DE3500492C2

DE3500492C2 - Vorrichtung zum Herstellen von Gewindeverbindungen zwischen Rohrkörpern

Info

Publication number: DE3500492C2
Application number: DE3500492A
Authority: DE
Inventors: Jörg E. 3008 Garbsen Schulze-Beckinghausen
Original assignee: Weatherford Oil Tool GmbH
Current assignee: Weatherford Lamb Inc
Priority date: 1985-01-09
Filing date: 1985-01-09
Publication date: 1987-01-02
Also published as: NO178163B; DE3500492A1; ATE46387T1; NO860054L; NO178163C; EP0189600A1; EP0189600B1; US4688453A

Abstract

Mit der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Herstellen von Gewindeverbindungen zwischen Rohrkörpern, insbesondere Bohrgestängerohren, beschrieben. Sie besteht aus einem Gehäuse mit einer Axialöffnung und einem dem Außendurchmesser der zu verschraubenden Rohre angepaßten, radialen Ausschnitt sowie mit einem in dem Gehäuse drehbar angeordneten Zahnkranz, der ebenfalls mit einem entsprechenden Radialausschnitt versehen ist und Auflaufnocken mit Auflaufkurven trägt, durch welche Klemmbacken mit Greifmessern gegen die Rohre gepreßt werden. Es sind drei Greifmesser vorgesehen, von denen eines beweglich schwenkbar und die beiden übrigen starr in einem Klemmbackenträger befestigt sind. Zur Reversierbarkeit der Spann- in eine Lösebewegung ist der gelenkige Klemmbacken gegen das in Drehrichtung gesehene benachbarte Greifmesser umsteckbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen von Gewindeverbindungen zwischen Rohrkörpern, bestehend aus einem Gehäuse mit einer durchgehenden Axialöffnung und einem dem Außendurchmesser des Rohres angepaßten radialen Ausschnitt sowie mit einem in dem Gehäuse mittels einer Antriebseinrichtung drehbar angeordneten Zahnkranz, der mit einem entsprechenden Radialausschnitt versehen ist und Auflaufnocken mit Auflaufkurven trägt, denen an einem die Anpreßkraft verstärkenden Hebelelement ein gelenkig gelagerter Klemmbacken mit einem Greifmesser und mindestens noch ein weiterer, starrer Klemmbacken mit einem Greifmesser als Gegenhaltemesser zugeordnet sind.
Bei einer Vorrichtung zum Kontern und Brechen von Gewindeverbindungen zwischen Rohrkörpern von Rohr- und Bohrsträngen sowie Bohrwerkzeugen für Tiefbohrungen werden nach der DE-PS 32 34 027 ein drehbares und ein drehfestes Spannfutter, die gemeinsam eine Vorrichtungshauptachse definieren, zur Aufnahme je eines von zwei Rohrkörpern mit einander zugewandten endseitigen Gewindebereichen verwendet, wobei das eine Spannfutter in einem ortsfest an einem Ende eines Vorrichtungsgestells abgestützten Lagerbock gelagert und das andere Spannfutter an einem Stützbock angeordnet ist. Diese Vorrichtung ist nur stationär und nicht auf einem Bohrturm einsetzbar. Die Vorrichtung ist ferner nicht zum Durchführen des gesamten Verschraubungsvorgangs geeignet, sondern sie dient nur zum Kontern bzw. Brechen der Schraubverbindungen.
Zum Verschrauben von insbesondere Futterrohren für Bohrlöcher ist es nach der DE-PS 27 26 472 bekannt, eine Rohrzange zu verwenden, deren Gehäuse einen dem Außendurchmesser des Rohres angepaßten radialen Ausschnitt aufweist. In dem Gehäuse ist mit Hilfe einer Antriebseinrichtung ein Zahnkranz drehbar angeordnet, der ebenfalls einen entsprechenden Radialausschnitt zeigt und Auflaufnocken mit Auflaufkurven unterschiedlicher Steigungsbereiche trägt. Diese Vorrichtung ist zum Verschrauben von Rohren geeignet, die in eine Tiefbohrung eingelassen werden. Die Rohre haben einen nahezu über ihre gesamte Länge gleichmäßigen Durchmesser, was bei der Herstellung von Verschraubungen mit auf die Rohrdurchmesser abgestimmten Greifmessern keine Schwierigkeiten bereitet. Die Verschraubung von Bohrgestängen erfordert jedoch höhere Drehmomente bei geringeren Durchmessern der Rohre des Bohrgestänges. Das Bohrgestänge ist dabei einem erheblichen Verschleiß durch das Gestein unterworfen. Deshalb sind die Rohrdurchmesser innerhalb des Stranges eines Bohrgestänges sehr unterschiedlich. Die Verschraubungsvorrichtung muß deshalb auch bei sehr unterschiedlichen Rohrdurchmessern seine Funktion ausüben können. Die Verwendung einer offenen Zange, wie nach der DE-PS 27 26 472, ist bisher durch die erheblichen, insbesondere zum Kontern und Brechen notwendigen Drehmomente nicht für die Verschraubung von Bohrgestängen geeignet gewesen.
Die US-Patentschrift 26 18 468 zeigt eine Rohrzange mit einem starren und einem radial beweglichen, gelenkig am Gehäuse angebrachten Greifmesser. Sofern die Zangenvorrichtung zum Lösen einer Verschraubung eingesetzt werden soll, muß die gesamte Zangenvorrichtung umgedreht werden. Bei der Verwendung für unterschiedliche Rohrdurchmesser können die Backen mit den darin befestigten Greifmessern ausgewechselt werden.
Aus den US-PS 15 99 808, 16 65 301 und 18 55 143 gehen weitere Beispiele für Verschraubungszangen mit axialen Öffnungen zum seitlichen Ansetzen an Ölfeldrohren hervor, bei denen jeweils zwei starre und ein bewegliches Greifmesser zum Erfassen der Rohre Verwendung finden.
Bei allen nach den genannten US-Patentschriften bekannten Vorrichtungen ist es notwendig, zur Drehrichtungsumkehr die Zangen vom Rohr zu lösen, insgesamt zu wenden und wieder anzusetzen. Bei Übergang auf andere Rohrdurchmesser sind die Klemmbacken mit den darin angeordneten Greifmessern gegen andere Größen auszutauschen. Diese Maßnahmen sind infolge der Unhandlichkeit der Geräte schwierig und zeitaufwendig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine von Hand führbare offene Zange zur Verwendung auf dem Bohrturm so auszubilden, daß sie sowohl zum Verschrauben als auch Lösen von Rohren unterschiedlicher Durchmesser geeignet ist, ohne daß zeitaufwendige Änderungen am Gerät vorgenommen werden müssen. Das Gerät soll für den eigentlichen Verschraubungsvorgang bis zum Kontern und in umgekehrter Richtung vom Brechen bis zur vollständigen Lösung einer Rohrverbindung geeignet sein. Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich dadurch aus, daß dem an dem gelenkig angeordneten Klemmbacken angebrachten Greifmesser zwei starre Greifmesser als Gegenhaltemesser zugeordnet sind, wobei zur Reversierbarkeit der Spann- in eine Lösebewegung der gelenkige Klemmbacken mit dem Greifmesser und der das in Drehrichtung gesehen benachbarte starre Greifmesser tragende Klemmbacken durch Umstecken gegeneinander austauschbar sind. Vorzugsweise ist das bewegliche Greifmesser konvex ausgebildet, so daß in Verbindung mit den starren Greifmessern jedes Gestängerohr sicher an drei Punkten erfaßt werden kann. Das System der Rohrerfassung an drei Punkten gewährleistet auch die Verarbeitung von Gestängerohren unterschiedlicher Durchmesser. Um bei einem zu weit abgenutzten Gestängerohr zu verhindern, daß der Auflaufnocken an der Druckrolle des beweglichen Klemmbackens vorbeirutscht, sind gehäusefeste Anschläge für die die Auflaufkurven tragenden Auflaufnocken vorgesehen. Hierfür dienen Anschlagbolzen, die so den Auflaufnocken zugeordnet sind, daß sich jeder Nocken mit seiner rückwärtigen Fläche an einen Anschlagbolzen anlegen kann, sobald die Druckrolle des beweglichen Klemmbackens das oberste Ende einer Auflaufkurve erreicht hat.
Zum Brechen einer Schraubverbindung wird die bewegliche gegen die starre Klemmbacke ausgetauscht. Beide Klemmbacken sowie das dritte Greifmesser werden von einem an sich bekannten sichelförmigen massiven Klemmbackenträger, der mit den Rotorscheiben verbunden ist, getragen. Nach dem Positionstausch des beweglichen Klemmbackens mit dem starren kann die Drehrichtung des Zahnkranzes umgekehrt werden, so daß bei erneutem sicheren Greifen des betreffenden Rohrabschnitts dieser entgegen seiner Verschraubungsrichtung gedreht und seine Verbindung mit dem benachbarten Gestängeabschnitt gebrochen werden kann.
Im Gegensatz zu der für das Kontern und Brechen bekannten Vorrichtung nach der DE-PS 32 34 027 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung auch für den eigentlichen Verschraubungsvorgang, für das "Spinnen", geeignet. Mit ein und demselben Gerät können also zusätzlich die Verschraubungsdrehungen bis zum Kontern und in umgekehrter Richtung vom Brechen bis zur vollständigen Lösung durchgeführt werden. Damit ist also ein Gerät gegeben, dessen Eigenschaften, nämlich geringe Masse, offenes System und das Vermögen, nicht nur eine Schraubverbindung zu kontern bzw. zu brechen, sondern auch die gesamte Schraubbewegung durchzuführen, seinen Einsatz auf einem Bohrturm und damit einen erheblichen Zeitgewinn gestatten.
Weitere, den Erfindungsgegenstand in vorteilhafter Weise weiterbildende Merkmale sind in den Unteransprüchen angegeben.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt und nachstehend erläutert. Es zeigt
Fig. 1 die Draufsicht auf den Rotorkranz und den Backenträger mit zugehörigen Greifmessern bei einer abgenommenen Rotorscheibe,
Fig. 2 den Schnitt A-B durch die Fig. 1,
Fig. 3 den Schnitt C-D durch die Fig. 1,
Fig. 4 den Backenträger mit Klemmbacken in größeren Maßstab und
Fig. 5 den Schnitt E-F durch die Fig. 4.
Innerhalb des Rotorkranzes 1 mit der Verzahnung 2 ist ein sichelförmiger Klemmbackenträger 3 angeordnet. Der Backenträger 3 trägt drei Greifmesser 4, 5 und 6, von welchen lediglich das Messer 4 drehbeweglich in einer beweglich gelagerten Klemmbacke 7 angeordnet ist. Die Klemmbacke 7 ist in Form eines einarmigen, die Klemmkraft verstärkenden Hebels ausgebildet. Sie ist mit einem Schwenkbolzen 8 am Backenträger 3 befestigt. Die radiale Einwärtsbewegung der Klemmbacke 7 wird mit Hilfe einer Druckrolle 9 erzielt. Sie läuft bei einer Drehung des Rotorkranzes 1 in Richtung des Pfeiles 10 auf die Auflaufkurve 11 des Auflaufnockens 12 auf. Die Rückstellbewegung wird über eine Rückstellfeder 13 erzielt, die am Bolzen 14 der beweglichen Klemmbacke 7 angreift und mit ihrem entgegengesetzten Ende an einer Rotorscheibe befestigt ist. Zur besseren Übersichtlichkeit der Zeichnung ist die Darstellung des Gehäuses der Gesamtvorrichtung weggelassen worden.
An dem dem beweglichen Greifmesser 4 gegenüberliegenden Ende des sichelförmigen Backenträgers 3 ist das starre Greifmesser 5 angeordnet. Es ist in eine Festbacke 15 eingesetzt, die ihrerseits über einen Bolzen 17 mit den Rotorscheiben 18 und 19 fest verbunden ist. Zum Festbacken 15 gehört ein Rückführanschlag 20, der mit dem starren Backen durch Stifte 21 formschlüssig verbunden ist. Der Rückführanschlag begrenzt bei dem dargestellten Beispiel die Drehung des Rotorkranzes 1 bei einer Drehrichtung, die dem Pfeil 10 entgegengesetzt gerichtet ist. Bei einer solchen Rückdrehung kann sich der Rückführanschlag an die Auflaufkurve 22 des zweiten Auflaufnockens 23 oder nach erfolgtem Umstecken in die Position des beweglichen Klemmbackens, an die Auflaufkurve 11 anlegen und das System Rotorkranz mit Rotorscheiben in Ausgangsstellung zurückdrehen.
Die dritte, ebenfalls starre Greifbacke 6 ist in der Mitte des Backenträgers 3 befestigt. Somit ist ein Kraftangriff an drei Punkten eines Bohrgestängerohres gegeben. Durch die bewegliche Lagerung des konvex geformten Greifmessers 4 in dem als einarmiger Hebel ausgebildeten beweglichen Klemmbacken 7 können Bohrgestänge unterschiedlichen Durchmessers mit der genügenden Sicherheit erfaßt, verschraubt und gekontert bzw. eine Schraubverbindung gebrochen werden. In unterbrochener Strichführung sind die Positionen eines 5⁷/₈&sec; und eines 6¹/₂&sec; Bohrgestänges angedeutet. Bei dem gezeigten Beispiel bildet das 5⁷/₈&sec; Rohr die kleinste von der Vorrichtung erfaßbare Größe. Die Druckrolle 9 wird dabei gerade noch von der Auflaufkurve 11 mit ihrem radial inneren Ende erfaßt. Um zu verhindern, daß in einem solchen Fall der Auflaufnocken mit seiner Auflaufkurve an der Druckrolle vorbeirutscht, dienen Anschlagbolzen 24 und, bei entgegengesetztem Drehsinn, 25. Gegen diese Anschlagbolzen können sich die Auflaufnocken 12 bzw. 23 mit ihren rückwärtigen Enden anlegen.
Der Rotorkranz 1 ist zu beiden Seiten von Gleitführungsringen 26 und 27 eingefaßt, mit welchen er in umlaufenden Nuten 28 und 29 der Rotorscheiben 18 und 19 gleiten kann.
Vor Beginn der Verschraubungsvorgänge werden durch eine Drehung des Rotorkranzes die Radialausschnitte von Gehäuse, Rotorscheiben und Rotorkranz in Deckung gebracht. Das aufgehängte Gerät kann dann von Hand an ein Rohr geschwenkt werden, bis die starren Greifmesser 5 und 6 zur Anlage kommen. Die beiden starren Messer sind um 90° gegeneinander versetzt angeordnet und sorgen dadurch für eine Zentrierung der Vorrichtung am Rohr bzw. am Bohrgestänge. Dann wird der Rotorkranz 1 in Richtung des Bewegungspfeiles 10 gedreht. Dadurch läuft die Druckrolle 9 des beweglichen Klemmbackens 10 auf die Auflaufkurve 11 des Auflaufnockens 12 auf und schwenkt das Greifmesser 4 gegen das Bohrgestänge 31. Nach Erreichen des vorgegebenen Klemmwertes, der notwendig ist, um das Konter- bzw. Brechmoment auf eine Schraubverbindung übertragen zu können, beginnt der eigentliche Verschraubungs- bzw. Entschraubungsvorgang.
Bei einer Draufsicht gemäß Fig. 1 zeigt der Bewegungspfeil 10 die Drehrichtung für das Brechen einer Schraubverbindung mit anschließendem Entschraubungsvorgang an. Soll die Vorrichtung dagegen eine Schraubverbindung herstellen, werden zuvor der bewegliche Klemmbacken 7 und der feste Klemmbacken 15 gegeneinander ausgetauscht. Der Bolzen 8 b wird somit zum Schwenkbolzen für den Klemmbacken 7, während der bisherige Schwenkbolzen 8 a durch den festen Klemmbacken 15 greift. Die Rückstellfedern 13 sorgen jeweils dafür, daß nach entsprechender Rückdrehung des Rotorkranzes der Anpreßdruck des Greifmessers 4 vollständig aufgehoben wird und der Klemmbacken 7 radial nach außen geschwenkt wird.
Die Anordnung des konvexen Greifmessers 4 auf der Klemmbacke 7 ist so gewählt, daß über die Lage der Backe eine die Spannkraft verstärkende Wirkung erzielt wird. Die Lage der Druckrolle kompensiert den Spannkraftverlust, den das System erfährt, wenn es beim zulässigen Größtmaß der Bohrgestängeverbindung arbeitet. In diesem Fall wird der Hebelarm zwischen dem Schwenkbolzen 8 a und der Druckrolle 9 größer; der wirksame Hebelarm für die Spannkraftverstärkung reduziert sich. Der Kraftangriffspunkt am zu verschraubenden Gestänge liegt zwischen dem Schwerpunkt der Spannbacke und dem Mittelpunkt des gesamten Systems. Dadurch tritt beim Einleiten der Drehbewegung, nachdem das Greifmesser 4 das Bohrgestänge 31 erfaßt hat, eine nach innen gerichtete Anpreßkraft auf, die ein sicheres Fassen des Greifmessers bewirkt. Es entsteht eine Klemmungsverstärkung. Durch den Steigungswinkel von 30°-60°, vorzugsweise 45°, der Auflaufkurven wird eine nahezu tangential gerichtete Belastung des Rotorkranzes erreicht und damit eine Aufweitung seiner Enden im Bereich des Radialausschnitts verhindert.
Das erfindungsgemäße Gerät kann infolge seiner geringen Masse von Hand geführt werden und ist dennoch in der Lage, höchste Drehmomente aufzubringen, die für das Kontern bzw. Brechen der Schraubverbindungen von Bohrgestängen notwendig sind. Das Verhältnis der maximalen Drehmomente zum Gewicht der Vorrichtung ist wesentlich größer als bei den bisher bekannten Ausführungen. Die Dreipunktklemmung, insbesondere in Verbindung mit der Anordnung der starren Greifmesser mit einem Winkel von 90° zueinander führt zu einer optimalen Einspannung mit geringstem Zeitverlust. Zeitverluste beim Bohrbetrieb sind jedoch wegen der damit verbundenen hohen Kosten weitgehendst zu vermeiden.

Claims

1. Vorrichtung zum Herstellen von Gewindeverbindungen zwischen Rohrkörpern, bestehend aus einem Gehäuse mit einer durchgehenden Axialöffnung, einem dem Außendurchmesser des Rohres angepaßten radialen Ausschnitt und einem in dem Gehäuse mittels einer Antriebseinrichtung drehbar abgeordneten Zahnkranz, der mit einem entsprechenden Radialausschnitt versehen ist und Auflaufnocken mit Auflaufkurven trägt, denen an einem die Anpreßkraft verstärkenden Hebel ein gelenkig gelagerter Klemmbacken mit einem Greifmesser und mindestens noch ein weiterer, starrer Klemmbacken mit einem Greifmesser als Gegenhaltemesser zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß dem an dem gelenkig angeordneten Klemmbacken (7) angebrachten Greifmesser (4) zwei starre Greifmesser (5, 6) als Gegenhaltemesser zugeordnet sind, wobei zur Reversierbarkeit der Spann- in eine Lösebewegung der gelenkige Klemmbacken (7) mit dem Greifmesser (4) und der das in Drehrichrung gesehen benachbarte starre Greifmesser (5) tragende Klemmbacken (15) durch Umstecken gegeneinander austauschbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die starren Greifmesser (5, 6) um 90° gegeneinander versetzt angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Greifmesser (4) konvex ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Auflaufnocken (12, 23) ein gehäusefester Anschlagbolzen (24, 25) zugeordnet ist.

5. Vorrichtung nach dem Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den Auflaufnocken (11, 22) gegenüberliegenden Enden der Auflaufnocken (12, 23) als Anschlagflächen für die Anschlagbolzen ausgebildet sind.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zahnkranz (1) beidseitig mit Gleitführungsringen (26, 27) versehen ist, welche in massive Rotorscheiben (18, 19) greifen.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Klemmbakken (7) als einarmiger, kraftverstärkender Hebel mit einer von der Auflaufkurve betätigbaren Druckrolle (9) ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Greifmesser und Klemmbacken an einem massiven sichelförmigen Backenträger (3) befestigt sind.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Klemmbacken (7) ständig mit der radial auswärts weisenden Kraft einer Rückstellfeder (13) beaufschlagt ist.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Festbacken (15) mit einem der Auflaufkurve (22) zugeordneten Rückführanschlag ( 20) ausgerüstet ist.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigungswinkel der Auflaufkurven 30°-60° betragen.