DE4015300C1 - Drill stem clamping system - incorporates hydraulic actuator and flange seated in roller bearing - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Spannen von Ge­ stängerohren, insbesondere von Bohrgestängen des Brunnenbaus oder der Ölindustrie, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bohrgestänge für den Brunnenbau oder für die Ölindustrie be­ stehen aus einer Vielzahl von einzelnen Rohrabschnitten, de­ ren Länge zwischen 3 m und 30 m betragen kann. Zum Einfahren eines Rohrgestänges werden die einzelnen Rohrabschnitte am Bohrloch zusammengeschraubt und abgelassen. Beim Bohren sind einzelne Rohrabschnitte immer wieder nachzusetzen. Wenn das Gestänge gezogen werden soll, ist das Gestänge in einzelne Rohrabschnitte zu brechen und auseinander zu schrauben.

Für alle diese Vorgänge ist ein Kraftdrehkopf erforderlich, der das obere Ende des Gestänges bzw. der Rohrabschnitte er­ fassen und drehen kann. Die Erfassung des Bohrgestänges er­ folgt üblicherweise durch Spannkeile, die um das Bohrrohr herum gelegt werden und bei Anziehen eines Keiltopfes eine kraftschlüssige Verbindung zum Bohrrohr bewirken. Durch Ziehen bzw. Drehung des Keiltopfes kann das Bohrgestänge gezogen bzw. in beiden Richtungen gedreht werden.

Es sind manuell betätigte Spannköpfe bekannt, die jedoch in letzter Zeit zunehmend durch hydraulische Spannköpfe ersetzt werden, da eine manuelle Tätigkeit am Bohrloch außerordent­ lich gefährlich und kraftaufwendig ist.

Beispielsweise aus der DE 31 05 565 C1 bekannte hydraulisch betätigte Spannköpfe weisen einen Keiltopf auf, der in bezug auf den Kraftdrehkopf hydraulisch verschoben werden kann und damit eine Keilklemmung des Bohrgestänges hervorruft. Derar­ tige Spannköpfe sind nur für einen Gestängedurchmesser ausge­ legt. Der Spannbereich kann zwar in engen Grenzen durch andere Keile und zusätzliche Füllbuchsen verändert werden, jedoch ist dieser große Aufwand an der Bohrstelle kaum durchzuführen. Die Verwendung eines eigenen Spannkopfes für verschiedene Gestänge­ durchmesser ist wirtschaftlich kaum zu vertreten und erfordert hohe Umrüstzeiten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Spannkopf anzugeben, dessen Spannteil in kurzer Zeit dem jeweiligen Gestängedurchmesser angepaßt werden kann. Der Spannkopf soll außerdem flexibel ausgebildet sein, um auch zum Bohren ver­ wendet werden zu können.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfin­ dung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zweiteilig ausgebildet. Ein sogenanntes Aktuatorteil ist fest am Kraftdrehkopf be­ festigt und enthält die Einrichtung zur Erzeugung der Spann­ kraft, vorzugsweise einen oder mehrere Hydraulikzylinder. Die­ se sind vorzugsweise zwischen teleskopartig aufeinander gesetz­ ten Rohren angeordnet, so daß bei Betätigung der Zylinder eine axiale Verschiebung der Rohre gegeneinander stattfindet. Das äußere Rohr ist vorzugsweise mit einem Wälzlager verbunden, dessen äußerer Lagerring eine Bajonettaufnahme zur Befesti­ gung eines Mitnehmerflansches aufweist, der auf einem Träger­ rohr verschieblich angeordnet ist, das an seinem unteren Ende die eigentliche Spannzange aufweist. Das Trägerrohr ist mit dem drehenden Vorschubsystem, insbesondere dem Hauptrohr, lösbar verbunden. Das im wesentlichen aus Trägerrohr und Spannzange sowie Mitnehmerflansch gebildete Spannteil kann damit vom Aktuatorteil gelöst werden, ohne daß letzteres ausgetauscht werden müßte, wenn der Betrieb des Spannkopfes mit einem an­ deren Gestängedurchmesser erfolgen soll. Es ist lediglich ein dem anderen Durchmesser angepaßtes Spannteil zu verwen­ den. Dadurch ergeben sich sehr kurze Umrüstzeiten. Da der Wert des Spannteils nur einen Bruchteil des gesamten Spann­ kopfes beträgt, ist ein System, bestehend aus einem Aktuator und mehreren Spannteilen verschiedener Durchmesser, erheb­ lich kostengünstiger als mehrere komplette Spannköpfe un­ terschiedlichen Durchmessers.

Die Erfindung weist weiterhin den Vorteil auf, daß im Fall, daß eine Beschädigung eines Spannkopfes auftritt, lediglich ein Austausch des Spannteils erforderlich ist. Das Aktuartor­ teil kann weiter verwendet werden. Der Reparaturaufwand kann dadurch minimiert werden.

Durch besondere Ausbildung des Spannkopfes kann auch vorge­ sehen sein, daß das Gestänge unmittelbar mit dem Spannkopf verdichtend verschraubt ist, so daß ein Bohren mit dem Kraft­ drehkopf möglich ist, ohne die Spannzange zu entfernen. In anderer Ausführungsform der Erfindung wird das Spannteil vom Aktuator abgetrennt und es wird ein Übergangsteil auf das Hauptrohr aufgeschraubt, an das das Gestänge anschraubbar ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbei­ spiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Spannkopfes mit abgelöstem Spannteil,

Fig. 2 eine Querschnittsansicht entlang der Schnitt­ linie A-B,

Fig. 3 eine Querschnittsansicht eines Spannkopfes mit einer Spannzange anderen Durchmessers und

Fig. 4 eine Ansicht eines Spannkopfes mit entferntem Spannteil und alternativ vorgesehenem Übergangs­ teil.

Der in Fig. 1 dargestellte Spannkopf besteht aus zwei getrenn­ ten Baugruppen, nämlich dem oberen feststehenden Aktuator und dem unteren rotierenden Spannteil. Der Aktuator ist fest am Kraftdrehkopf befestigt, während das Spannteil je nach ver­ wendetem Bohrgestänge ausgewechselt werden kann.

Der Kraftdrehkopf erzeugt das zum Bohren erforderlich Dreh­ moment und überträgt die Zug- und Druckkräfte vom Vorschub­ system auf das Bohrgestänge. Der feststehende Kraftdrehkopf weist im Inneren das drehende Hauptrohr auf, das mit dem Ge­ stänge verbunden wird. Kraftdrehkopf und Hauptrohr sind in der Darstellung der Figuren gestrichelt gezeichnet.

Mit dem Kraftdrehknopf ist ein inneres Rohr 1 fest verschraubt. Koaxial zum inneren Rohr ist teleskopartig ein äußeres Rohr 2 geführt. Zwischen oberem Ende des inneren Rohres und der Aus­ senseite des äußeren Rohres 2 ist ein Hydraulikzylinder 3 an­ geordnet. Vorzugsweise sind wenigstens zwei Hydraulikzylinder auf dem Umfang des Aktuators verteilt angeordnet. Der Hyraulik­ zylinder dient zum Betätigen der Spannzange.

Am unteren Ende des äußeren Rohres 2 ist ein Wälzlager 5 vor­ gesehen, auf dem ein äußerer Lagerring 4 läuft. Dieser weist Mitnahmebolzen 9 auf, die in Verbindung mit einem Mitnehmer­ flansch 12 eine Bajonettkopplung bilden.

Über das Wälzlager 5 werden die Spannkräfte vom feststehenden Aktuator zum drehenden Spannteil übertragen. Durch Betätigung des Hydraulikzylinders werden inneres Rohr und äußeres Rohr gegeneinander verschoben. Damit verschiebt sich der drehende Mitnehmerflansch 12 nach unten.

Der Mitnehmerflansch 12 gleitet auf einem Trägerrohr 10. Die­ ses ist am oberen Ende über Zwischenglieder mit dem Hauptrohr verschraubt. Bei Betätigung des Hydraulikzylinders verschiebt sich das Trägerrohr nicht.

Am unteren Ende des Trägerrohrs 10 befindet sich die eigent­ liche Spanneinrichtung, die aus dem Keiltopf 15 und den Spann­ keilen 14 gebildet ist, die über Koppelelemente 13 mit dem Mitnehmerflansch 12 verbunden sind. Durch Verschiebung des Mitnehmerflansches 12 werden die Spannkeile 14 nach unten und innen gedrückt und bilden damit die kraftschlüssige Verbin­ dung zum Gestängerohr, das in das Trägerrohr 10 eingeführt ist. Ein Flansch 17 am unteren Ende des Trägerrohres sichert durch Kraftschluß den Keiltopf gegen Verdrehen.

Am Hauptrohr des Kraftdrehkopfes ist zur Aufnahme des Spann­ teils ein Gewindeflansch 19 angeschraubt. Dieser überträgt das Drehmomente sowie die Zug- und Druckkräfte auf das Spann­ teil. Am oberen Ende des Trägerrohres 10 befindet sich ein Muffenflansch 18, der mit dem unteren Ende des Gewindeflan­ sches 19 verschraubt ist. Damit diese Verschraubung in bei­ den Drehrichtungen nutzbar ist, ist eine Schiebehülse 6 vor­ gesehen, die eine innere Evolventenverzahnung aufweist und die sowohl Gewindeflansch 19 als auch Muffenflansch 18 in einer Außenverzahnung dieser beiden Teile übergreift. Zum Lösen der Verbindung zwischen Gewindeflansch 19 und Muffen­ flansch 18 muß diese Hülse axial verschoben werden.

Die Hülse 6 ist über ein Lager 20 mit einem Gleitring 8 ver­ bunden, der an der Innenseite des inneren Rohrs 1 gleitend angeordnet ist. Eine axiale Verschiebung des Gleitrings 8 erfolgt über einen Betätigungshebel 7, der durch einen Durchbruch 21 des inneren Rohres 1 geführt ist. Der Betäti­ gungshebel 7 führt ferner durch einen Durchbruch 22 des äußeren Rohres 2. Diese Anordnung gewährleistet einerseits, daß keine Verdrehung zwischen innerem Rohr 1 und äußerem Rohr 2 möglich ist. Durch eine geeignete Bemessung der Durchbrüche 21, 22 ist andererseits gewährleistet, daß im betätigten Zustand der Spannzange die Durchbrüche derart übereinander liegen, daß eine Verschiebung des Gleitrings 8 durch den Betätigungshebel 7 nicht möglich ist, so daß eine unabsichtliche Lösung der Schiebehülse und damit der Gewin­ deverbindung zwischen Gewindeflansch 19 und Muffenflansch 18 verhindert ist. Auf dem Umfang der Rohre 1 und 2 sind vorzugsweise zwei Betätigungshebel 7 vorgesehen.

Der Muffenflansch 18 kann unmittelbar mit dem Trägerrohr 10 verschraubt sein, es kann jedoch auch zusätzlich eine Verlängerung 11 zwischen Muffenflansch 18 und Trägerrohr 10 angeordnet sein, die ein unteres Gewinde aufweist, auf das ein Gestängerohr unmittelbar aufgeschraubt werden kann. Hierdurch ist es möglich, über das Hauptrohr, den Gewin­ deflansch 19, den Muffenflansch 18 und die Verlängerung 11 Spülflüssigkeit zum Gestängerohr zu führen und den Spann­ kopf damit auch zum Spülen zu verwenden. Aufgrund der An­ ordnung einer Schiebehülse 6 mit Evolentenverzahnung zwischen Gewindeflansch 19 und Muffenflansch 18 kann die Gewindever­ bindung eventuell nicht ausreichend dicht sein. Es ist da­ her zusätzlich eine O-Ring-Dichtung zwischen Gewindeflansch 19 und Muffenflansch 18 vorgesehen.

Zur Trennung von Aktuator und Spannteil ist zunächst die Spannzange zu entlasten. Dabei wird das äußere Rohr 2 gegen­ über dem inneren Rohr 1 so weit verschoben, daß die Durch­ brüche 21, 22 über einen größeren Bereich miteinander fluch­ ten, so daß der Betätigungshebel 7 so weit angehoben werden kann, daß die Schiebehülse 6 die Verbindung zwischen Gewin­ deflansch 19 und Muffenflansch 18 aufhebt. Jetzt kann die Bajonettverbindung zwischen Mitnehmerflansch 12 und Lager­ ring 4 getrennt werden. Schließlich erfolgt das Lösen der Gewindeverbindung zwischen Gewindeflansch 19 und Muffen­ flansch 18. Das Spannteil ist damit vollkommen vom Aktuator­ teil gelöst.

Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Schnitt­ linie A-B gemäß Fig. 1. Der Mitnehmerflansch 12 weist am Außenumfang Nuten 24 auf, durch die die Mitnahmebolzen 9 bei der Verbindung von Spannteil und Aktuator hindurchge­ führt werden. Nach Verdrehung des Mitnehmerflansches 12 gegenüber dem Lagerring 4 ist das Spannteil axial gesichert.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung mit einem Spannteil größeren Durchmessers. Der Aktuator ist in diesem Fall unverändert. Das Spannteil wird mit dem Aktuator wieder­ um durch Verbindung von Gewindeflansch 19 und Muffenflansch 18 sowie durch Bajonettverbindung zwischen Mitnehmerflansch 12 und Lagerring 4 miteinander verbunden. Das Trägerrohr 25 weist in diesem Fall im unteren Bereich einen größeren Durch­ messer auf. Entsprechend sind die Spannteile 26 und der Keil­ topf 27 in größerem Durchmesser ausgeführt. Diese Ausführungs­ form des Spannteils eignet sich daher für Gestängerohre mit größerem Durchmesser.

Fig. 4 zeigt schließlich eine Ausführungsform, in der das Spannteil nicht verwendet ist, wobei jedoch ein Übergang 28 verwendet ist, der unmittelbar mit dem Gewindeflansch 19 ge­ schraubt wird. Der Übergang 28 weist am unteren Ende ein Ge­ winde zum Anschluß des Bohrgestänges auf. Zwischen Gewinde­ flansch 19 und Übergang 28 ist eine Dichtung 29 vorgesehen, die gewährleistet, daß Spülflüssigkeit ohne Verluste vom Hauptrohr in das Bohrgestänge geführt werden kann.

Durch Verwendung des Überganges 28 kann der Aktuator unmit­ telbar auch zum Bohren verwendet werden, ohne daß das Spann­ teil erforderlich wäre.

Bezugszeichenliste

 1 inneres Rohr
 2 äußeres Rohr
 3 Hydraulikzylinder
 4 Lagerring
 5 Wälzlagerung
 6 Schiebehülse
 7 Betätigungshebel
 8 Gleitring
 9 Mitnahmebolzen
10 Trägerrohr
11 Verlängerung
12 Mitnehmerflansch
13 Koppelelement
14 Spannkeil
15 Keiltopf
16 Führungshülse
17 Flansch
18 Muffenflansch
19 Gewindeflansch
20 Lager
21 Durchbruch
22 Durchbruch
23 O-Ring
24 Ausnehmung
25 Trägerrohr
26 Spannkeil
27 Keiltopf
28 Übergang
29 Dichtung

Claims (14)

1. Vorrichtung zum Spannen von Gestängerohren, insbesondere von Bohrgestängen des Brunnenbaus oder der Ölindustrie, mit einer kraftbetätigten Spannzange zum kraftschlüssigen Erfassen eines Gestängerohres, wobei die Einrichtung zur Erzeugung der Spannkraft (3) zwischen feststehendem Kraft­ drehkopf und durch dessen durch das Hauptrohr gedrehter Spannzange angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannzange (14, 15) Teil eines bezüglich Hauptrohr und Kraft­ drehkopf lösbar ausgebildeten Spannteils ist, daß die Spannzange (14, 15) auf einem Trägerrohr (10) angeordnet ist, das mit dem Hauptrohr verschraubbar ausgebildet ist, und daß ein koaxial auf dem Trägerrohr (10) geführten Mitnehmer­ flansch (12) zur Betätigung der Spannzange (14, 15) vorgesehen ist, der mit dem freien Ende der Einrichtung zur Erzeugung der Spannkraft (3) lösbar gekoppelt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mitnehmerflansch (12) in einen Lagerring (4) eines Wälzlagers (5) eingreift, dessen Gegenlagerring als ein teleskopartig bezüglich eines fest mit dem Kraftdrehkopf verbundenen inneren Rohres (1) geführtes äußeres Rohr (2) ausgebildet ist, und daß die Einrichtung zur Er­ zeugung der Spannkraft (3) auf dem Umfang von innerem Rohr (1) und äußerem Rohr (2) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Umfang von innerem Rohr (1) und äußerem Rohr (2) wenigstens zwei Einrichtungen zur Erzeugung der Spann­ kraft (3) vorgesehen sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Einrichtung zur Erzeugung der Spannkraft ein Hydraulikzylinder (3) ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplung des Trägerrohrs (10) mit der Einrichtung zur Erzeugung der Spannkraft (3) als eine Bajonettverbin­ dung ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am unteren Ende des drehenden Hauptrohres ein Gewinde­ flansch (19) vorgesehen ist, der mit dem Trägerrohr (10) verschraubbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß am oberen Ende des Trägerrohres (10) ein lösbarer Muffen­ flansch (18) vorgesehen ist, der mit dem Gewindeflansch (19) verschraubbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Gewinde- (19) und Muffenflansch (18) über eine Schiebe­ hülse (6) mit Innen-Evolventenverzahnung verdrehfest ge­ halten sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schiebehülse (6) gegenüber dem mit dem Kraftdrehkopf fest verbundenen inneren Rohr (1) drehbar gelagert ist, und daß die Schiebehülse (6) mit wenigstens einem durch einen Durchbruch des inneren Rohres (1) geführten Betä­ tigungshebel (7) verschiebbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Betätigungshebel (7) ferner durch einen Durchbruch des auf dem inneren Rohr (1) teleskopartig geführten äus­ seren Rohrs (2) hindurchgeführt ist, und daß im Spannzu­ stand der Spannzange der Durchbruch des äußeren Rohres (2) gegenüber dem Durchbruch des inneren Rohres (1) der­ art verschoben ist, daß eine Betätigung des Betätigungs­ hebels (7) gesperrt ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeich­ net, daß der Muffenflansch (18) eine in das Trägerrohr (10) reichende Verlängerung (11) aufweist, auf die ein Gestänge­ rohr aufschraubbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß Verlängerungen (11) und Muffenflansch (18) zweiteilig aus­ gebildet sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach Entfernen des Trägerrohrs (10) und der Spannzange ein Übergangsteil (28) auf das Hauptrohr aufschraubbar ist, das am unteren Ende ein Gewinde zur Aufnahme eines Gestänge­ rohres aufweist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Gewinde- und Muffenflansch eine Dichtung ausgebil­ det ist.