NO344505B1 - Drivenhet for rørstreng - Google Patents

Description

DRIVENHET FOR RØRSTRENG

Oppfinnelsen vedrører en toppdrevet boremaskin som omfatter et primærstyresystem, et primærdrivverk, en drivaksel forsynt med et gjennomgående senterløp innrettet til å kunne romme et parti av en rørstreng, er dreibart opplagret i ei boremaskinramme og er roterbar ved hjelp av primærdrivverket, samt et sekundærdrivverk.

Ved etablering av borehull i undergrunnen, for eksempel ved lete- eller produksjonsboring for utvinning av hydrokarboner, benyttes det i stor grad såkalte toppdrevne boremaskiner, dvs. boremaskiner som henger i et tårn over et boredekk og med sin nedoverragende drivaksel koples til et øvre endeparti av en rørstreng for å rotere rørstrengen. Særlig ved demontering, dvs. oppbrekking, av rørstrengen, er det som regel nødvendig å benytte krafttang og motholdstang anordnet under den toppdrevne boremaskinen, typisk anordnet ved boredekket, fordi en ved reversering av den toppdrevne boremaskinen ikke har kontroll over om det er en gjengeforbindelse mellom rørstrengen og en rørseksjon som skal fjernes fra rørstrengen som brekkes opp, eller om det er gjengeforbindelsen mellom rørstrengen og den toppdrevne boremaskinen som skrues opp. Selv om en toppdrevet boremaskin kan tilveiebringe tilstrekkelig stort dreiemoment til både å skru sammen en rørskjøt og å brekke den opp, vil det likevel måtte benyttes en egen krafttang til å foreta en kontrollert oppbrekking av rørskjøten.

Fra US 6412576B1 er det kjent en toppdrevet boremaskin som omfatter en drivaksel forsynt med et gjennomgående senterløp innrettet til å kunne romme et parti av en rørstreng, idet drivakselen er dreibart opplagret i ei ramme og er tilkoplet et primærdrivverk.

Oppfinnelsen har til formål å avhjelpe eller å redusere i det minste én av ulempene ved kjent teknikk, eller i det minste å skaffe til veie et nyttig alternativ til kjent teknikk.

Formålet oppnås ved trekkene som er angitt i nedenstående beskrivelse og i de etterfølgende patentkravene.

Oppfinnelsen tilveiebringer en toppdrevet boremaskin forsynt med en hul drivaksel opplagret i ei boremaskinramme. Et gjennomgående senterløp i drivakselen kan romme et parti av en rørseksjon som skal sammenføyes med en rørstreng ved sammenskruing av en rørskjøt, eller et øvre parti av rørstrengen som skal brekkes opp ved at en spesifikk rørskjøt skal skrues opp. For å holde rørseksjonen eller rørstrengen i et fast grep under sammenskruing eller oppbrekking, er drivakselen forsynt med ei tang som roterer sammen med drivakselen. Tanga omfatter et sett aksielt forskyvbare klembakker som typisk er tilkoplet én eller flere hydrauliske eller elektriske aktuatorer som er innrettet til å forskyve klembakkene mellom en tilbaketrukket, inaktiv stilling og en innskjøvet, aktiv stilling i anlegg mot rørseksjonen eller rørstrengens periferi.

Boremaskinen kan også være forsynt med et kilebelte anordnet under drivakselen, innrettet til å henge av rørstrengen i boremaskinen i visse operasjoner under sammenskruing eller oppbrekking av rørstrengen, idet kilebeltet er utformet til å kunne ligge støttende an mot underkant av et utvidet rørskjøtparti i et øvre endeparti av en rørseksjon.

I tillegg til et i og for seg kjent primærdrivverk for en toppdrevet boremaskin, typisk i form av én eller flere første, reverserbare motorer som tilveiebringer rotasjon av drivakselen, er boremaskinen på i og for seg kjent vis tilknyttet systemer for vertikal forskyvning av boremaskinen i et boretårn.

Boremaskinen omfatter et sekundærdrivverk for betjening av tangas og det valgfrie kilebeltets holdefunksjoner samt generering av elektrisk energi for betjening av ventiler etc. I en foretrukket utførelse er sekundærdrivverket tildannet med et hydraulikkanlegg samt et elektrisk anlegg anordnet på et fundament som er fastgjort til drivakselen og roterer med drivakselen. Ei eller flere hydrauliske pumper som inngår i hydraulikkanlegget, og én eller flere elektriske generatorer som inngår i et elektrisk anlegg, står via respektive pumpedrivaksler og generatordrivaksler i inngrep med et tannhjul som er dreibart opplagret på drivakselen og er tilknyttet en andre, reverserbar motor som er fastgjort i boremaskinramma og er innrettet til å kunne tilveiebringe en rotasjon av tannhjulet uavhengig av drivakselens og drivenhetens rotasjon. Ved en hastighetsforskjell mellom drivenheten og tannhjulet vil det genereres en rotasjon av pumpedrivakslene og generatordrivakslene slik at pumpene leverer trykkfluid til hydrauliske aktuatorer i kilebeltet og tanga, og generatorene produserer elektrisk strøm til betjening av hydraulikkventiler etc. samt strøm til andre styre- og kommunikasjonssystemer og eventuelt til lading av akkumulatorer. Det vil dermed kunne leveres trykkfluid og elektrisk strøm både når drivakselen roterer, uavhengig av hvilken rotasjonsretning drivakselen har, og når den står stille.

Hydraulikkanlegget omfatter et trykkfluidreservoar. Trykkfluidreservoar er i en foretrukket utførelse anordnet under fundamentet og roterer sammen med drivakselen. I en alternativ utførelse er trykkfluidreservoaret anordnet stasjonært i tilknytning til boremaskinramma.

Et midtre parti av drivakselen er fortrinnsvis forsynt med trykkfluidledninger anordnet som aksielle utsparinger i drivakselveggen. Dette er særlig fordelaktig der hvor trykkfluidledningene passerer opplagringer for drivakselen i boremaskinramma og opplagringer for tannhjulet på drivakselen, typisk for trykkfluidkommunikasjon mellom drivenheten og kilebeltet. Tilsvarende kan drivakselen være forsynt med aksielle utsparinger for elektriske ledninger, signalledninger, etc. Dersom trykkfluidreservoaret er anordnet stasjonært i tilknytning til boremaskinramma, er trykkfluidreservoaret forbundet med hydraulikkanlegget på drivakselen via trykkfluidledninger i form av ytterligere aksielle utsparinger i drivakselveggen samt én eller flere svivler eller tilsvarende i overgangen mellom den roterbare drivakselen og det stasjonære trykkfluidreservoaret.

Hydraulikkanlegget kan være forsynt med minst ei matepumpe som forsyner ei eller flere høytrykkspumper med fluid fra trykkfluidreservoaret. Særlig ved den alternative, stasjonære utførelsen av trykkfluidreservoaret er det gunstig om det anvendes ei eller flere lavtrykks matepumper anordnet ved eller i trykkfluidreservoaret for å unngå bruk av høytrykkssvivler i overgangen til drivakselen.

Kilebeltet og tanga kan være tilkoplet hver sin høytrykkspumpe for å unngå at betjeningen av kilebeltets aktuator(er) påvirker funksjonen til tangas aktuator(er).

Sekundærdrivverket omfatter fortrinnsvis et styresystem tilknyttet det hydrauliske anlegget og innrettet til trådløs kommunikasjon i det minste med et primærstyresystem for boremaskinen. Styresystemet forsynes med elektrisk energi fra det elektriske anlegget i sekundærdrivverket.

Tanga er fortrinnsvis forsynt med en sjokkabsorberer som ved sjokkbelastning tillater tanga å dreies en sektor i forhold til drivakselen. I en foretrukket utførelse er sjokkabsorbereren tildannet som en kurveformet hydraulisk sylinder tilknyttet det hydrauliske anlegget via en sikkerhetsventil.

Oppfinnelsen er definert av det selvstendige patentkravet. De uselvstendige kravene definerer fordelaktige utførelser av oppfinnelsen.

Oppfinnelsen vedrører mer spesifikt en toppdrevet boremaskin som omfatter et primærstyresystem; et primærdrivverk; en drivaksel forsynt med et gjennomgående senterløp innrettet til å kunne romme et parti av en rørstreng, er dreibart opplagret i ei boremaskinramme og er roterbar ved hjelp av primærdrivverket; og et sekundærdrivverk; kjennetegnet ved at sekundærdrivverket omfatter et fundament som er dreiestivt fastgjort på drivakselen, et tannhjul som er dreibart opplagret på drivakselen, i det minste ett av et hydraulikkanlegg som omfatter minst ei hydraulikkpumpe som er fastgjort på fundamentet og er i inngrep med tannhjulet, og et elektrisk anlegg som omfatter minst én elektrisk generator som er fastgjort på fundamentet og er i inngrep med tannhjulet, og tannhjulet er i inngrep med en motor som er fastgjort i boremaskinramma; og ei tang som er innrettet til å kunne holde en seksjon av rørstrengen i et fast grep, er fastgjort i fundamentet via en aksialglideforbindelse, omkranser senterløpet og er forsynt med én eller flere aktuatorer som er tilknyttet hydraulikkanlegget eller det elektriske anlegget.

Hydraulikkanlegget kan omfatte et trykkfluidreservoar som er fastgjort på drivakselen. Fordelen med det er at forsyningen av hydraulikkfluid kan skje gjennom permanente forbindelser uten svivelforbindelser og lignende. Trykkfluidledninger kan dermed være anordnet i eller som aksiale utsparinger i et midtre parti av drivakselen.

Hydraulikkanlegget kan være forsynt med minst to seriekoplede hydraulikkpumper, idet ei første hydraulikkpumpe er ei sugepumpe anordnet oppstrøms ei andre hydraulikkpumpe. En fordel med dette er at hydraulikkanlegget tilveiebringer en sikrere tilførsel av trykkfluid til forbrukerne tilknyttet drivakselen.

Sekundærdrivverket kan omfatte et sekundærstyresystem innrettet til trådløs kommunikasjon med primærstyresystemet.

Det elektriske anlegget kan omfatte minst én akkumulator. Dette sikrer strømtilførsel i det minste til sekundærstyresystemet ved svikt i den elektriske generatorens funksjon.

Tanga kan være forbundet med fundamentet dreibar om drivakselen i en sektor som er begrenset av en sjokkabsorberer som er anordnet mellom tanga og fundamentet. En fordel med dette er at rørstrengens gjengepartier og boremaskinen ikke påføres sjokkbelastninger ved brå endringer i hastighetsforholdet mellom rørstrengen og en rørseksjon når for eksempel en gjengeforbindelse bunner under sammenføyning av rørstrengen og en ny rørseksjon.

Sjokkabsorbereren kan være tildannet som en hydraulisk sylinder som er tilknyttet hydraulikkanlegget via en regulerbar sikkerhetsventil. Den hydrauliske sylinderen kan være en enkeltvirkende, bueformet hydrauliske sylinder. Dette er plassparende og gir lett justering av sjokkabsorbererens utløsingsnivå

Tanga kan være aksielt forskyvbar i forhold til fundamentet. Dermed kan tanga følge en rørseksjons aksielle forskyvning under sammenføyning eller adskillelse av en gjengeforbindelse i rørstrengen uten at boremaskinens posisjon må justeres.

Et kilebelte kan være dreiestivt fastgjort i et endeparti av drivakselen og være forsynt med én eller flere kilebelteaktuatorer som er tilknyttet sekundærdrivverkets hydraulikkanlegg eller elektriske anlegg. Boremaskinen kan dermed holde rørstrengen eller en rørseksjon uavhengig av tilknyttet hjelpeverktøys funksjon og status.

I det etterfølgende beskrives et eksempel på en foretrukket utførelsesform som er anskueliggjort på medfølgende tegninger, hvor:

Fig. 1 viser et skjematisk sideriss av en toppdrevet boremaskin ifølge oppfinnelsen, hvor en rørstreng er vist med stiplet strek i en sammenskruingsfase;

Fig. 2 viser i mindre målestokk et skjematisk sideriss tilsvarende figur 1, men hvor ei tang er vist i en øvre posisjon i en innledende fase av sammenskruingen av rørseksjonen og rørstrengen;

Fig. 3 viser et skjematisk sideriss tilsvarende figur 2, men hvor et trykkfluidreservoar er stasjonært anordnet på ei boremaskinramme;

Fig. 4 viser et frontriss av boremaskinen;

Fig. 5 viser et sideriss av boremaskinen;

Fig. 6 viser boremaskinen sett ovenfra; og

Fig. 7 viser i utsnitt og i større målestokk et snitt VII-VII angitt i figur 5.

Det henvises først særlig til figur 1, hvor henvisningstallet 1 angir en toppdrevet boremaskin forsynt med ei boremaskinramme 2 og et primærdrivverk 3 for drift av en drivaksel 32. To første motorer 31 er fastgjort i boremaskinramma 2 og står via drivakseldrev 34 i inngrep med drivakselen 32 for å kunne påføre drivakselen 32 et dreiemoment. Drivakselen 32 er forsynt med drivakselopplagringer 33 av i og for seg kjent art for overføring av radielle og aksielle belastninger mellom boremaskinramma 2 og drivakselen 32. Drivakselen 32 er forsynt med et gjennomgående senterløp 35 som kan romme et parti av en rørstreng 8, typisk en borestreng, på figur 1 indikert med stiplet strek for oversiktens skyld. Et første, øvre drivakselendeparti 321 er forsynt med ei tang 5 innrettet til å holde en rørseksjon 81 eller rørstrengen 8 i et fast grep ved hjelp av flere klembakker 51 som er radielt forskyvbare inn i drivakselens 32 senterløp ved hjelp av aktuatorer 52. Et andre, nedre drivakselendeparti 322 er forsynt med et kilebelte 6 som er innrettet til på i og for seg kjent vis å kunne holde rørstrengen 8 i det minste ved kilers 61 anlegg mot et brystningsparti 822 på ei gjengemuffe 821 i et endeparti av en rørseksjon eller rør 81. Kiler 61 er på i og for seg kjent vis forskyvbare ved hjelp av en kilebelteaktuator 62.

Et sekundærdrivverk 4 er tilknyttet drivakselen 32. Sekundærdrivverket 4 er i det vesentlige anordnet på et fundament 41 som er dreiestivt fastgjort til og omkranser et midtre drivakselparti 323. Et tannhjul 44 er ved hjelp av en tannhjulsopplagring 443 dreibart opplagret på det midtre drivakselpartiet 323 i umiddelbar nærhet av fundamentet 41. En første fortanning 441 står via tannhjulsdrev 444 i inngrep med drivakselen på en andre motor 45 som er fastgjort i boremaskinramma 2.

Et hydraulikkanlegg 42 er anordnet på fundamentet 41 eller i tilknytning til dette. Hydraulikkanlegget 42 omfatter minst ei hydraulikkpumpe 421, typisk minst ei matepumpe og minst ei høytrykkspumpe, på figur 1 bare vist som ei pumpe. Hydraulikkpumpa 421 står i rotasjonsmessig inngrep med en andre fortanning 442 på tannhjulet 44. Et trykkfluidreservoar 422 er fastgjort på drivakselen 32 under fundamentet 41.

Et sett av retningsventiler 423 er tilkoplet tangas 5 aktuatorer 52 og kilebelteaktuatoren 61 via trykkfluidledninger 424 som delvis strekker seg gjennom aksielle utsparinger i det midtre drivakselpartiets 323 rørvegg. Alternativt (ikke vist) kan den ene eller begge av tangas 5 og kilebeltets 6 aktuatorer 52, 61 være elektrisk betjente med energiforsyning fra det elektriske anlegget 43. I begge tilfeller styres aktuatorenes 52, 61 bevegelse via et sekundærstyresystem 432.

I en alternativ utførelsesform ifølge figur 3 er trykkfluidreservoaret anordnet stasjonært og i tilknytning til boremaskinramma 2 og er angitt med henvisningstallet 21. Via én eller flere svivler 22 og trykkfluidledninger 424 som delvis strekker seg gjennom aksielle utsparinger i det midtre drivakselpartiets 323 rørvegg, er trykkfluidreservoaret 21 tilknyttet hydraulikkanleggets 42 øvrige elementer.

Tanga 5 er forbundet med fundamentet 41 via en sjokkabsorberer 53 som trer i funksjon når det under sammenskruing eller oppbrekking av nevnte rørstreng 8 oppstår brå dreiemomentstigninger for eksempel på grunn av at rørstrengskjøtenes gjengepartier 82 bunner. Ved at tanga 5 er dreibar i forhold til fundamentet 41, vil slik dreiemomentstigning føre til at sjokkabsorbereren 53 gir etter og reduserer sjokkbelastningen på boremaskinen 1 og rørstrengen 8. I en utførelse (se figur 7) er sjokkabsorbereren 53 tildannet som en kurveformet, enkeltvirkende hydraulisk sylinder 531 som er tilknyttet hydraulikkanlegget 42 via en sikkerhetsventil 532. Sikkerhetsventilens 532 utløsingstrykk kan reguleres for å tilpasse sjokkabsorbererens 53 «hardhet», dvs. dreiemomentgrenseverdien for når sjokkabsorbereren 53 løser ut. Tanga 5 kan være forsynt med to motsatt virkende sjokkabsorberere 53 for å kunne absorbere sjokkbelastninger både ved normal rotasjonsretning og ved reversering av drivakselen for f.eks. oppbrekking av en rørskjøt. Sjokkabsorbereren 53 har typisk en arbeidssektor på ca.180°.

For å tillate tanga 5 å forskyves vertikalt sammen med den rørseksjonen 81 som skal sammenføyes med eller adskilles fra rørstrengen 8, er tanga 5 forbundet med fundamentet 41 via en aksialglideforbindelse 54. Figur 2 viser tanga forskjøvet til en øvre posisjon i en innledende fase av sammenkoplingen av en rørseksjon 81 og rørstrengen 8.

Ved rotasjon av drivakselen 32 mens tannhjulet 44 står stille eller roterer med et turtall som avviker fra drivakselens 32 turtall, vil hydraulikkpumpa 421 og den elektriske generatoren 431 settes i rotasjon slik at hydraulikkanlegget 42 kan levere trykkfluid til aktuatorene 52, 61 og det elektriske anlegget 43 kan forsyne forbrukere, for eksempel retningsventilsettets 423 elektromagneter og sekundærstyresystemet 432, med elektrisk energi, eventuelt lade akkumulatoren 434.

Ved at boremaskinen 1 kan forskyves til en hvilken som helst posisjon langs det partiet av rørstrengen som rager opp over for eksempel et boredekk (ikke vist) eller oppgjennom drivakselen på en tilsvarende, andre boremaskin anordnet under boremaskinen1, kan tanga 5 gripe tak i ønsket posisjon på rørstrengen 8 eller rørseksjonen 81 og dermed påføre dreiemoment til et spesifikt gjengeparti ved sammenskruing eller oppbrekking av rørstrengen 8. Dette utvider anvendelsen av toppdrevne boremaskiner i forhold til dagens teknikk, hvor reversering av boremaskinen gir en ukontrollert oppbrekking av rørskjøtene, ja, til og med oppbrekking av forbindelsen mellom boremaskinens drivaksel og rørstrengen, idet dreiemomentet fra toppdrevne boremaskiner ifølge kjent teknikk overføres gjennom flere gjengepartier helt fra boremaskinens tilkopling til rørstrengen og til rørskjøten over ei separat motholdstang som hindrer rørstrengen i å rotere.

Det bør bemerkes at alle de ovennevnte utførelsesformene illustrerer oppfinnelsen, men begrenser den ikke, og fagpersoner på området vil kunne utforme mange alternative utførelsesformer uten å avvike fra omfanget av de vedlagte kravene. I kravene skal referansenumre i parentes ikke sees som begrensende.

Bruken av verbet «å omfatte» og dets ulike former ekskluderer ikke tilstedeværelsen av elementer eller trinn som ikke er nevnt i kravene. De ubestemte artiklene «en», «ei» eller «et» foran et element ekskluderer ikke tilstedeværelsen av flere slike elementer.

Det faktumet at enkelte trekk er anført i innbyrdes forskjellige avhengige krav, indikerer ikke at en kombinasjon av disse trekkene ikke med fordel kan brukes.

Claims (12)

Patentkrav

1. Toppdrevet boremaskin (1) som omfatter

et primærstyresystem (7);

et primærdrivverk (3);

en drivaksel (32) forsynt med et gjennomgående senterløp (33) innrettet til å kunne romme et parti av en rørstreng (8), er dreibart opplagret i ei boremaskinramme (2) og er roterbar ved hjelp av primærdrivverket (3); og

et sekundærdrivverk (4);

k a r a k t e r i s e r t v e d at

sekundærdrivverket (4) omfatter

et fundament (41) som er dreiestivt fastgjort på drivakselen (32),

et tannhjul (44) som er dreibart opplagret på drivakselen (32), i det minst ett av et hydraulikkanlegg (42) som omfatter minst ei hydraulikkpumpe (421) som er fastgjort på fundamentet (41) og er i inngrep med tannhjulet (44), og et elektrisk anlegg (43) som omfatter minst én elektrisk generator (431) som er fastgjort på fundamentet (41) og er i inngrep med tannhjulet (44), og

tannhjulet (44) er i inngrep med en motor (45) som er fastgjort i boremaskinramma (2); og

ei tang (5) som er innrettet til å kunne holde en seksjon (81) av rørstrengen (8) i et fast grep, er fastgjort i fundamentet (41) via en aksialglideforbindelse (54), omkranser senterløpet (33) og er forsynt med én eller flere aktuatorer (52) som er tilknyttet hydraulikkanlegget (42) eller det elektriske anlegget (43).

2. Boremaskinen (1) i henhold til krav 1, hvor hydraulikkanlegget (42) omfatter et trykkfluidreservoar (422) som er fastgjort på drivakselen (32).

3. Boremaskinen (1) i henhold til krav 1, hvor hydraulikkanlegget (42) omfatter et trykkfluidreservoar (21) som er fastgjort i boremaskinramma (2).

4. Boremaskinen (1) i henhold til krav 1, hvor hydraulikkanlegget (42) omfatter et trykkfluidreservoar (422) som er fastgjort på drivakselen (32), og flere trykkfluidledninger (424) anordnet i eller som aksiale utsparinger i et midtre parti (323) av drivakselen (32).

5. Boremaskinen (1) i henhold til krav 1, hvor hydraulikkanlegget (42) er forsynt med minst to seriekoplede hydraulikkpumper (421, 421a), idet ei første hydraulikkpumpe (421a) er ei sugepumpe anordnet oppstrøms ei andre hydraulikkpumpe (421).

6. Boremaskinen (1) i henhold til krav 1, hvor sekundærdrivverket (4) omfatter et sekundærstyresystem (432) innrettet til trådløs kommunikasjon med primærstyresystemet (7).

7. Boremaskinen (1) i henhold til krav 1, hvor det elektriske anlegget (43) omfatter minst én akkumulator (434).

8. Boremaskinen (1) i henhold til krav 1, hvor tanga (5) er forbundet med fundamentet (41) dreibar om drivakselen (32) i en sektor som er begrenset av en sjokkabsorberer (53) som er anordnet mellom tanga (5) og fundamentet (41).

9. Boremaskinen (1) i henhold til krav 8, hvor sjokkabsorbereren (53) er tildannet som en hydraulisk sylinder (531) som er tilknyttet hydraulikkanlegget (42) via en regulerbar sikkerhetsventil (532).

10. Boremaskinen (1) i henhold til krav 9, hvor den hydrauliske sylinderen (531) er en enkeltvirkende, bueformet hydrauliske sylinder.

11. Boremaskinen (1) i henhold til krav 1, hvor tanga (5) er aksielt forskyvbar i forhold til fundamentet (41).

12. Boremaskinen (1) i henhold til krav 1, hvor et kilebelte (6) er dreiestivt fastgjort i et endeparti (322) av drivakselen (32) og er forsynt med én eller flere kilebelteaktuatorer (62) som er tilknyttet sekundærdrivverkets (4) hydraulikkanlegg (42) eller elektriske anlegg (43).