DE4412776C1 - Verwendung einer Vorrichtung zum Anklemmen des Bohrgestänges eines Bohrwerkzeugs für Bohrungen zur Erschließung von Erdöllagerstätten an eine Antriebseinrichtung für das Bohrwerkzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung einer Vorrichtung zum Anklemmen des Bohrgestänges eines Bohr­ werkzeugs an eine Antriebseinrichtung für das Bohrwerkzeug gemäß der dem Anspruch 1 entsprechenden Art bei der Her­ stellung oder Überarbeitung von Bohrungen, die der Er­ schließung von Eröllagerstätten dienen.

Der Herstellung derartiger Bohrungen dienen traditio­ nell Bohrvorrichtungen, bei denen der Bohrstrang, welcher im allgemeinen aus einem dessen vorderes Ende bildenden Bohrwerkzeug besteht, an welches sich nach oben eine das Bohrwerkzeug vortreibende Schwerstange anschließt, von der aus sich wiederum nach oben ein verschraubbares Bohrge­ stänge erstreckt. Außerhalb der Bohrung setzt sich der Bohrstrang in einer Mitnehmerstange, der sogenannten Kel­ lystange fort, deren oberes Ende in einem Bohrhaken dreh­ bar gelagert ist. Der Bohrhaken ist üblicherweise an einem Flaschenzugblock befestigt, der mittels eines über die Krone des Bohrmastes mehrfach umgelenkten Seils getragen wird. Der Vortrieb des Bohrwerkzeugs in der Bohrung er­ folgt durch Nachlassen des Seiles.

Dem Antrieb eines derartigen Bohrstranges dient ein in Bodennähe angeordneter Drehtisch. Der Drehtisch umfaßt eine Mitnehmeröffnung, die einen mehreckigen - meist qua­ dratischen - Querschnitt aufweist. Durch die Mitnehmeröff­ nung erstreckt sich die einen entsprechenden Querschnitt aufweisende Kellystange, wobei die Abmessungen ihres Quer­ schnitts gerade so gewählt sind, daß sie in der Mitnehmer­ öffnung axial verschiebbar ist. Beim Tiefergehen des Bohr­ stranges kann die Kellystange daher in der Mitnehmeröff­ nung hinabgleiten.

Wie aus der obigen Darstellung unmittelbar ersicht­ lich ist, entspricht die maximale Länge, die eine Bohrung kontinuierlich vorangetrieben werden kann, der Länge der Kellystange. Ist deren oberes Ende im Bereich des Dreh­ tisches angelangt, so muß die Bohrung unterbrochen werden, um einen neuen Bohrgestängeteil, dessen Länge etwa der Länge der Kellystange entspricht, nachzusetzen. Der Halte­ rung des Bohrgestänges während des Nachsetzens dient eine unterhalb des Drehtisches angeordnete Spannvorrichtung - die sogenannte Abfangvorrichtung - welche üblicherweise eine manuell betätigbare Spannzange umfaßt, die zur Auf­ nahme der Gewichtskraft des Erdbohrstranges geeignet ist. Dabei ist die Spannzange derart konzipiert, daß Kräfte, die entgegen der Gewichtskraft nach oben wirken, zu einem Lösen der Spannzange führen, da bei einer derartigen tra­ ditionellen Bohrvorrichtung eine nach oben gerichtet Bewe­ gung des Bohrstranges lediglich zum Lockern des Seiles führen würde, wodurch dieses leicht aus seinen Führungen springen könnte. Es ist mit anderen Worten bei einer der­ artigen traditionellen Bohranlage nicht möglich, beim Tiefgehen des Bohrstranges auf diesen einen aktiven Vor­ schub durch zusätzlichen, in Bohrungsrichtung gerichteten Druck auszuüben. Auch ist es bei einer derartigen, konven­ tionellen Bohranlage mit einem Drehtisch als Antrieb für das Bohrgestänge nachteilig, daß die maximale Länge der Kellystange wegen des von ihr auf das Bohrgestänge zu übertragenden Drehmoments begrenzt ist und die Bohrturmhö­ he nicht vollständig für einen kontinuierlich gefahrenen Bohrvorschub - einem sogenannten Schuß - genutzt werden kann.

Seit etwa zehn Jahren sind daher Bohranlagen in Be­ trieb, bei denen der Antrieb direkt mit dem oberen Ende des Bohrgestänges verbunden ist und im Bohrmast in Rich­ tung der Achse des Bohrgestänges verlagert werden kann. Bei diesem sogenannten Kraftdrehkopfbetrieb wird das Dreh­ moment von in dem Bohrmast integrierten Schienen aufgenom­ men, mit welchen der feststehende Teil des Antriebs zu­ sammenwirkt.

Durch diese Anordnung des Antriebs, durch die - wie bereits erläutert - keine Kellystange mehr benötigt wird, kann die gesamte Bohrmasthöhe für einen Schuß ausgenutzt werden, bevor ein weiterer Bohrgestängeteil nachgesetzt werden muß.

Üblicherweise wird ein derartiger Antrieb bei Bohr­ anlagen eingesetzt, bei denen der Bohrstrang nicht wie bei der beschriebenen traditionellen Bohranlage von einem Seil getragen wird, sondern der Kraftdrehkopf direkt mit einem hydraulischen Andruckzylinder verbunden ist, über den zum Niederbringen des Bohrstranges zusätzlich Druck auf das Bohrgestänge ausgeübt werden kann. Dabei ist der maximal ausübbare Druck selbstverständlich durch das Eigengewicht der Bohranlage begrenzt, sofern diese nicht fest im Boden verankert ist.

Da durch Verwendung des hydraulischen Vorschubsystems nur Betriebszustände auftreten, bei denen der Bohrstrang keine Zugbelastung auf seine obere Halterung ausübt, son­ der der Bohrstrang gegen die Halterung drückt, muß dafür Sorge getragen werden, daß die Druckbelastung nicht zu einem Lösen des Bohrstranges führt. Da die bekannten Ab­ fangvorrichtungen Kräfte nur in einer Richtung des Bohr­ gestänges aufnehmen können, finden bei Bohranlagen mit hydraulischem Vorschubsystem zwei Abfangvorrichtungen bekannter Bauart Verwendung, die jedoch derart angeordnet sind, daß sie in entgegengesetzter Richtung wirksam sind.

Bei einem derartigen Antrieb befindet sich üblicher­ weise zusätzlich eine untere Abfangvorrichtung feststehend in Bodennähe und entspricht in ihrer Wirkungsweise derje­ nigen, die bei der konventionellen Bohranlage oberhalb des Drehtisches angeordnet sein kann.

Nachteilig ist bei einer derartigen Bohranlage mit Kraftdrehkopf und hydraulischem Vorschubsystem, daß sich der konstruktive Aufwand durch den Einbau zweier Abfang­ vorrichtungen - neben der unteren Abfangvorrichtung - erhöht und daß von dem Bedienpersonal beim Nachsetzen eines Bohrgestängeteils nunmehr zwei Abfangvorrichtungen betätigt werden müssen, wodurch sich die Ausfallzeiten der Bohranlage verlängern, zusätzliche Arbeitskraft benötigt wird und das Bedienpersonal einem erhöhte Verletzungsrisi­ ko ausgesetzt wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine vorbeschriebene Bohranlage mit Kraftdrehkopf hinsichtlich dieser Nachteile zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 wiederge­ gebene Erfindung, bei der eine Abfangvorrichtung mit einem externen Antrieb zum Öffnen und Schließen, die Kräfte in beiden Längsrichtungen des Bohrgestänges aufnehmen kann, zum Anklemmen des Bohrgestänges eines Bohrwerkzeugs an eine als Kraftdrehkopfausgebildete Antriebseinrichtung für das Bohrwerkzeug nachgeschaltet ist, gelöst.

Dadurch, daß die Anfangsvorrichtung ein hydraulisch betätigbares Spannfutter aufweist, welches mindestens zwei einander gegenüberliegende, etwa senkrecht zur Bohrgestän­ geachse verlagerbare Spannglieder umfaßt, welche im akti­ vierten Zustand der Spannvorrichtung das obere Ende des Bohrgestänges zwischen sich einspannen, kann die Abfang­ vorrichtung über einen externen Hydraulikantrieb geöffnet und geschlossen werden. Wesentlich für die Funktionssi­ cherheit der Vorrichtung ist es, daß diese einen Halter für die Spannglieder aufweist, der diese in Richtung der Bohrgestängeachse fixiert. Durch diese Maßnahme wird ge­ währleistet, daß auch in axialer Richtung des Bohrstranges nach oben gerichtete Kräfte, die z. B. - wie bereits erläu­ tert - durch das hydraulische Vorschubsystem oder durch einen in der Bohrung herrschenden Öldruck hervorgerufen werden können, nicht zu einem Lösen der Spannvorrichtung führen kann.

Die prinzipielle Wirkungsweise derartiger Abfangvor­ richtungen ist zwar aus dem Wasserbau bereits bekannt. Eine technische Verwandtschaft zu entsprechenden Vorrich­ tungen, die bei der Herstellung von Ölbohrungen Verwendung finden, besteht nicht, da einerseits Ölbohrungen eine im Bereich einer Größenordnung größere Tiefe erreichen, ande­ rerseits beim Wasserbau derartige hydraulische Vorschubsy­ steme keine Verwendung finden und das Problem eines hohen Ölgegendrucks in der Bohrung gar nicht auftritt.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfin­ dungsgemäßen Abfangvorrichtung dargestellt.

Wenn im folgenden von "oben" bzw. "unten" die Rede ist, so beziehen sich die Angaben auf die in der Zeichnung dargestellte aufrechte Betriebsstellung der Abfangvorrich­ tung.

Die in Fig. 1 als Ganzes mit 100 bezeichnete An­ triebseinrichtung für einen Bohrstrang umfaßt einen Kraft­ drehkopf 1, welcher eine aus diesem nach unten herausra­ gende, rohrförmige Abtriebswelle 2 antreibt. Nach oben kommuniziert die rohrförmige Abtriebswelle 2 mit einem feststehenden Spülrohr 3, an welches über einen Spülrohr­ krümmer 4 ein in der Zeichnung nicht dargestellter Aus­ laufschlauch für die Spülflüssigkeit und das Bohrgut an­ schließbar ist.

Das untere Ende der Abtriebswelle 2 weist ein koni­ sches Außengewinde 5 auf, auf welches ein ein entsprechen­ des Innengewinde 6 aufweisendes Zwischenstück 7 aufge­ schraubt ist. Bei der in Fig. 1 dargestellten Antriebsein­ richtung 100 umfaßt das Zwischenstück 7 eine nicht näher dargestellte Sicherungskupplung, welche zur Vermeidung von Beschädigungen der Antriebseinrichtung bzw. des Bohrwerk­ zeugs das übertragbare Drehmoment auf einen Maximalwert begrenzt. Das untere Ende des Zwischenstücks 7 bildet ein Flansch 8, an welchen eine in der Zeichnung als Ganzes mit 10 bezeichnete Abfangvorrichtung für das Bohrgestänge 9 angebracht ist.

Im folgenden soll die Abfangvorrichtung 10 im einzel­ nen erläutert werden. Sie umfaßt einen starr mit dem Flansch 8 verbundenen Käfig 11, welcher über Rollenlager 12 in dem feststehenden Gehäuse 13 der Abfangvorrichtung 10 um die Achse S des Bohrgestänges 9 drehbar gelagert ist. Im Innenraum 14 des Käfigs 11 ist drehfest ein aus­ wechselbarer Mitnehmerzapfen 15 angeordnet, welcher an seinem unteren Ende ein konisches Außengewinde 16 trägt, auf welches das Bohrgestänge 9 mit einem an seinem oberen Ende vorgesehenen, entsprechenden Innengewinde 17 auf­ schraubbar ist. Die Auswechselbarkeit des Mitnehmerzapfens 15 dient der Montagefähigkeit von Bohrgestängen 9 unter­ schiedlichen Durchmessers. In Fig. 1 sind beidseitig der Achse S zwei Bohrgestänge 9 unterschiedlichen Durchmessers mit den dazu passenden Mitnehmerzapfen 15 dargestellt.

Von dem Käfig 11 erstreckt sich konzentrisch zur Achse S nach unten ein Halter 18, welcher mit dem Käfig 11 verschraubt ist. Der Halter 18 weist einen zylindrischen Innenraum 19 auf, welcher der axialen Führung eines einge­ führten Bohrgestänges 9 dient. Daher ist der Halter 18 - wie der Mitnehmerzapfen 15 - dem jeweiligen Durchmesser des Bohrgestänges 9 anzupassen. In seinem unteren Bereich weist der Halter 18 zwei einander gegenüberliegende, sich symmetrisch zur Achse S erstreckende Öffnungen 20 auf, in welchen jeweils ein senkrecht zur Achse S verlagerbares Spannglied 21 ruht. Die radial nach außen weisenden Seiten 22 der Spannglieder 21 verlaufen schräg zur Achse S, der­ art, daß der Abstand zwischen den Seiten 22 und der Achse S nach oben zunimmt.

Der untere Bereich des Halters 18 ist von einem Spannring 23 umgeben, dessen Innenfläche als sich nach oben erweitender Konus, der mit den schrägen Seiten 22 der Spannglieder 21 zusammenwirkt, ausgestaltet ist. Der Spannring 23 ist über Rollenlager 24 um die Achse S dreh­ bar in einem Gehäuseteil 25 gelagert. Die Gehäuseteile 13,25 sind mittels zweier einander gegenüber und mit der Achse S in einer Ebene liegender Hydraulikzylinder 26 in Richtung der Achse S verlagerbar miteinander verbunden.

Die Hydraulikzylinder 26 sind derart konzipiert, daß durch eine Druckbeaufschlagung der Gehäuseteil 25 in Rich­ tung des Gehäuseteils 13 verlagert wird. Durch den Innen­ konus des Spannrings 23 werden hierbei die Spannglieder 21 in Richtung auf das Bohrgestänge 9 verlagert und klemmen dieses ein.

Die gesamte Antriebseinrichtung 100 ist mittels an dem Kraftdrehkopf 1 vorgesehenen Befestigungsaugen 27 über in Fig. 1 nicht dargestellte Haken und Bügel oder einem Schlitten, der auf einer ebenfalls nicht dargestellten Schienenanordnung vertikal verlagerbar ist, befestigt.

Claims (1)

1. Verwendung einer Abfangvorrichtung (10) zum Anklemmen des Bohrgestänges (9) eines Bohrwerkzeugs an eine in Rich­ tung der Achse (S) des Bohrgestänges verlagerbar in einem Bohrmast angeordnete, mit einem hydraulischen Vorschubsy­ stem verbundene Antriebseinrichtung (100) für das Bohr­ werkzeug,
   die ein hydraulisch betätigbares Spannfutter auf­ weist, welches mindestens zwei einander gegenüberliegende, etwa senkrecht zur Bohrgestängeachse (S) verlagerbare Spannglieder (21) umfaßt, welche im aktivierten Zustand des Spannfutters das obere Ende des Bohrgestänges (9) zwischen sich einspannen, wobei die Abfangvorrichtung (10) einen Halter (18) für die Spannglieder (21) aufweist, der diese in beiden Richtungen der Bohrgestängeachse (S) fi­ xiert,
   bei der Herstellung oder Überarbeitung von Bohrungen, die der Erschließung von Erdöllagerstätten dienen.