 전통적인 파워 집게는 두개의 주요 단위들로 구성된다; 이러한 작업이 쉽게 이루어지는 때까지 나사산(threads)을 안으로 회전시키기 위한 구동 롤러(drive rollers)를 갖는 상부 단위(회전부 집게(spinner tong)과 고정 토크(set torque)로 접속부를 만드는 하부 단위로 구성된다. 이는 작업 전공정이 순차적으로 조절되는 많은 조작들로 구성되어 있음을 의미한다. 이러한 모든 기능들은 예전에는 수동으로 조절되었으나, 최근에는 거의 예외없이 PLS로 조절된다 (PLS-controlled). 이러한 기계적 장치는 근본적으로 자동화된 순차 조작에 적합하지 않기 때문에, 많은 경우 자동화된 기계에서 작업 순서가 수동으로 조작되는 기계에서보다 느리게 된다.

본 발명은, 관을 조이고 고정시키는 장치로서 조인 후에 조임을 완화시키는 수단을 포함하는 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 장치는 관으로 접근하고 감싸 주는 조립식 덮개(housing)를 포함하며, 상기 덮개에는 관을 강한 힘으로 조일 수 있도록 가동될 수 있는 적어도 하나 이상의 조임쇄가 내장된다.

또한, 본 발명은, 구동 모터(driving motor)에 연결된 구동 기어(drive gear)가 설치된 외부 고정 덮개(outer stationary housing), 구동 기어와 맞물려 있는 고리형 구동 기어(driven ring gear)를 갖는 회전식 내부 덮개(inner rotatable housing) 및 관을 붙잡아 주는 적어도 하나의 조임쇄를 포함하고, 적어도 하나의 조임쇄를 가동시킬 수 있는 내부 기계 장치 또는 유압 장치를 갖는 것인, 회전과 관상 접합부 구성을 위한 조립식 스피너와 스피닝 토크 집게에 관한 것이다.

또 다른 목적들, 특징들 및 잇점들은 본 발명의 잠정적으로 바람직한 하나의 실시예에 대한 다음의 설명으로부터 알 수 있을 것이며, 이러한 실시예는 그것에 의해 발명이 제한되지 않고 설명의 목적을 위해 주어지는 것으로서, 첨부된 도면과 관련하여 주어진 것이다:

도 1A와 도 1B는 도면 각각에서 종단면으로 보여진 가동되지 않은 상태의 스피너와 토크집게를 도시하고 있고,

도 2A와 도 2B는 가동 상태의 도 1A와 도 1B에 따른 집게를 도시하고 있으며,

도 3은 관 접속부에서의 회전을 위한 위치에서 스피너, 토크집게 및 그 밑에 위치한 보조 집게의 종단면을 도시하고 있고,

도 4는 이어서 관의 접속부의 회전 투입되는 위치에서, 도 3에 따른 집게의 종단면을 도시하고 있으며,

도 5는 500mm 케이징에 사용된 도 1 내지 도 4에 따른 집게를 도시하고 있고,

도 6은 300mm 케이징에 사용된 도 1 내지 도 4에 따른 집게를 도시하고 있으며,

도 7은 적절한 조임쇄의 사시도이고,

도 8은 도 7에 따른 조임쇄의 횡단면을 도시하고 있으며,

도 9는 도 8에서 사각형 테두리로 표시된 부분을 확대하여 도시하고 있다.

본 발명의 파워 집게는 스피너 집게와 토크 집게가 하나의 단위로 결합되고 집게의 요소들이 쉽게 교체될 수 있어서 케이징이 같은 기계로 투입될 수 있는 매우 새로운 집게의 개념을 도입한다.

본 발명에 따라서 관을 조이고 고정시키기 위한 장치와 본 발명이 도입한 상기 종류의 조립식 스피너와 토크 집게가 제공되며, 이 장치는 적어도 하나의 조임 쇄가 형태의 변화에 노출되는 비압축성 탄성체(resilient incompressible body)이고 적어도 하나의 조임쇄가 관(tubular)과 직접적인 맞물림을 위한 마찰 형성 내부 곡면(friction forming radially inner surface)을 가지고 있다는 점에서 우수하다.

본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 덮개는 서로를 향하여 이동 가능하고, 비압축성 탄성체에 힘을 가하여 실질적으로는 중심쪽으로 방사상의 내부 방향으로(radially inward main direction) 팽창하도록 변형시키는 두개의 주요 구성요소(main components)에 의해 조립된다.

비압축성 탄성체는 바람직하게 겔 또는 액체 상(liquid volume)을 포함하는고무 엘라스토머의 재질(rubber elastomeric material)일 수 있다.

비압축성 탄성체는 금속으로 덮는 것과 같은 방법으로 강화시킬 수 있다.

마찰 형성면은, 바람직하게는 엘라스토머를 가교시키는 강화 금속인, 강화 입자들을 적절하게 포함할 수 있다.

하나의 실시예에서 덮개의 하나의 주요 구성요소는 관에 대하여 축방향으로 두번째 주요 구성요소를 향하여 움직일 수 있고, 비압축성 탄성체에 압출력(sqeeze force)을 가하여 물체를 방사상의 내부 방향으로 변형시킬 수 있다.

유압 실린더들은 적절하게 상기 축방향 운동을 행하며, 덮개의 주요 구성요소들 사이에서 압출력을 가한다.

스피너와 토크집게를 위하여, 적어도 하나의 비압축성 탄성체가 스피너와 토크집게의 회전에 의해 작동되는 내부적인 유압 장치에 의해 가동된다.

본 발명에 따른 관을 조이고 고정하는 장치와 조립식 스피너 및 토크 집게은 함께 계속 중인 국제 특허 출원 PCT/NO99/00399(발명의 명칭: Combined power tong having integrated mud suction and thread doping appratus)에서 보다 자세하게 설명된 완전하게 결합된 파워 집게의 구성성분으로 병합될 수 있다.

스피너와 토크 집게 1을 나타내는 도 1A와 도 1B에서 부호가 처음 나타난다. 집게 1은 외부 고정 덮개 5와 회전식 내부 덮개 2를 갖는다. 구동기어 9는 외부 덮개 5 내에서 지지되고 구동기어 9는 회전식 덮개 2와 연결, 지지되는 고리형 구동 기어 3과 맞물려 있다. 외부 고정 덮개 5, 회전식 내부 덮개 2 및 고리형 구동기어 3은 분리가능하며, 예를 들어 이들은 개방 상태에서 관으로 접근하기 위해 개방될 수 있고, 이어서 관을 둘러싸기 위해 폐쇄될 수 있다. 두 개의 덮개 5, 2 및 고리형 구동 기어 3은 이들이 개방될 수 있는 선을 따라 구획선(partition line)을 가진다. 덮개 5, 2 및 고리형 구동 기어 3의 개방 전에 각각의 구획선들이 일치되어야 한다. 이는 회전식 내부 덮개 2와 고리형 구동 기어 3이 외부 덮개 5으로 회전되어 들어가서 이들의 구획선 D가 외부 덮개 5의 구획선과 일치되어야 함을 의미한다.

회전식 내부 덮개 2는 하나 또는 그 이상의 조임쇄 4를 내장한다. 조임쇄 4는 비압축 탄성체의 형태이다. 이는 조임요소가 부피는 변하지 않고 단지 형태만이 변하는 것을 의미한다. 조임요소 4는 이하 도 7 내지 9 각각에서 보다 상세하게 설명될 것이다. 또한, 회전식 덮개 2는 직접적으로 압출 부분(sqeeze part) 6에 작용하는 유압 압출 실린더(hydraulic sqeeze cylinders) 7을 가동시킬 수 있는 유압 장치와 연결된 압출 부분 6를 포함한다. 조임쇄 4는 적절한 덮개 2와 압출 부분 6에 의해 축 방향으로 방사상으로 외부적인 제한이 있어서, 변형은 실질적으로는 단지 방사상으로 안쪽 방향으로만 일어날 수 있다. 받침대로 덮개 2를 갖는 조임쇄 4을 향하여 압출 부분 6을 축방향으로 움직이게 하는 압력이, 유압 장치의 가동화에 의하여 압출 실린더 7에 가해진다. 그러므로, 압축할 수 없는 물체는 단지 관을 향하여 방사상으로 안쪽 방향으로 팽창할 수 밖에 없다. 이러한 내부 접촉 면은 마찰면 4F를 가진다. 또한 외부 접촉면은 가능하게는 덮개 2 내의 대응하는 돌기부(lugs)나 톱니(teeth)와 맞물리는 돌기부나 톱니와 같이 커스텀(custom)이 형성된 마찰면을 가질 수 있다.

도 2A와 2B는 가상의 활성 상태에 있는(관이 없는) 스피너와 토크집게 1을 도시하고 조임쇄 4에서 일어나는 변형을 나타내었다. 고리형 구동 기어 3과 회전식 덮개 2 사이에, 두개의 실린더, 즉 펌핑 실린더(pumping cylinders) 8이 서로 직경으로 반대방향으로 배치되어 있다. 펌핑 실린더 8은 한쪽 끝 부분은 고리형 구동 기어 3에서 지지되고, 반대편 끝 부분은 회전식 덮개 2에서 지지된다. 그러나, 고리형 구동 기어 3과 회전식 덮개 2 사이에서 자유롭게 회전운동을 할 수 있다. 이러한 운동의 자유는 펌핑 실린더 8의 왕복 운동(stroke)에 의해 제한된다. 고리형 구동 기어 3은 유압 모터(도시되지 않음)에 의해 구동되는 구동 기어 9에 의해 회전된다.

회전식 덮개 2 안에 네 개의 실린더 7이 제공되는데, 이들은 압출 실런더(squeeze cylinders)라고 불리며, 압출 부분 6을 하방으로 움직이게 할 수 있고, 차례로 조임쇄 4에 압력을 가한다. 네 개의 압출 실린더 7은 폐쇄 유압 장치 내에서 펌핑 실린더 8과 유압으로 교통한다.

펌핑 실린더 8은 구동 기어 9와 이에 따른 고리형 구동 기어 3을 회전시킴으로써 압축된다. 압출 부분 6과 덮개 2 사이의 마찰은 고리형 구동 기어 3과 덮개 2 사이의 마찰보다 커서 펌핑 실런더 8은 압출 부분 6이 회전에 따라 끌리기 전에 완전히 압축된다. 이는 압출 실린더 7에 펌핑 실린더 8의 압축에 따라 압력이 가해지는 결과를 수반한다. 상기한 바는 도 2A와 도 2B에 도시되었다. 압출 실린더 7의 운동에 의해 차례로 조임쇄 4가 압축되고 더 작은 내부 직경을 갖게 되어 관에압출력을 가하게 된다.

도 3은 두번째 시추관 21의 소켓(socket) 끝에 회전되어 들어갈 시추관 20을 지지하고 있는 스피너와 토크 집게 1을 도시하고 있다. 두번째 시추관은 다음부터 보조 집게(back up tong) 10이라고 호칭될 관을 조이고 고정하는 장치에 의해 유지된다. 도시된 보조 집게 10은 본 발명의 잇점을 갖는 가장 단순한 고안으로 구성된다. 보조 집게 10은 주요 부분 12와 압출 부분 16을 갖는 고정 분할 덮개(stationary divided housing) 15를 포함하는데, 주요 부분 12와 압출 부분 16은 서로를 향하여 파이프 21에 대해 축방향으로 움직일 수 있다. 도시된 실시예에서, 유압 실린더 17에 의해 이동될 수 있는 것은 압출 부분 16이고, 주요 부분 12는 받침대로 작용한다. 조임쇄 14는 압출 부분 16의 가동에 의해 압축되고, 시추관 21을 향해 방사상으로 안쪽 방향으로 압출된다. 조임쇄 14의 방사상의 내부 마찰 면 14F는 시추관 21과 직접적으로 맞물린다. 모든 구성 요소들을 포함하는 보조 집게 10은 파이프에 접근하도록 구획선을 따라 개방될 수 있고, 이어서 시추관 21을 감쌀 수 있도록 폐쇄할 수 있다.

도 4는 시추관 21의 소켓 안으로 시추관 20의 핀 끝이 회전되어 들어가는 상황을 도시하였다. 집게 1, 10은 이러한 회전 투입 과정 동안 서로를 향하여 축 방향으로 움직인다; 보통 스피너와 토크 집게 1이 보조집게 10을 향하여 움직인다. 압출 실린더 17은 압출 실린더 17의 피스톤에 압력을 가하는 집게상의 유압 장치에 의해 가동 된다.

도 5는 이형의 스피너와 집게 1′이 대응하는 케이징 31에 회전 투입되는 20인치 케이징 30에 사용되는 또다른 상황을 도시하였다. 케이징 31은 이형의 보조집게 10′에 의해 고정된다. 스피너와 집게 1′은 케이징에 적용할 수 있는 구성 토크(the make up torques)에 특별히 적합하게 된 공간 배치(configuration)와 힘의 모멘트(a moment of force)를 갖는다.

또한, 도 6은 이형의 스피너와 토크 집게 1″이 대응하는 케이징 41에 회전 투입되는 13 3/8 인치 케이징 40에 사용되는 또다른 상황을 도시하였다. 케이징 41은 또다른 이형의 보조 집게 10″에 의해 고정된다. 스피너와 집게 1″은 이러한 보다 작은 케이징 40에 적용할 수 있는 구성 토크에 특별히 적합하게 된 공간 배치와 힘의 모멘트를 갖는다.

도 7은 조임쇄 4의 실시예를 보여 주고 있으며, 또한 보조 집게 10의 대응 조임쇄 14도 도시하고 있다. 그러나, 여기에서는 스피너와 토크 집게의 조임쇄 4만을 설명하기로 한다. 도시된 조임쇄의 반쪽을 두개 합쳐서 하나의 완전한 조임쇄가 이루어진다. 각각의 요소의 반쪽은 한 지점에서 분절된 방식(articulated way)으로 함께 연결될 수 있으나 관 20, 21; 30, 31; 40, 41으로 접근하고 감쌀 수 있도록 개방될 수 있어야 한다. 설명한 바와 같이, 조임쇄 4, 14는 모두 비압축성 탄성체이다. 상기 요소들에 무게를 가하면, 이들은 변형될 뿐 부피가 변하지는 않을 것이다. 내부 표면 4F는 관과 맞물릴 수 있도록 고안되었다. 외부 표면 4S는 덮개 5, 15 내부에 위치하여 덮개 5, 15의 내부 표면과 마찰에 의한 맞물림을 형성한다.

도 8에 도시한 바와 같이, 조임쇄 4는 겔 G 또는 액체를 포함하는 외부피복(outer jacket)에 의해 구성될 수 있다. 피복 11의 보다 자세한 구성의 한 예가 도 9에 도시되어 있다. 피복 11은 고무 재질의 내부 층 11A, 금속 심 또는 이를 대체하여 발라타 고무(balata)를 박아 강화시킨 층 11B 및 강화 금속 입자와 같은 강화 입자 13을 박아 돌출시킨 외부 마찰 층 11C를 갖는 박층 구조로 도시되어 있다.

조임쇄들 4, 14의 구성과 공간 배치에 많은 이형이 있을 수 있음을 알아야 한다. 그러나, 핵심은 그들이 비압축성 탄성체라는 것이다. 또한, 예를 들어 요소들은 덮개 5를 받치고 있는 외부 조임 면 내에 또는 이를 대체하여 요소의 전체 외부 표면에 박힌 입자 13을 가질 수 있다. 또한, 극단적인 상황에서는 예를 들어 덮개 5의 내부에 돌기부나 톱니를 제공하고 조임쇄 4, 14의 방사상의 외부 표면 4S에 대응하는 톱니를 제공하여, 더욱 마찰을 증가시키는 것이 필요할 수 있다.

본 발명의 파워 집게은 스피너 집게과 토크 집게이 하나의 단위로 결합되고 집게의 요소들이 쉽게 교체될 수 있어서 케이징이 같은 기계로 투입될 수 있는 매우 새로운 집게의 개념을 도입한다.

본 발명에 따라서 관을 조이고 고정시키기 위한 장치와 본 발명이 도입한 상기 종류의 조립식 스피너와 토크 집게이 제공되며, 이 장치는 적어도 하나의 조임쇄가 형태의 변화에 노출되고 탄성이 있고 압축이 불가능한 물체(resilient incompressible body)이고 적어도 하나의 조임쇄가 관(tubular)과 직접적인 맞물림을 위한 방사상의 마찰 형성 내부 면(friction forming radially inner surface)을가지고 있다는 점에서 우수하다.

Claims (10)

1. 적어도 하나의 조임쇄(gripping element)(14)가 변형에 노출되는 비압축성 탄성체(resilient incompressible body)이고, 적어도 하나의 조임쇄(14)가 관(21)과 직접적으로 맞물리기 위해 마찰 형성 내부 곡면(14F)을 갖는 것임을 특징으로 하는, 조임을 풀어 주는 수단을 포함하면서 관(21)을 향해 접근하여 감싸주는 조립식 덮개(15)을 포함하고, 상기 덮개(15)가 적어도 하나의 조임쇄(14)를 내장하며, 적어도 하나의 조임쇄(14)가 관(21)을 강한 힘으로 조일 수 있도록 작동하는, 관(21)을 조이고 고정하기 위한 장치(10).
2. 적어도 하나의 조임쇄(4)가 변형에 노출되는 비압축성 탄성체이고, 적어도 하나의 조임쇄(4)가 관(20)과 직접적으로 맞물리기 위해 마찰을 형성하는 내부 곡면(4F)을 갖는 것을 특징으로 하는, 구동 모터(driving motor)와 연결된 구동 기어(drive gear)를 갖는 외부 고정 덮개(outer stationary housing), 구동 기어와 맞물려 있는 고리형 구동 기어(driven ring gear)를 갖는 회전식 내부 덮개(inner rotatable housing) 및 관(20)을 조이기 위한 적어도 하나의 조임쇄(4)를 포함하고, 내부 덮개(2)가 내부적으로 적어도 하나의 조임쇄(4)를 가동시킬 수 있는 기계 장치 또는 유압 장치(mechanical or hydraulic system)(8)를 갖는 회전 지지및 관 접속부(22, 23) 형성용 조립식 스피너와 토크 집게(1).
3. 제1항 또는 제2항의 장치에 있어서, 덮개(5;15)가 서로에 대하여 이동 가능하고 적어도 하나의 비압축성 탄성체(4;14)에 힘을 가하여 상기 탄성체(4;14)가 실질적으로는 방사상의 내부 방향으로(radially inward main direction) 팽창하도록 변형시키는 두개의 주요 구성 요소(main components)(2;12 및 6;16)에 의해 구성되는 것임을 특징으로 하는 장치.
4. 제 1항, 제2항 또는 제3항의 장치에 있어서, 적어도 하나의 비압축성 탄성체(4;14)가 겔 또는 액체상 부분(liquid volume)을 포함하는 고무 엘라스토머의 재질(rubber elastomeric material)을 포함하는 것임을 특징으로 하는 장치.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 장치에 있어서, 비압축성 탄성체(4;14)가 금속으로 덮는 것(steel armoured)처럼 강화된 것임을 특징으로 하는 장치.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 장치에 있어서, 마찰 형성면(4F;14F)이, 바람직하게는 엘라스토머 재질을 가교시키는 강화 금속인 강화 입자(13)를 포함하는 것임을 특징으로 하는 장치.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 장치에 있어서, 비압축성 탄성체가 고무 재질의 내부 층(11A), 내재된 보강 층(11B) 및 외부 마찰 층(11B)를 포함하는 적층 구조로 이루어진 외부 피복(11)을 포함하는 것임을 특징으로 하는 장치.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 장치에 있어서, 덮개(5;15)의 하나의 주요 구성 요소(6;16)가, 두번째 주요 구성 요소(2;12)쪽으로 관(20;21)의 축방향으로 움직일 수 있고, 적어도 비압축성 탄성체(4;14)에 압출력을 가하여 내부를 향한 방사상으로 탄성체의 변형을 일으키게 하는 것임을 특징으로 하는 장치.
9. 제8항의 장치에 있어서, 유압 실린더(7;17)가, 상기 축방향의 운동을 수행하고 덮개(5;15)의 주요 구성 요소들(2;12 및 6;16) 사이에서 압출력을 가하는 것을 특징으로 하는 장치.
10. 제2항 내지 제9항 중 어느 한 항의 장치에 있어서, 적어도 하나의 비압축성 탄성체(4)가 스피너와 토크 집게(1)의 회전에 의해 작동되는 내부 유압 장치(8)에 의하여, 스피너와 토크 집게(1)을 위해 가동되는 것임을 특징으로 하는 장치.