EP2738346B1

EP2738346B1 - Elektrische Verbindungsvorrichtung für verdrahtete Bohrrohre

Info

Publication number: EP2738346B1
Application number: EP12194531.5A
Authority: EP
Inventors: Bouchra Lamik-Thonhauser; Anton KOTOV; Alexander FINE
Original assignee: think and vision GmbH
Current assignee: think and vision GmbH
Priority date: 2012-11-28
Filing date: 2012-11-28
Publication date: 2016-08-24
Anticipated expiration: 2032-11-28
Also published as: WO2014082886A1; EP2738346A1; US9587439B2; US20140144651A1; PL2738346T3

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verbinden von zumindest einer elektrischen Daten- und/oder Versorgungsleitung mit elektrischen Anschlüssen eines verdrahteten Bohrrohrs, wenn sich das Bohrrohr nicht im aktiven Bohrbetrieb befindet.
Derzeit werden an vielen Bohranlagen einfache Stahlrohre miteinander verschraubt. Auf diese Weise entsteht ein meist mehrere Kilometer langes Bohrgestänge, an dessen Ende ein Bohrmeißel befestigt ist. Im Inneren der Rohre befindet sich eine Spülflüssigkeit (Mud), die vielerlei Funktionen während des Bohrvorgangs erfüllt. Eine dieser Funktionen kann die Übertragung von Daten mittels Druckpulsen sein. Da diese Kommunikation aber sehr langsam ist (die Übertragungsrate liegt typischerweise bei 10 Baud), wurden in der Bohrindustrie verstärkte Anstrengungen unternommen, um während des Bohrbetriebs Bohrlochinformation mit höheren Datenübertragungsraten gewinnen zu können. Aus dem Dokument US 6,670,880 ist beispielsweise ein Bohrlochübertragungssystem bekannt, das Daten durch eine Vielzahl von Bohrkomponenten eines Bohrstrangs hindurch überträgt. Jede Bohrkomponente ist an ihren beiden Enden mit Enden von anschließenden Bohrkomponenten verbunden. Ein Koaxialkabel innerhalb einer jeden Bohrkomponente erstreckt sich von Ende zu Ende der Bohrkomponente und wird beim Verbinden der Bohrkomponenten mit den Koaxialkabeln der benachbarten Bohrkomponenten verbunden. Während des Bohrens erlaubt ein Drehverbinder die Kommunikation zwischen dem Bohrlochübertragungssystem und an der Oberfläche positionierten Instrumenten. Es werden auch andere Übertragungsmechanismen verwendet, z.B. Sonar oder elektrische Ströme über das Erdreich, etc.. Am effizientesten haben sich aber Lösungen erwiesen, die auf einer Verkabelung des Bohrgestänges basieren (elektrische Kabel oder Lichtleiter).
Mittlerweile ist die Erfassung von Daten aus dem Bohrloch während des Bohrvorgangs ein wesentliches Element bei modernen Erdöl-, Erdgas- oder Geothermiebohrungen geworden. Diese Art von Datenerfassung wird im Fachjargon als Measurement While Drilling (MWD) oder Logging While Drilling (LWD) bezeichnet. Die Datenerfassung ist aber auch für die Konstruktion des Bohrlochs und die anschließende Förderung von Erdöl, Gas oder Warmwasser wichtig. Nur durch die Erfassung der jeweiligen relevanten Messgrößen kann eine Bohrung sicher, effizient und ökonomisch betrieben werden. Je mehr Daten von Untertag zur Verfügung stehen, umso effizienter und sicherer kann der Bohrbetrieb gestaltet werden. Die Bohrindustrie fordert daher immer dringender eine Übertragung von Daten mit hohen Datenraten (z.B. 200 kBaud) aus mehreren Kilometern Tiefe. Diese Forderung resultiert in erhöhten Anforderungen an die Leistungsfähigkeit von Untertagmesseinheiten, die wiederum zu einem Anstieg des Stromverbrauchs der Untertagmesseinheiten führt. Um diesem erhöhten Stromverbrauch Rechnung zu tragen, sollen die Untertagmesseinheiten auch von der Oberfläche aus mit elektrischer Energie (z.B. mit 200 W) versorgt werden.
Aus dem Dokument WO 2010/141969 A2 ist eine Vorrichtung zum Verbinden von elektrischen Leitungen an miteinander verschraubbaren, im wesentlichen rohrförmigen Verbindungselementen von Gestängerohren bekannt, bei der an einem ersten Verbindungselement ein erstes elektrisches Kontaktelement fest angeordnet ist und an einem zweiten Verbindungselement ein zweites elektrisches Kontaktelement in Drehrichtung des Verbindungselementes verschiebbar angeordnet ist. Mit dieser Vorrichtung konnte das Problem der elektrischen Verbindung zwischen den Rohren des Bohrgestänges gelöst werden. Die elektrische Verbindung hat sich als zuverlässig, einfach und robust bei der mechanischen Verbindung der Rohre (drehende Bewegung) erwiesen und erlaubt die Übertragung von elektrischem Strom und/oder Daten auch bei den im Bohrloch herrschenden rauen Bedingungen, wie hohe Verschmutzung, Vorhandensein von Flüssigkeiten aller Art, hohe Temperaturen und mechanische Erschütterungen. Mit einem solcherart aufgebauten Bohrgestänge ist es möglich, z.B. mithilfe von am Top-Drive angeordneten Schleifringensembles, die als Drehverbinder fungieren, während des Bohrvorgangs elektrischen Strom zu Untertagmesseinheiten einzuspeisen und von diesen Untertagmesseinheiten generierte Daten auszulesen und auszuwerten.
Insbesondere für die Erhöhung der Sicherheit des Bohrlochs ist es jedoch auch erforderlich, Energieversorgung für Untertagmesseinheiten bereitzustellen und Daten auszulesen, wenn kein Bohrvorgang durchgeführt wird, sondern das Bohrgestänge ausgebaut (Trip-out) oder durch Zusammensetzen von Rohren eingebaut (Trip-in) wird. Gerade in dieser Phase ist es von höchster Wichtigkeit zu wissen, ob sich im Bohrloch sicherheitsrelevante Veränderungen ergeben, wie z.B. Druckveränderungen, Reibung, Gasblasenbildung, etc..
Aus dem Dokument EP 2 273 058 A2 sind mit dem Bohrgestänge verbindbare Apparate zur Kommunikation mit einem verdrahteten Bohrrohr während der Tripping-Operation bekannt, die sogenannte Sub-Kopplerköpfe umfassen. Ein erster Typ des Sub-Kopplerkopfs weist eine gewindelose Oberfläche auf, die beim Einbau in ein verdrahtetes Bohrrohr durch Reib- oder Presspassung eine Rückhaltekraft gegen einen Gewindeabschnitt des Bohrrohrs ausübt. Die Reib- oder Presspassung wird durch Spreizen des Sub-Kopplerkopfs erzielt. Ein Kommunikationselement ist in den Sub-Kopplerkopf eingebettet, um mit einem Rohr-Kommunikationselement kommunikativ zu koppeln, wenn der Sub-Kopplerkopf innerhalb des Aufnahmeendes des verdrahteten Bohrrohrs positioniert ist. Als Kommunikationselemente werden unter anderem induktive Koppler und Direktverbindungskoppler angeführt. Als Beispiele für die kommunikative Kopplung werden eine Drahtverbindung, Mud-Puls Telemetrie, elektronische Telemetrie, oder akustische Telemetrie angeführt. Das Material des Sub-Kopplerkopfs ist elastisch bzw. deformierbar und weich in Bezug auf das Material des Bohrrohrs, damit das Gewinde des Bohrrohrs nicht beschädigt wird. In einer alternativen Ausführungsform des Sub-Kopplerkopfs weist seine Oberfläche ein Teilgewinde auf. Der Kommunikationsapparat dient nur zur Signalübertragung, nicht aber zur Versorgung von Untertagmesseinheiten mit elektrischer Energie.
Das Dokument US 7,198,118 offenbart einen Kommunikationsadapter zur lösbaren Verbindung mit einer Bohrkomponente außerhalb des aktiven Bohrbetriebs, mit einem Datenübertragungskoppler zur Datenkommunikation mit einem in der Bohrkomponente integrierten Übertragungssystem, einem mechanischen Koppler zur lösbaren Befestigung des Adapters an der Bohrkomponente und einem integralen Dateninterface umfassend einen Bildschirm, eine Messlehre, einen Lautsprecher oder ein Licht. Der mechanische Koppler umfasst ein Gewinde, oder Magneten, oder Verriegelungsmechanismen, wie z.B. elastische Clips, oder Klemmen. In einer Ausführungsform umfasst der mechanische Koppler Nocken, die um eine Schwenkachse in den Eingriff mit einem Innengewinde der Bohrkomponente schwenkbar sind. Der Kommunikationsadapter dient nur zur Signalübertragung, nicht aber zur Versorgung von Untertagmesseinheiten mit elektrischer Energie.
Die Absicht Energie, Daten und/oder Steuersignale während des Trip-in bzw. Trip-out Betriebs des Bohrlochs in das Bohrgestänge einzuspeisen bzw. daraus auszuspeisen, stößt vor allem auf folgende Schwierigkeiten:

Das Bohrgestänge ist nicht regulär am Schleifringensemble angeschraubt, das daher nicht zur elektrischen Versorgung und Kommunikation verwendet werden kann.
Elektrische Energieversorgungseinheiten, Datenverarbeitungsgeräte und Steuerungen befinden sich aus Sicherheitsgründen außerhalb des Bohrturms in einem Schaltschrank und müssen über Energieversorgungs-, Status- und Steuerleitungen mit dem Bohrgestänge verbunden werden.
Die Energieversorgungs-, Status- und Steuerleitungen müssen über eine elektromechanische Einheit mit dem Bohrgestänge in Verbindung gebracht werden, die unter den rauen Betriebsbedingungen und unter Einhaltung von Sicherheitsvorschriften wie jenen für die Explosionsschutzzone 1 höchst zuverlässig funktioniert und für das Bedienungspersonal dennoch einfach handhabbar ist, wobei halbautomatisches oder manuelles Verbinden und Trennen möglich sein soll.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung für die oben diskutierten Probleme bei der Einspeisung und Ausspeisung von elektrischer Energie, Daten und/oder Steuersignalen während des Trip-in bzw. Trip-out Betriebs des Bohrlochs in das Bohrgestänge bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Verbinden von zumindest einer elektrischen Daten- und/oder Versorgungsleitung mit elektrischen Anschlüssen eines verdrahteten Bohrrohrs mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen dargelegt.
Durch die erfindungsgemäße Verbindungsvorrichtung kann zumindest eine elektrische Daten- und/oder Versorgungsleitung mit elektrischen Anschlüssen eines verdrahteten Bohrrohrs verbunden werden, wenn sich das Bohrrohr nicht im aktiven Bohrbetrieb befindet. Die erfindungsgemäße Verbindungsvorrichtung umfasst: elektrische Anschlüsse, die mit der zumindest einen elektrischen Daten- und/oder Versorgungsleitung galvanisch verbunden und mit den elektrischen Anschlüssen des Bohrrohrs in Kontakt bringbar sind; ein in ein Aufnahmeende des Bohrrohrs axial einführbares und herausziehbares Axialführungselement; und zumindest ein Axialverriegelungselement. Das Axialführungselement und das Axialverriegelungselement sind relativ zueinander zwischen einer Axialverriegelungsstellung und einer Freigabestellung axial verlagerbar, wobei in der Axialverriegelungsstellung das Axialverriegelungselement zum Ineinandergreifen mit dem Bohrrohr konfiguriert ist, und wobei in der Freigabestellung der Eingriff des Axialverriegelungselements in das Bohrrohr gelöst ist.
Die erfindungsgemäße Verbindungsvorrichtung eignet sich besonders gut zur Verbindung mit den in der oben erwähnten Patentanmeldung WO 2010/141969 A2 beschriebenen Verbindungselementen von verdrahteten Bohrrohren, wogegen die Anpassung an Standard-Gewinde von Standard- Bohrrohren kein Ziel der Erfindung ist.
Eine schnell und sicher herstellbare Verriegelung zwischen der erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung und dem Bohrrohr lässt sich erzielen, wenn das Axialverriegelungselement radial beweglich ist, vorzugsweise elastisch radial beweglich ist.
Wenn beim erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung das Axialverriegelungselement in der Freigabestellung radial einziehbar ist, lässt sich die Verbindungsvorrichtung besonders einfach aus dem Bohrrohr herausführen. In einer bevorzugten Konstruktion der Erfindung weist das Axialführungselement zumindest eine Vertiefung, vorzugsweise zumindest eine Umfangsnut, auf, in die in der Freigabestellung das Axialverriegelungselement radial einziehbar ist. Eine besonders sichere Handhabung der erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung lässt sich erzielen, wenn das Axialführungselement zwei axial versetzte Vertiefungen, vorzugsweise Umfangsnuten, aufweist, die zwei unterschiedliche Freigabestellungen definieren. Dabei wird eine erste Freigabestellung durch relative axiale Verlagerung des Axialführungselements zum Axialverriegelungselement in eine erste Richtung eingenommen, und eine zweite Freigabestellung durch relative axiale Verlagerung des Axialführungselements zum Axialverriegelungselement in die Gegenrichtung eingenommen. Hohe mechanische Stabilität der Verbindung zwischen der Verbindungsvorrichtung und dem verdrahteten Bohrrohr und Schutz gegen Lösen der Verbindung bei Auftreten von Zugkräften erreicht man, wenn in der Axialverriegelungsstellung ein Abschnitt des Axialführungselements ein Widerlager gegen radiales Einziehen des Axialverriegelungselements bildet.
Gute Handhabbarkeit der erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung wird erzielt, wenn das Axialverriegelungselement Vorsprünge aufweist, die konfiguriert sind, um in der Axialverriegelungsstellung in Vertiefungen des Bohrrohrs einzugreifen, oder wenn das Axialverriegelungselement Vertiefungen aufweist, die konfiguriert sind, um in der Axialverriegelungsstellung in Vorsprünge des Bohrrohrs einzugreifen.
Bei einer platzsparenden und mechanisch hochverlässlichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung ist das Axialverriegelungselement als Klemmhülse ausgebildet, die das Axialführungselement umgibt.
Um unabsichtliches Lösen der Verbindung mit dem Bohrrohr zu verhindern, kann die Verbindungsvorrichtung, vorzugsweise mittels Federn, in die Axialverriegelungsstellung vorgespannt sein.
Für eine besonders hohe Verlässlichkeit und schnelle Herstellung der elektrischen Verbindung ist in einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung ein drehbarer Außenkörper vorgesehen, in dem die elektrischen Anschlüsse so konfiguriert sind, dass sie durch Drehbewegung des Außenkörpers mit den elektrischen Anschlüssen des Bohrrohrs in Kontakt bringbar sind. Das Vorsehen von Drehgriffen erleichtert die Drehung der Verbindungsvorrichtung für das Bedienpersonal. Das Vorsehen von Axialgriffen vereinfacht allgemein die manuelle Führung der Verbindungsvorrichtung. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind der Außenkörper und das Axialverriegelungselement in Bezug aufeinander axial im Wesentlichen starr, aber drehbar verbunden. Dabei kann die Verbindung mittels eines Zwischenelements realisiert sein, das axial starr mit dem Axialverriegelungselement verbunden ist und an seiner Außenfläche ein Außengewinde aufweist, auf das drehbar ein Innengewinde des Außenkörpers geschraubt ist. Das Axialverriegelungselement und/oder das Zwischenelement können durch ein Drehsperrelement gegen Verdrehen in Bezug auf das Axialführungselement gesichert werden. Alternativ dazu kann das Zwischenelement Drehsperrelemente zum Eingriff in das Bohrrohr aufweisen.
Für eine automatische oder zumindest halbautomatische Verbindung der Verbindungsvorrichtung mit einem Bohrrohr ist vorgesehen, dass der Außenkörper mittels eines Motors und optional eines Getriebes drehbar ist, wobei die Verbindungsvorrichtung vorzugsweise mit Aktuatoren zur automatischen Zufuhr zum und Wegfuhr vom Bohrrohr ausgestattet ist.
Aus Sicherheitsgründen wird weiters ein Kontaktdetektorschalter vorgeschlagen, der detektiert, ob die elektrischen Anschlüsse der Verbindungsvorrichtung mit den elektrischen Anschlüssen des Bohrrohrs in Kontakt sind.
Um zu verhindern, dass sich die elektrischen Leitungen zu sehr verwinden und dadurch brechen oder ihre Isolierung beschädigt wird, sieht die Erfindung auch vor, dass die zumindest eine elektrische Leitung mittels einer Drehausgleichsvorrichtung in einem Kabelstrang aus der Verbindungsvorrichtung herausgeführt ist.
Um beispielsweise an gelagerten Bohrrohren Messungen durchzuführen, ist es zweckmäßig, die erfindungsgemäße Verbindungsvorrichtung als Handgerät auszubilden, wobei an die zumindest eine elektrische Daten- und/oder Versorgungsleitung zumindest ein Gerät zum Ein- und Ausspeisen von Daten-, Status- und/oder Prüfsignalen und zur Auswertung von ausgespeisten Signalen angeschlossen ist, wobei das Gerät vorzugsweise ein Benutzerinterface aufweist.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt einer Bohranlage mit einer erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung.
Fig. 2 zeigt die Verbindung der Verbindungsvorrichtung 2 mit einem Drehverbinderkörper und einem verdrahteten Bohrrohr.
Fig. 3 und Fig. 4 zeigen eine Ausführungsform der Verbindungsvorrichtung in perspektivischer Darstellung, jeweils teilweise aufgeschnitten.
Fig. 5 zeigt eine Anordnung aus einem Axialverriegelungselement und einem Zwischenelement in der Verbindungsvorrichtung.
Fig. 6 bis Fig. 11 erläutern den Vorgang des Verbindens der Verbindungsvorrichtung mit dem Bohrrohr.
Fig. 12 und Fig. 13 erläutern den Vorgang des Lösens der Verbindung der Verbindungsvorrichtung mit dem Bohrrohr.
Fig. 14 zeigt eine Ausführungsform der Verbindungsvorrichtung mit einem motorischen Antrieb.
Fig. 15 zeigt eine Ausrüstung der Verbindungsvorrichtung mit Geräten zur automatischen Platzierung.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt einer Bohranlage für Erdöl-, Erdgas- oder Geothermiebohrungen, bei der am verkabelten Bohrstrang angeordnete Messeinheiten über die Verkabelung mit elektrischer Energie und Steuersignalen versorgt werden und von den Messeinheiten über den verkabelten Bohrstrang Daten an Übertag befindliche Steuerungs- und Auswertegeräte geschickt werden. Die Datenübertragung findet auch statt, wenn kein Bohrvorgang durchgeführt wird, sondern, wie hier dargestellt, das Bohrgestänge ausgebaut (Trip-out) oder durch Zusammensetzen von Rohren eingebaut (Trip-in) wird. In Fig. 1 erkennt man einen Greifer 1, der das oberste verkabelte Bohrrohr 6 eines verkabelten Bohrgestänges hält. Das obere Ende, das sogenannte "Box-End", des verkabelten Bohrrohrs 6 ist mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 zum Verbinden von elektrischen Daten- und/oder Versorgungsleitungen, die in einem flexiblen Kabelstrang 18 angeordnet sind, mit elektrischen Anschlüssen des verdrahteten Bohrrohrs 6 verbunden. Das verdrahtete Bohrrohr 6 ist vorzugsweise ein Bohrrohr mit einem in WO 2010/141969 A2 beschriebenen Verbindungselement. Der flexible Kabelstrang 18 mündet in ein Kabelgehäuse 5, das an einem Drehverbinderkörper 3 fixiert ist. Vom Kabelgehäuse 5 führen die elektrischen Leitungen in einen verkabelten Montagekörper 4 weiter, von wo aus sie zu entfernt von der Bohranlage befindlichen Steuerungs-, Auswertungs- und Energieversorgungsgeräten weiterlaufen. Durch diese Anordnung ist es möglich, im Bohrstrang befindliche elektrische Schaltungen zu steuern und mit Energie zu versorgen. Während des Bohrbetriebs der Bohranlage wird die Verbindungsvorrichtung 2 in einer Halterung 11 geparkt, so dass sie weder den Bohrbetrieb stört, noch beschädigt werden kann, bei nachfolgenden Tripping-Operationen aber sofort wieder zur Verfügung steht. Während des Bohrbetriebs ist der verkabelte Montagekörper 4 direkt mit dem verkabelten Bohrrohr 6 verbunden.
Fig. 2 zeigt die Verbindung der Verbindungsvorrichtung 2 mit einem Drehverbinderkörper 3 und dem verdrahteten Bohrrohr 6 in Vergrößerung. Der Drehverbinderkörper 3 ist mittels Schrauben 21 auf einer geteilten Buchse 13 montiert, die am verkabelten Montagekörper 4 mittels Rohrschellen 12 festgehalten wird. Ein elektrisches Kabel 16 ist für die Verbindung des Drehverbinderkörpers 3 mit dem verdrahteten Bohrstrang während des Bohrbetriebs zwischen der geteilten Buchse 6 hindurchgeführt. Oberhalb des elektrischen Drehverbinderkörpers 3 ist eine Kabelgehäuselagerung 9 drehbar auf der geteilten Buchse 13 montiert. Ein Synchronisierungselement 14 verbindet die Kabelgehäuselagerung 9 und den Drehverbinderkörper 3 drehfest in Bezug aufeinander, so dass sie sich nur gemeinsam relativ zum verkabelten Montagekörper 4 drehen können. Von der Kabelgehäuselagerung 9 erstreckt sich ein stabförmiger Halter 10 radial nach außen. Am Halter 10 sind die Halterung 11 für die Verbindungsvorrichtung 2 und das Kabelgehäuse 5 fixiert. Eine elektrische Eingangsleitung 23 und eine elektrische Ausgangsleitung 17 führen über ein nicht dargestelltes Schleifringensemble im Inneren des Drehverbinderkörpers 3 aus dem Drehverbinderkörper 3 heraus in das Kabelgehäuse 5 hinein und von dort in den flexiblen Kabelstrang 18, der mittels Steckverbinder 15 an das Kabelgehäuse 5 angeschlossen ist. Die elektrische Eingangsleitung 23 und die elektrische Ausgangsleitung 17 stehen während der Umbauarbeiten (Tripping-Operationen) über die Verbindungsvorrichtung 2 mit dem verdrahteten Bohrrohr 6 in galvanischer Verbindung. Während der Umbauarbeiten ist das Ende des verkabelten Montagekörpers 4 mit einer Schutzkappe 26 geschützt. Damit sich der flexible Kabelstrang 18 bei Benutzung der Verbindungsvorrichtung 2 nicht verdrillt, mündet der flexible Kabelstrang 18 mittels eines Steckverbinders 41 in einer Drehausgleichsvorrichtung 8 der Verbindungsvorrichtung 2.
Fig. 3 und Fig. 4 zeigen eine Ausführungsform der Verbindungsvorrichtung 2 in perspektivischer Darstellung, jeweils teilweise aufgeschnitten. Die Verbindungsvorrichtung 2 weist einen im Wesentlichen kegelstumpfförmigen Außenkörper 31 auf, von dem sich zur leichteren Handhabung ein Axialgriff 39 zur manuellen Axialführung der Verbindungsvorrichtung 2 beim Einführen in das Bohrrohr und drei Drehgriffe 38 zur manuellen Drehung des Außenköpers 31 erstrecken. Der Außenkörper 31 ist so konfiguriert, dass er Schutz gegen das Eindringen von Bohr-Mud bietet, und er ist auch explosionsgeschützt konstruiert. Weiters erstreckt sich vom Außenkörper 31 in drehbarer Weise die bereits oben erklärte Drehausgleichsvorrichtung 8, an der der Steckverbinder 41 zu sehen ist. An der vorderen, dem Bohrrohr zugewandten Stirnfläche des Außenkörpers 31 ist ein Kontaktdetektorschalter 25 angeordnet (siehe insbesondere Detail D in Fig. 4), der detektiert, ob die elektrischen Anschlüsse 35 der Verbindungsvorrichtung 2 mit den elektrischen Anschlüssen des Bohrrohrs in Kontakt gebracht worden sind. Die elektrischen Anschlüsse 35 können als Standard-Elektrobuchsen ausgeführt sein, die in der vorderen Stirnfläche des Außenkörpers 31 münden, und die elektrischen Anschlüsse des Bohrrohrs erstrecken sich axial in Form von Kontaktstiften. Von den elektrischen Anschlüssen 35 verlaufen elektrische Leitungen 42 durch das Innere der Verbindungsvorrichtung 2 zum Steckverbinder 41. Innerhalb des Außenkörpers 31 sind in koaxialer Ausrichtung zu diesem von außen nach innen ein Zwischenelement 34, ein Axialverriegelungselement 33 in Form einer Klemmhülse und ein Axialführungselement 32 angeordnet.
Das Axialverriegelungselement 33 dient dazu, die Verbindungsvorrichtung 2 in Axialrichtung im Bohrrohrs zu fixieren. Zu diesem Zweck sind das Axialführungselement 32 und das Axialverriegelungselement 33 relativ zueinander zwischen einer Axialverriegelungsstellung und einer Freigabestellung axial verlagerbar, wobei das Axialverriegelungselement 33 in seinem vorderen Bereich in eine Vielzahl von elastisch radial beweglichen Zungen 33b unterteilt ist, die an ihren freien Enden Vorsprünge 33a zum Ineinandergreifen mit dem Bohrrohr aufweisen. In der Axialverriegelungsstellung sind die Zungen 33b radial ausgefahren, in der Freigabestellung radial eingezogen, wie weiter unten im Detail erläutert wird. Das Axialführungselement 32 weist zwei durch einen stegförmigen Abschnitt 32b voneinander getrennte Vertiefungen in Form von Umfangsnuten 32a, 32c auf, die in zwei unterschiedlichen Freigabestellungen die Vorsprünge 33a des Axialverriegelungselements 33 aufnehmen.
Das Axialverriegelungselement 33 ist in Bezug auf das Zwischenelement 34 axial starr montiert, so dass die Axialbewegung des Axialverriegelungselements 33 und des Zwischenelements 34 gemeinsam erfolgen, wodurch das Zwischenelement 34 nicht die radiale Bewegung der Zungen 33b behindern kann. Mittels eines Sägezahngewindes 37, umfassend ein Außengewinde 34c auf der Umfangsfläche des Zwischenelements 34 und ein Innengewinde 31a auf der Innenfläche des Außenkörpers 31, sind das Zwischenelement 34 und der Außenkörper 31 so miteinander verbunden, dass das Zwischenelement 34, das Axialverriegelungselement 33 und der Außenkörper 31 gemeinsam axial in Bezug auf das Axialführungselement 32 bewegt werden, wenn der Außenkörper 31 axial bewegt wird. Bei einer Drehbewegung des Außenkörpers 31 in Bezug auf das Axialverriegelungselement 33 ist der Außenkörper 31 jedoch axial in Bezug auf das Axialverriegelungselement 33 beweglich. Mittels zweier Federn 36 wird die Anordnung aus Zwischenelement 34, Axialverriegelungselement 33 und Außenkörper 31 in eine solche axiale Stellung gegenüber dem Axialführungselement 32 vorgespannt, dass sich die Verbindungsvorrichtung 2 in der Verriegelungsstellung befindet, in der die Vorsprünge 33a des Axialverriegelungselements 33 auf dem Stegabschnitt 32b des Axialführungselements 32 aufliegen. Die beiden Federn 36 üben von entgegengesetzten Richtungen jeweils gleiche Federkräfte aus, wodurch sich ein Kräftegleichgewicht einstellt, das die relative Axialstellung ergibt.
Das Zwischenelement 34 dient zur radialen Fixierung der Verbindungsvorrichtung 2 im Bohrrohr. Dazu weist das Zwischenelement 34 an seiner vorderen Stirnfläche eine Abfolge an Vorsprüngen 34a und Vertiefungen 34b auf, die mit gegengleich geformten Vertiefungen und Vorsprüngen einer Schutzhülse im Bohrrohr ineinandergreifen. Um zu verhindern, dass sich das Axialverriegelungselement 33 und das Zwischenelement 34 in Bezug auf das Axialführungselement 32 verdrehen, ist ein Drehblockierstift 43 vorgesehen. Durch diese Konstruktion sind im Verbindungszustand zwischen der Verbindungsvorrichtung 2 und dem Bohrrohr das Axialverriegelungselement 33 und das Zwischenelement 34 radial und axial in Bezug auf das Bohrrohr fixiert.
Fig. 5 zeigt die Anordnung aus Axialverriegelungselement 33 und Zwischenelement 34. In dieser Figur sind die Vielzahl an Zungen 33b mit Vorsprüngen 33a des Axialverriegelungselements 33 und die stirnseitigen Vorsprünge 34a und Vertiefungen 34b des Zwischenelements 34 besonders gut zu sehen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist das Außengewinde 34c an der Außenfläche des Zwischenelements 34 zeichnerisch nicht dargestellt, aber durch das Bezugszeichen 34c symbolisiert.
Nachfolgend wird anhand der Figuren 6 bis 11 der Vorgang des Verbindens der Verbindungsvorrichtung 2 mit dem Bohrrohr 6 und anhand der Figuren 12 und 13 das anschließende Lösen dieser Verbindung erklärt. Fig. 6 zeigt das anfängliche Einführen des Außenkörpers 31 in einen konischen Aufnahmeraum 71 des Box-End 70 des verdrahteten Bohrrohrs 6, wobei das Detail A eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts von Fig. 11 zeigt. Das Bohrrohr 6 weist elektrische Anschlüsse 73 (Stifte) zur galvanischen Verbindung mit den elektrischen Anschlüssen 35 (Buchsen) der Verbindungsvorrichtung 2 auf. Im Box-End 70 ist ein hülsenförmiges Verbindungselement 72 angeordnet, das eine der Verbindungsvorrichtung 2 zugewandte ringförmige Nase 72a, eine hinter der Nase 72a ausgebildete ringförmige Vertiefung 72b sowie eine konische Zentrierfläche 72c aufweist. Beim axialen Einführen der Verbindungsvorrichtung 2 unter Zuhilfenahme des Axialgriffs 39 wird das verjüngte vordere Ende des Axialführungselements 2 durch die Zentrierfläche 72 axial zentriert. Durch die oben erläuterte Vorspannung mittels der Federn 36 (siehe z.B. Fig. 4) befindet sich die Verbindungsvorrichtung 2 in der Verriegelungsstellung, in der die Vorsprünge 33a des Axialverriegelungselements 33 auf dem stegförmigen Abschnitt 32b des Axialführungselements 32 aufliegen. Dadurch stoßen die Vorsprünge 33a beim Einführen der Verbindungsvorrichtung 2 gegen die Nase 72a des Verbindungselements 72 des Bohrrohrs 6 an, wodurch die weitere axiale Bewegung des Axialverriegelungselements 33 zunächst verhindert wird. Sehr wohl kann sich aber das Axialführungselement 32 weiter in axialer Richtung in das Bohrrohr 6 hineinbewegen, wodurch sich der stegförmige Abschnitt 32b des Axialführungselements 32 von den Vorsprüngen 33a wegbewegt und stattdessen die zweite Umfangsnut 32c des Axialführungselements 32 in Ausrichtung mit den Vorsprüngen 33a gelangt, siehe Fig. 7. Die Umfangsnut 32c bietet der Zunge 33b mit ihren Vorsprüngen 33a den notwendigen Freiraum für eine elastische radiale Bewegung nach innen, indem die Nase 72a die Vorsprünge 33a nach innen drückt, siehe Fig. 8. Dadurch kann sich das Axialverriegelungselement 33 weiter axial vorwärts bewegen, wobei die Vorsprünge 33a unter der Nase 72a hindurchgleiten und in die Vertiefung 72b des Verbindungselements 72 gelangen. Die Vertiefung 72b bietet einen Freiraum für die Vorsprünge 33a, wodurch sich die Zungen 33b wieder in ihre radiale Ausgangsstellung zurückbewegen können, siehe Fig. 9. Wenn nun die axiale Einführungsbewegung des Verbindungselements 2 aufhört, so bewegt sich aufgrund der Vorspannung durch die Federn 36 das Axialführungselement 32 etwas zurück in seine Gleichgewichtsstellung, in der wieder der stegförmige Abschnitt 32b ein Widerlager für die Vorsprünge 33a darstellt, so dass diese an einer radialen Bewegung nach innen gehindert werden, wodurch die Verriegelungsstellung eingenommen wird, siehe Fig. 10.
Nun wird mittels der Drehgriffe 38 der Außenkörper 31 der Verbindungsvorrichtung 2 gedreht, so dass die elektrischen Anschlüsse 35 (Buchse) der Verbindungsvorrichtung 2 mit den elektrischen Anschlüssen 73 (elektrische Kontaktstifte) des Bohrrohrs 6 axial in Ausrichtung gelangen, siehe Fig. 11 und Detail A von Fig. 11. Die Fixierung des Außenkörpers 31 in seiner Axialposition (gegen den Federdruck von Druckplatten im Inneren des Bohrrohrs 6) wird mittels des Sägezahngewindes 37 vorgenommen. Diese Position mit galvanisch verbundenen elektrischen Anschlüssen 35, 73 stellt die Arbeitsposition der Verbindung des Verbindungselements 2 mit dem Bohrrohr 6 während der Umbauarbeiten dar.
Um die Verbindung zwischen dem Bohrrohr 6 und der Verbindungsvorrichtung 2 zu lösen, werden die oben beschriebenen Vorgänge in umgekehrter Reihenfolge vorgenommen. Das heißt, dass zunächst durch Drehung des Außenkörpers 31 in die Gegenrichtung seine axiale Fixierung gelöst werden muss. Durch die Lösung der axialen Fixierung des Außenkörpers erfolgt eine Unterbrechung des galvanischen Kontakts der elektrischen Anschlüsse 35, 73. Durch Ziehen am Axialgriff 39 bewegt sich das Axialführungselement 32 axial in Bezug auf das Axialverriegelungselement 33 nach außen, da das Axialverriegelungselement 33 an einer Axialbewegung gehindert ist, weil seine Vorsprünge 33a gegen die Nase 72a des Verbindungselements 72 des Bohrrohrs stoßen. Durch die Relativverlagerung zwischen Axialführungselement 32 und Axialverriegelungselement 33 gelangt die erste Umfangsnut 32a des Axialführungselements 32 in Ausrichtung mit den Vorsprüngen 33a des Axialverriegelungselements 33, siehe Fig. 12. Jetzt können die Vorsprünge 33a von der Nase 72 radial nach innen in die Umfangsnut 32a gedrückt werden, siehe Fig. 13, wodurch sich die Verriegelung des Axialverriegelungselements 33 löst und dieses ebenfalls ungehindert axial nach außen bewegt werden kann.
Die bisher beschriebene Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verbindungsvorrichtung 2 ist für die manuelle Bedienung durch Bedienpersonal an der Bohranlage vorgesehen. Es ist jedoch auch möglich, die Verbindungsvorrichtung 2 für den halbautomatischen oder vollautomatischen Betrieb auszurüsten.
Fig. 14 zeigt eine Ausführungsform der Verbindungsvorrichtung 2, die mit einem motorischen Antrieb zur Drehung des Außenkörpers 31 versehen ist. Ein Motor 53 dreht den Außenkörper 31 in Bezug auf das Axialführungselement 32 über ein Getriebe, umfassend ein Ritzel 51 an der Antriebswelle des Motors 53 und einen Zahnkranz 52 auf der Außenfläche des Außenkörpers 31. Mittels Axialantrieben 50, die z.B. als hydraulische oder pneumatische Zylinder-Kolben-Systeme oder als Gewindespindeln realisiert sind, wird die axiale Bewegung des Außenkörpers 31 in Bezug auf das Axialführungselement 32 gesteuert. Die Antriebe 50 sitzen auf einer Drehausgleichsvorrichtung 40, an der auch der Steckverbinder 41 befestigt ist. Auch bei dieser Ausführungsform ist ein elektrischer Detektorschalter 54 vorgesehen, der detektiert, ob der Außenkörper 31 in eine korrekte Winkelausrichtung zum Bohrrohr gedreht wurde, in der eine galvanische Verbindung zwischen den elektrischen Anschlüssen der Verbindungsvorrichtung und des Bohrrohrs stattfindet. In dieser korrekten Winkelausrichtung erfolgt die finale Fixierung des Außenkörpers 31 durch die Axialantriebe 50.
Fig. 15 zeigt eine Ausrüstung der Verbindungsvorrichtung 2 mit Geräten zur automatischen Platzierung der Verbindungsvorrichtung 2 am Bohrrohr 6, während es von einem Greifer 1 gehalten wird. Dazu ist die Verbindungsvorrichtung 2 in einem Gehäuse 63 untergebracht, das über Aktuatorarme 61, 62 am Halter 10 montiert ist, wobei der Halter 10 über die Kabelgehäuselagerung 9 am Drehverbinderkörper 3 fixiert ist. Vom Drehverbinderkörper 3 erstreckt sich der verkabelte Montagekörper 4. Die Aktuatorarme 61, 62 werden von Aktuatoren 60 in dreidimensionaler Bewegung zum Bohrrohr 6 zugeführt und weggeführt. Das Gehäuse 63 hat ein konisches offenes Ende, das das Aufsetzen am Bohrrohr 6 in zentrierter Ausrichtung erleichtert. Selbstverständlich können auch Abstandsmesser zur genaueren Platzierung verwendet werden.

Claims

Vorrichtung (2) zum Verbinden von zumindest einer elektrischen Daten- und/oder Versorgungsleitung (17, 23) mit elektrischen Anschlüssen (73) eines verdrahteten Bohrrohrs (6), wenn sich das Bohrrohr nicht im aktiven Bohrbetrieb befindet, wobei die Verbindungsvorrichtung (2) umfasst:
elektrische Anschlüsse (35), die mit der zumindest einen elektrischen Daten- und/oder Versorgungsleitung (17, 23) galvanisch verbunden und mit den elektrischen Anschlüssen (73) des Bohrrohrs (6) in Kontakt bringbar sind,

ein in ein Aufnahmeende des Bohrrohrs (6) axial einführbares und herausziehbares Axialführungselement (32) und

zumindest ein Axialverriegelungselement (33),
dadurch gekennzeichnet, dass
das Axialführungselement (32) und das Axialverriegelungselement (33) relativ zueinander zwischen einer Axialverriegelungsstellung und einer Freigabestellung axial verlagerbar sind, wobei in der Axialverriegelungsstellung das Axialverriegelungselement (33) zum Ineinandergreifen mit dem Bohrrohr konfiguriert ist, und wobei in der Freigabestellung der Eingriff des Axialverriegelungselements (33) in das Bohrrohr gelöst ist.
Verbindungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Axialverriegelungselement (33) radial beweglich ist, vorzugsweise elastisch radial beweglich ist.
Verbindungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Axialverriegelungselement (33) in der Freigabestellung radial einziehbar ist.
Verbindungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Axialführungselement (32) zumindest eine Vertiefung, vorzugsweise zumindest eine Umfangsnut (32a, 32c), aufweist, in die in der Freigabestellung das Axialverriegelungselement (33) radial einziehbar ist.
Verbindungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Axialführungselement (32) zwei axial voneinander beabstandete Vertiefungen, vorzugsweise Umfangsnuten (32a, 32c), aufweist, die zwei unterschiedliche Freigabestellungen definieren, wobei eine erste Freigabestellung durch relative axiale Verlagerung des Axialführungselements zum Axialverriegelungselement (33) in eine erste Richtung eingenommen wird, und eine zweite Freigabestellung durch relative axiale Verlagerung des Axialführungselements (32) zum Axialverriegelungselement (33) in die Gegenrichtung eingenommen wird.
Verbindungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Axialverriegelungsstellung ein Abschnitt (32b) des Axialführungselements (32) ein Widerlager gegen radiales Einziehen des Axialverriegelungselements (33) bildet.
Verbindungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Axialverriegelungselement (33) Vorsprünge (33a) aufweist, die konfiguriert sind, um in der Axialverriegelungsstellung in Vertiefungen (72b) des Bohrrohrs (6) einzugreifen, oder dass das Axialverriegelungselement Vertiefungen aufweist, die konfiguriert sind, um in der Axialverriegelungsstellung in Vorsprünge des Bohrrohrs einzugreifen.
Verbindungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Axialverriegelungselement (33) als Klemmhülse ausgebildet ist, die das Axialführungselement (32) umgibt.
Verbindungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie, vorzugsweise mittels Federn (36), in die Axialverriegelungsstellung vorgespannt ist.
Verbindungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen drehbaren Außenkörper (31), in dem die elektrischen Anschlüsse (35) so konfiguriert sind, dass sie durch Drehbewegung des Außenkörpers (31) mit den elektrischen Anschlüssen des Bohrrohrs (6) in Kontakt bringbar sind, wobei die Verbindungsvorrichtung (2) vorzugsweise mit Drehgriffen (38) und/oder Axialgriffen (39) ausgestattet ist.
Verbindungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenkörper (31) und das Axialverriegelungselement (33) in Bezug aufeinander axial im Wesentlichen starr, aber drehbar verbunden sind, wobei die Verbindung vorzugsweise mittels eines Zwischenelements (34) realisiert ist, das axial starr mit dem Axialverriegelungselement (33) verbunden ist und an seiner Außenfläche ein Außengewinde (34c) aufweist, auf das drehbar ein Innengewinde (31a) des Außenkörpers (31) geschraubt ist.
Verbindungsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Axialverriegelungselement (33) und/oder das Zwischenelement (34) durch ein Drehsperrelement (43) gegen Verdrehen in Bezug auf das Axialführungselement (32) gesichert ist/sind.
Verbindungsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement (34) Drehsperrelemente (34a, 34b) zum Eingriff in das Bohrrohr (6) aufweist.
Verbindungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenkörper (31) mittels eines Motors (53) und optional eines Getriebes (51, 52) drehbar ist, wobei die Verbindungsvorrichtung (2) vorzugsweise mit Aktuatoren (60) zur automatischen Zufuhr zum und Wegfuhr vom Bohrrohr (6) ausgestattet ist.
Verbindungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Kontaktdetektorschalter (25, 54), der detektiert, ob die elektrischen Anschlüsse (35) der Verbindungsvorrichtung (2) mit den elektrischen Anschlüssen des Bohrrohrs (6) in Kontakt sind.
Verbindungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine elektrische Leitung mittels einer Drehausgleichsvorrichtung (8, 40) in einem Kabelstrang (18) aus der Verbindungsvorrichtung (2) herausgeführt ist.
Verbindungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Handgerät ausgebildet ist, wobei an die zumindest eine elektrische Daten- und/oder Versorgungsleitung zumindest ein Gerät zum Ein- und Ausspeisen von Daten-, Status- und/oder Prüfsignalen und zur Auswertung von ausgespeisten Signalen angeschlossen ist, wobei das Gerät vorzugsweise ein Benutzerinterface aufweist.