DE10007647C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Übermittlung von Daten in ein Bohrloch während eines Bohr- oder Aufweitvorganges - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Übermittlung von Daten in ein Bohrloch während des Bohrvorganges gemäss den Oberbegriffen des ersten Patent­ anspruchs und des vierten Patentanspruchs.

Zum Verlegen von Rohren und Leitungen sowie von Kontrollbohrungen unterhalb von Deponieversiegelungen kommt zunehmend das Horizontalbohrverfahren zum Ein­ satz. Von einer Startgrube aus wird dabei zunächst mit einer Lanze horizontal eine Pilotbohrung zu einer Zielgrube ge­ schaffen. Nach Fertigstellung der Pilotbohrung wird die Lanze wieder zurückgezogen, wobei an diese, je nach ge­ wünschtem Bohrlochdurchmesser, ein entsprechender Auf­ weitkopf sowie das einzuziehende Rohr oder Kabel ange­ hängt wird. Beim Bohr- und Aufweitvorgang tritt unter ho­ hem Druck eine Spülflüssigkeit aus speziellen Düsen am Bohrkopf aus. Während sich beim Bohrvorgang grobes Bohrmaterial in das umgebende Erdreich einlagert, wird der feinkörnige Anteil durch die Spülflüssigkeit entlang der Bohrung in die Start- oder Zielgrube ausgespült. Durch das Horizontalbohrverfahren lassen sich die für Leitungs- und Rohrverlegungsverfahren herkömmlicher Art typische Be­ lästigungen für Anwohner, Verkehr und Umwelt aber oft auch die Verlegungskosten erheblich reduzieren.

Für eine Bestandsaufnahme der Erdreichbelastung unter­ halb von Deponien müssen mit der Anlegung eines Netz­ werkes von Bohrlöchern mit dem Horizontalbohrverfahren unter der Deponieversiegelung Bodenproben entnommen werden.

Ein Verfahren zur Entnahme von Bodenproben während des Horizontalbohrverfahrens ist das sog. PIK-Verfahren (Probennahme in Kartusche), welches in [1] beschrieben und anhand der Fig. 1a bis 1c erläutert wird. Nach der Her­ stellung der Pilotbohrung wird in der Zielgrube ein PIK- Modul an den Bohr- oder den Aufweitkopf angeflanscht und beim Zurückziehen des Bohrstranges mit in das Bohrloch eingezogen. Das PIK-Modul ist in den Fig. 1a-c im Bohr­ loch 1 allein, d. h. ohne Bohrstrang, Bohrkopf, Aufweitkopf, oder andere Moduln, dargestellt. Die Hauptkomponenten ei­ nes PIK-Moduls sind die becherförmige Kartusche 2, wel­ che an der geschlossenen Stirnseite über ein Gelenk 3 an dem PIK-Modul-Träger 4 schwenkbar befestigt ist, eine Auslösehydraulik 5, ein vorderer Deckel 6, ein Verschluss­ deckel 8, eine Verschlusshydraulik 9 und ein Räumer 7. Bei der Probennahme wird das PIK-Modul in einer Zugrichtung 10 durch das Bohrloch 1 gezogen, wobei die Auslösehy­ draulik 5 den vorderen Deckel 6 auf die Kartuschenöffnung drückt und somit die Kartusche 2 im PIK-Modul fixiert und verschließt (Fig. 1a). An der gewünschten Entnahmestelle wird durch die Auslösehydraulik 5 ein Mechanismus ausge­ löst, der den vorderen Deckel 6 von der Kartusche 2 abhebt und die Kartusche 2 mit einer Schwenkbewegung 13 um das Gelenk 3 aufrichtet, wobei die Kartusche 2 mit dem offenen Ende in das umliegende Erdreich 11 eingedrückt wird und die Bodenprobe 12 aufnimmt (Fig. 1b). Bei weiterer Bewe­ gung des PIK-Moduls im Bohrloch 1 in Zugrichtung 10 schlägt die mit der Bodenprobe 12 gefüllte Kartusche nach hinten um und wird anschließend mit dem Räumer 7 zen­ triert. Die Verschlussstelle wird durch Überschieben des Verschlussdeckels 8 zusätzlich mechanisch geschützt (Fig. 1c).

Das Auslösen einer PIK-Probennahme zu einem beliebi­ gen Zeitpunkt erfordert eine zuverlässige und eindeutige Übertragung eines Startsignals. Eine Übertragung von Si­ gnalen über Funk scheitert an der generell geringen Reich­ weite von Funksignalen im Erdreich.

In der Praxis der Horizontalbohrtechnik wird daher, wie auch in [2] beschrieben, für eine entsprechende elektroni­ sche Signalübertragung meist im Bohrgestänge ein Kabel mit einer oder mehreren Adern eingezogen. Zusätzlich zum Bohrstrang eingezogene Kabel erweisen sich in der Praxis oft als sehr aufwendig, verursachen insbesondere bei größe­ ren Bohrstrecken Störungen und sind selbst oft sehr anfällig gegenüber mechanischen Beschädigungen während des Bohrvorganges. Aus diesem Grund kommen auch Verfahren zur Anwendung, welche im Bereich des Bohrstranges keine zusätzlichen Leitungen für die Signalübertragung benöti­ gen.

Für die Erdölbohrtechnik wird in [3] ein hydraulisches Verfahren für eine Signalübertragung vom Bohrkopf durch das Bohrloch zum Bohrgerät am anderen Ende des Bohr­ stranges ohne Unterbrechung des Bohrvorganges beschrie­ ben. Hierbei dient der Spülflüssigkeitsstrom zum Bohrkopf als Übertragungsmedium. Mit sogenannten MWD-Tools (Measuring While Drilling-Tools), welche direkt hinter dem Bohrkopf im Bohrstrang eingesetzt sind, lässt sich der Spül­ flüssigkeitsstrom am Bohrkopf gezielt reduzieren oder un­ terbrechen. Die hierbei auftretenden Druckstöße, welche sich gegen die Durchströmungsrichtung der Spülflüssigkeit ausbreiten müssen, eignen sich als Signale und lassen sich am anderen Ende des Bohrstranges aufzeichnen und aus­ werten. Derartige Verfahren eignen sich für Signalübertra­ gungsraten bis etwa 10 Bits. Diese Technik ist jedoch sehr aufwendig, womit ein Einsatz in der Horizontalbohrtechnik als nicht mehr wirtschaftlich vertretbar ausscheidet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gegenüber dem genannten Stand der Technik allein über Druckschwan­ kungen im Spülflüssigkeitszufluss entlang des Bohrstranges zum Bohrkopf Auslösesignale durch das Bohrloch zum PIK-Modul nahe des Bohrkopfes zu übertragen, wobei die Anforderungen der Horizontalbohrtechnik hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit zu erfüllen sind.

Die Aufgabe wird durch das Ver fahren gemäß des An­ spruches 1 und die Vorrichtung gemäß des Anspruches 4 ge­ löst. Die weiteren Ansprüche geben bevorzugte Ausgestal­ tungen des Verfahrens und der Vorrichtung an.

Das Verfahren und die Vorrichtung werden im folgenden anhand von Zeichnungen eines Ausführungsbeispieles er­ läutert:

Fig. 2 zeigt das Prinzipschaltbild der Verfahrens.

Fig. 3 zeigt die Vorrichtung mit den umgebenden Kompo­ nenten für die Aufweitung einer Pilotbohrung sowie für die Probennahme nach dem PIK-Verfahren im einer Horizontal­ bohrung als Prinzipskizze.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird, wie in Fig. 2 im Prinzip dargestellt, der Spülflüssigkeitsstrom mit der Förderpumpe 14 vom Vorratsbehälter 15 durch den als hy­ draulische Drossel 16 wirkenden Aufweit- oder Bohrkopf in das Bohrloch, in Fig. 2 dargestellt als offenen Behälter 17, gepumpt. Der Strom der Spülflüssigkeit in der hydrauli­ schen Leitung 18 zwischen Förderpumpe 14 und Drossel 16 dient bei dem Verfahren als Übertragungsmedium für das Startsignal der PIK-Probennahme. Das Startsignal wird als hydraulische Drucksignalfolge, ähnlich einer Morsesignal­ folge, entweder durch Aus- und Wiedereinschalten der För­ derpumpe 14 oder durch entsprechendes Öffnen und Schlie­ ßens des Ventils 19 im Bypasskanal 20 auf den Spülflüssig­ keitsstrom in der hydraulischen Leitung 18 aufmoduliert. Die Signalfolge wird so gewählt, dass Verwechslungen mit Signalfolgen, die z. B. beim Bohrgestängewechsel auftre­ ten, ausgeschlossen werden können. Für den Empfang des Startsignals wird an die hydraulische Leitung 18 vor der Drossel 16 ein Druckschalter 21 angesetzt, welcher Druck­ abfälle und Druckanstiege detektiert und an die Sendeelek­ tronik 23 weiterleitet. Die Sendeelektronik 23 demoduliert die empfangene Signalfolge und leitet diese als entsprechen­ des Funksignal 24 an einen Empfänger 25 innerhalb der Reichweite des Funksignals 24 weiter, welcher über einen elektrischen Auslöseimpuls 26 an das PIK-Modul 27 die PIK-Probennahme auslöst.

Die grundsätzlichen Vorteile des Verfahrens liegen in des­ sen Einfachheit, in der hohen Betriebssicherheit der Daten­ übermittlung mit digitalen Drucksignalfolgen, in dem gerin­ gen Investitionsvolumen der einzelnen Komponenten sowie in der Tatsache, dass die Signale ohne Unterbrechung und Einschränkung des Bohrvorganges über bestehende Leitun­ gen und Komponenten in das Bohrloch bis zum Druckschal­ ter übertragen werden können.

Die zum Verfahren zugehörige Vorrichtung wird anhand des Ausführungsbeispiels gemäß der Fig. 3 beschrieben. Sie zeigt detailliert den Teil der Vorrichtung, welcher sich wäh­ rend eines Aufweitbohrvorganges einer Pilotbohrung 28 im Bohrloch 1 befindet. Der Aufweitkopf 29 ist dabei mit dem einen Ende der Lanze 30, welche als Bohrstrang gleichzeitig die hydraulische Leitung 18 für den Spülflüssigkeitsstrom gemäß der Fig. 2 darstellt, verbunden und wird mit dieser gedreht und durch die Pilotbohrung 28 gezogen. Im aufge­ weiteten Bohrloch 1 sind direkt am Aufweitkopf 29 der Druckschalter 21 und die Sendeelektronik 23 starr befestigt, welche das Funksignal zum vor dem PIK-Modul 27 positio­ nierten Empfänger 25 sendet, der sich nicht mit dem Auf­ weitkopf 29 und der Sendeelektronik 23 mitdreht. Die Sen­ deelektronik 23 und der Empfänger 25 benötigen im Aus­ führungsbeispiel eine eigene, autarke Stromversorgung, welche beispielsweise als Akkumulator in den Komponen­ ten mitgeführt wird. Der Aufweitkopf 29 wird vom Bohr­ strang gezogen und rotierend angetrieben. Alle Einrichtun­ gen nach dem Aufweitkopf 29 werden durch den Drehwir­ bel 32 von der Rotation entkoppelt. Die Sendeelektronik 23, der Empfänger 25, das PIK-Modul 27 sowie ein eventuell im gleichen Aufweitvorgang mit einzuziehendes Rohr 32 müssen mit dem Drehwirbel 32 und Schäkelverbindungen 33 miteinander frei schwenkbar verbunden werden. Ferner sind Empfänger 25 und PIK-Modul 27 zusätzlich mit einem Kabel 34 zwecks Übertragung des Auslöseimpulses 26 mit­ einander verbunden. Bei Bedarf können weitere PIK-Mo­ duln 27 in die Kette eingehängt und über zusätzliche Kabel 34 mit dem Empfänger 25 verbunden werden. Sofern der Abstand 35 zwischen Sendeelektronik 23 und Empfänger 25 die maximale Reichwerte der Funksignale 24 für eine zuver­ lässige Signalübertragung nicht überschreitet, kann je ein Empfänger 25 in mehrere hintereinandergereihte PIK-Mo­ duln 27 eingebaut werden, wobei die Notwendigkeit eines verbindenden Kabels entfällt.

Literatur

[1] H. Haffner, J. Isele: Probennahme unter Deponien und Altlasten beim Bohrvorgang, Felsbau 17 (

1999

) Nr. 4, 254-259
[2] K. Kleiser, H.-J. Bayer: Der grabenlose Leitungsbau, Vulkan-Verlag Essen, 1996, S. 23-24
[3] N. J. Hyne: Dictionary of Petroleum Exporation, Drilling & Producktion, PennWell Bocks, Tulsa (OK, USA), 1991, S. 312

Bezugszeichenliste

1

Bohrloch

2

Kartusche

3

Gelenk

4

PIK-Modulträger

5

Auslösehydraulik

6

Vorderer Deckel

7

Räumer

8

Verschlussdeckel

9

Verschlusshydraulik

10

Zugrichtung

11

Erdreich

12

Bodenprobe

13

Schwenkbewegung

14

Förderpumpe

15

Vorratsbehälter

16

Drossel

17

Behälter

18

Hydraulische Leitung

19

Ventil

20

Bypasskanal

21

Druckschalter

22

Signal

23

Sendeelektronik

24

Funksignal

25

Empfänger

26

Auslöseimpuls

27

PIK-Modul

28

Pilotbohrung

29

Aufweitkopf

30

Lanze

31

Rohr

32

Drehwirbel

33

Schäkelverbindung

34

Kabel

35

Abstand

Claims (8)

1. Verfahren zur Übermittlung von Daten in ein Bohrloch während des Bohr- oder Aufweitvorganges bei einem Horizontalbohrver­ fahren, wobei die Übertragung der Daten mit digitalen Druck­ signalen, welche dem Druckverlauf des Spülflüssigkeitsstromes zwischen Pumpe und Bohr- oder Aufweitkopf aufmoduliert sind und sich in Strömungsrichtung der Spülflüssigkeit ausbreiten, erfolgt, die Drucksignale oder Drucksignalfolge am Bohr- oder Aufweitkopf zu einem Befehl demoduliert werden, sowie der Be­ fehl in ein Funksignal umgesetzt wird und zu einem nahelie­ genden Empfänger des Befehls weitergeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drucksignale charakteristische Druckanstiege und/oder -abfäl­ le aufweisen, mit Hilfe dessen ein Drucksignal von dem Druck­ verlauf der Spülflüssigkeit eindeutig unterscheidbar ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass meh­ rere, unmittelbar hintereinander gesendete Drucksignale eine Drucksignalfolge darstellen, deren Zusammensetzung einem Be­ fehl oder einer Information eindeutig zuordnungsfähig ist.

4. Vorrichtung zur Übermittlung von Daten über einen Flüssig­ keitsstrom in einer hydraulischen Leitung (18) als Datenüber­ träger für ein Horizontalbohrsystem, bestehend aus einer Ein­ richtung für die Beaufschlagung des Flüssigkeitsstromes mit definierten Drucksignalen oder Drucksignalfolgen, einer Druckmessvorrichtung an der hydraulischen Leitung (18) für den Empfang der definierten Drucksignale und der Drucksignal­ folgen, einer Sendeelektronik (23) für die Aufschlüsselung der von der Druckmessvorrichtung empfangenen Drucksignale oder Drucksignalfolgen in Befehle und für die Weitergabe die­ ser in Form von Funksignalen (24), mindestens einem Empfänger (25) für den Empfang der Befehle in Form von Funksignalen (24) und für die Weitergabe der Befehle in Form von elektri­ schen Signalen, sowie autarken Versorgungseinheiten für den Betrieb von Empfänger, Sendeelektronik und Druckmessvorrich­ tung.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Beaufschlagung des Flüssigkeitsstromes mit definierten Drucksignalen oder Drucksignalfolgen und die För­ derpumpe für den Flüssigkeitsstrom funktionsmäßig gekoppelt sind und die Einrichtung zur Beaufschlagung des Flüssigkeits­ stromes eine Aus- und Einschaltvorrichtung für die Förder­ pumpe, ein Ventil hinter dem Ausfluss der Förderpumpe oder ein mit einem Ventil (19) verschließender, die Förderpumpe (14) umgehender Bypasskanal (20) ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der hydraulischen Leitung (18) hinter der Druckmessvorrichtung eine druckmindernde Drossel (16) nachge­ schaltet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Druckmessvorrichtung ein Druckschalter (21) ist.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, dass die hydraulische Leitung (18) in einem Bohrstrang für ein Horizontalbohrverfahren integriert, der Flüssigkeits­ strom ein Strom einer für ein Bohrverfahren geeigneten Spül­ flüssigkeit, die Drossel (16) ein Bohr- oder Aufweitkopf ist, die elektrischen Signale Auslöseimpulse sind, und die den Auslöseimpuls empfangenen PIK-Moduln (27) über je ein Kabel (34) mit einem Empfänger (25) elektrisch verbunden sind.