钻探装置和用于将钻杆元件拧紧到钻探装置的方法与流程

本发明涉及一种钻探装置，其具有驱动器，该驱动器设计成用于以转动方式驱动钻杆元件并且沿着引导件、特别是栓柱线性地可调节；用于钻头驱动器的线性调节的定位装置；用于接收并保持至少带有第一螺纹区域的第一钻杆元件的接收部分；夹紧装置，其布置在钻头驱动器上，用于保持至少带有第二螺纹区域的第二钻杆元件，第二螺纹区域可拧紧以配合到第一螺纹区域；和控制单元，根据权利要求1的前序部分，钻头驱动器和定位装置可通过控制单元被致动以便将第一螺纹区域和第二螺纹区域拧紧在一起。

本发明还涉及一种用于将钻杆元件拧紧到钻探装置上的方法，钻探装置具有钻头驱动器，其以转动方式驱动钻杆元件并且沿着引导件（特别是栓柱）线性地位移；用于钻头驱动器的线性调节的定位装置；接收和保持至少带有第一螺纹区域的第一钻杆元件的接收部分；布置在钻头驱动器上并且保持至少带有第二螺纹区域的第二钻杆元件的夹紧装置，其中，为了拧紧，第二钻杆元件通过钻头驱动器旋转；和控制单元，根据权利要求7的前序部分，通过控制单元以受控的方式致动钻头驱动器和定位装置，其中第一螺纹区域和第二螺纹区域拧紧在一起。

背景技术

为了产生带有更大钻探深度的钻探，需要钻杆由若干钻杆元件组成。一个钻杆元件的长度近似对应于钻探装置的栓柱的高度。借助于钻头驱动器，首先将第一钻杆元件夹紧并以旋转的方式引入地面。随后，将也可称为旋转驱动头的钻头驱动器重置并设有新的钻杆元件。它在其下侧具有螺纹区域，其可被拧紧从而配合到钻杆元件已经钻下的端部处的匹配螺纹区域中。之后，可执行进一步的钻探步骤。当产生例如带有相对较大的钻探深度的水、燃气或石油钻探时，可能需要以这种方式组成多个钻杆元件。相反地，在完成钻探时，钻杆元件也可从地面再次收回，并且可释放拧紧连接。

当借助于拧紧结合两个钻杆元件时，钻头驱动器产生用于拧紧过程的旋转运动。同时，钻头驱动器必须相应地沿着轴向方向上的轨迹。从us2008/0093088a1已知的是，根据转动速度和螺距确定钻头驱动器在拧紧期间的进给运动。然而，当将钻杆元件拧紧在一起时，当拧紧螺纹接合时并不总是很明显。例如，在拧紧运动开始时可能发生空转，在此期间两个相对的螺纹区域尚未接合，且因此不发生轴向运动。如果钻头驱动器早在空转期间轴向位移，这可导致螺纹圈上的过度载荷并增加摩擦磨损以及增加拧紧所需的力。如果螺纹过早接合，也会出现相应的载荷，使得钻头驱动器滞后于实际的拧紧运动。

为了避免过度载荷，us2008/0093088a1教导了提供带有钻头驱动器的钻杆的绳悬架且测量悬置的载荷。如果超过预定的极限载荷，则钻头驱动器的转动速度会相应地改变，直到极限载荷再次欠载。对于实际操作而言，其中存在带有脏螺纹区域的钻杆元件或者在使用过的钻杆元件的情况下会出现变形的螺纹区域，所以限制载荷必须设定得相对高。因此，也在这些已知的自动拧紧方法中，螺纹的载荷和应力也相对高。这导致钻杆元件的磨损增加和使用寿命降低。

可以从wo2013/081467a1中获得用于自动拧紧钻杆元件的类似方法和装置。在这种已知的方法中，也检测轴向重力并且因此检测轴向载荷并且用于控制拧紧运动。

此外，从us5,321,506已知用于预安装钻杆元件的方法，其中将螺纹套筒拧紧到钻杆元件的螺纹区域上。然而，拧紧运动不是在钻探装置上执行，而是在水平位置的组装装置中执行。这样做时，可通过使用相机和视频处理器来进行位置测量。

技术实现要素：

本发明基于提供用于将钻杆元件拧紧在一起的钻探装置和方法的目的，可利用其以有效且特别温和的方式建立或释放钻杆元件之间的拧紧连接。

该目的一方面通过具有权利要求1的特征的钻探装置并且另一方面通过具有权利要求7的特征的方法来实现。本发明的优选实施例在相应的从属权利要求中陈述。

根据本发明的钻探装置的特征在于设置了距离测量装置，通过其可将钻头驱动器沿着引导件的调节距离作为实际值检测，其中通过控制单元可检测在拧紧期间钻头驱动器的旋转速度，并且考虑到预定的螺纹常数，可将调节距离确定为标称值，其中通过控制单元可执行标称值和实际值的比较，并且可确定差值，并且其中钻头驱动器和/或定位装置可由控制单元根据所确定的差值调节。

本发明的基本思想在于，基于拧紧期间的调节距离执行拧紧运动的控制。一方面，理论调节距离根据钻头驱动器的旋转速度来确定，即特别是拧紧期间的转数以及预定的螺纹常数。通过这种方式，可以确定钻头驱动器必须覆盖哪个理论调节距离，以便在拧紧期间精确地跟随轴向进给运动。该计算出的调整距离作为标称值存储在控制单元中。同时，通过距离测量装置将钻头驱动器在拧紧期间的实际位移距离检测为实际值。在控制单元中执行标称值和实际值的比较，根据情况得出其差值。根据此差值，可进行钻头驱动器和/或定位装置的复位，直到实际值近似标称值或与其对应。

以这种方式，可在不对钻杆元件的螺纹区域的精密螺纹圈施加过大的轴向力的情况下实现温和的拧紧（即拧紧连接的建立或释放）。因此，减少了摩擦磨损，防止损坏并且增加了钻杆元件的使用寿命。总而言之，此外也实现了钻探装置在拧紧期间的温和且节能的操作。

钻探装置可为运载车辆上的固定钻机或移动式钻探装置。

基本上，作为用于钻头驱动器位移的定位装置，可使用任何适当的装置，例如链式或者轴式驱动器。根据本发明的实施例，特别优选的是，定位装置具有至少一个定位缸和/或绳索绞盘。一个或若干定位缸可为液压缸，其特别是布置在用于钻头驱动器的位移的栓柱上。

本发明的有利的进一步发展在于螺纹常数包括螺距或导程。借助于这种螺纹值可确定单次旋转导致哪些轴向位移。因此，根据给定时间间隔内的旋转速度或转动速度，可容易地计算轴向调节距离。

根据本发明的钻探装置的有利的变体在于，控制单元具有用于输入数据的输入站，特别是螺纹常数。输入站可具有惯常的人机界面，特别是输入终端或触摸屏。

对于输入站具有显示器是特别有利的，在显示器上可显示可能的螺纹常数。惯常用于钻杆的螺纹类型和螺纹尺寸可存储在控制单元的适当数据存储器中。这些选项可显示在显示器上，使得操作员仅需要关于可能的螺纹常数做出选择。

本发明的另一个优选实施例可看出，提供了用于自动检测螺纹常数的装置。为此目的，例如在钻杆元件上可设有基于查询的数据存储器，例如rfid芯片，其由钻探装置上对应查询装置读出。替代地或附加地，也可设有检测螺纹区域并确定相关螺纹常数的相机系统。

借助于输入站也可输入任何其他数据，例如进给运动和钻探速度等的操作数据。

此外，钻探装置在拧紧期间也具有过载保护基本上是可能的，在这种情况下，在钻头驱动器或定位装置上检测到轴向载荷。如果超过极限载荷，则拧紧过程可减慢，或者优选地终止。因此，载荷的检测代表了安全措施，然而其并未用于管理拧紧过程。

根据本发明的方法的特征在于，提供距离测量装置，借助于距离测量装置，在拧紧期间钻头驱动器沿着引导件的调节距离作为实际值检测，其中通过控制单元在拧紧期间检测钻头驱动器的旋转速度，并且在考虑到预定螺纹常数的情况下将调节距离确定为标称值，其中由控制单元将标称值与实际值进行比较并且确定差值并且其中钻头驱动器和/或定位装置根据所确定的差值由控制单元调节。

根据本发明的方法特别是利用上文描述的钻探装置来实现。由此可实现预先描述的优点。

本发明的优选方法变体在于，调整钻头驱动器的转动速度、转动方向和/或旋转速度直到实际值对应于标称值。因此，在管理拧紧过程期间，钻头驱动器基本上是被控制的并且在其操作中改变。

根据本发明的进一步发展，做了替代地或另外设置，其中定位装置沿着引导件线性位移，直到实际值对应于标称值。因此，借助于管理，影响了定位装置（即特别是用于钻头驱动器的液压缸或缸或进给绞盘）。

基本上，可带有不同目的来执行该方法，例如尽可能快地完成钻杆的拧紧。因此，可实现特别有效的钻探操作。根据本发明，有利的方法变体在于，钻头驱动器和定位装置以协调的方式致动，使得在螺纹区域上发生很小的载荷和/或摩擦。因此，可实现特别是保持螺纹的操作。这节省了能量并且大体上增加了钻杆元件的使用寿命。

根据本发明的方法的进一步实施例被提供，其中拧紧包括在第一螺纹区域和第二螺纹区域之间建立和/或释放螺纹连接。因此，根据本发明的方法既可用于将钻杆元件拧紧在一起，也可用于在钻杆元件之间拧松。

附图说明

下文中借助于优选实施例进一步描述本发明，所述优选实施例在下文中结合附图进一步阐述，其中示出：

图1为根据本发明的钻探装置的示意性侧视图，和

图2为图1的钻探装置的输入站的放大细节图。

具体实施方式

根据图1，根据本发明的钻探装置10具有运载车辆11，运载车辆11的后部区域中设置了可垂直竖立的栓柱14。在其背向运载车辆11的自由侧上，栓柱14具有线性引导件16，带有钻头驱动器12的托架15沿着该线性引导件布置。借助于定位装置30，托架15可沿着栓柱14的引导件16线性位移。为此，定位装置30具有用于绳索34的绳索绞盘32。经由在栓柱14的头部处的转向滑轮36从运载车辆11上的绳索绞盘32将绳索34引导直到托架15。

在栓柱14的下端区域上设置带有夹紧缸的接收部分20，通过其可将部分地钻入地中的第一钻杆元件（未示出）轴向地并且以防扭矩的方式保持和夹紧。此外，在钻头驱动器12上以已知的方式设置有夹紧装置13（更具体地说夹紧卡盘），在其上以防扭矩的方式将另外的第二钻杆元件保持和夹紧在钻头驱动器12上。在管状或条形钻杆元件的相应自由端区域上提供了匹配螺纹区域，钻杆元件可利用其彼此连接。

为了将第一和第二钻杆元件拧紧在一起，优选将控制单元50布置在运载车辆11的后部区域中。控制单元50在图2中部分放大地示出，其中其具有带有显示器54的输入站52。

最初地，借助于控制单元50，夹紧在钻头驱动器12上的钻杆元件向下位移，直到其接触接收部分20中的夹紧的第一钻杆元件。这样做时，钻杆元件上的两个相对螺纹区域形成接触。通过控制单元50将上部第二钻杆元件设置成旋转，由此将第二钻杆元件的螺纹区域拧紧到下部第一钻杆元件的匹配螺纹区域中。取决于由操作者使用输入站52输入到控制单元50中或自动完成的已知螺纹常数，钻头驱动器12在拧紧期间的旋转速度由控制单元测量并且由此通过计算确定钻头驱动器12的轴向调节距离。

同时，在根据本发明的钻探装置上，沿着引导件16的钻头驱动器12的实际调节距离在拧紧期间通过未详细示出的距离测量装置作为实际值测量，该距离测量装置固定在栓柱14上。在控制单元50中进行所测量的实际值与标称值的比较，其中根据情况确定差值。根据确定的差值，钻头驱动器12（即特别是钻头驱动器12的转动速度或旋转速度）或定位装置30（特别是绳索绞盘32）可通过控制单元50调节并且由此控制。清楚的是，标称值的计算、实际值的检测和差值的确定可在不同小的时间单元内进行，从而恒定且因此非常精确且减少磨损的拧紧运动可优选地完成。当两个螺纹元件之间的拧紧连接被释放时，也执行相应的控制。