DE102004054153A1

DE102004054153A1 - Bohrgerät

Info

Publication number: DE102004054153A1
Application number: DE102004054153A
Authority: DE
Inventors: Elmar Dipl.-Ing. Koch
Original assignee: Tracto Technik GmbH and Co KG
Current assignee: Tracto Technik GmbH and Co KG
Priority date: 2004-11-08
Filing date: 2004-11-08
Publication date: 2006-05-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bohrgerät zum Einbringen von Erdreichbohrungen mit einem asymmetrischen Gehäuse und einem Bohrkopf, der über ein Bohrgestänge mit einer außerhalb der Erdbohrung angeordneten Antriebsvorrichtung verbunden ist, wobei das Gehäuse über einen Freilauf mit dem Bohrgestänge oder dem Bohrkopf verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bohrgerät zum Einbringen von Erdreichbohrungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bohrgeräte zum Einbringen von Erdreichbohrungen sind in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt. Insbesondere die Art und Beschaffenheit des Erdreichs, worunter auch Festgestein fallen soll, sowie die Art der Bohrung – Horizontal- oder Tiefbohrung – bestimmen die spezifische Ausgestaltung der jeweiligen Bohrvorrichtung.
Ist bei weichen Böden in der Regel noch ein konischer Bohrkopf ausreichend, der statisch oder dynamisch vorgetrieben wird, so werden zur Erstellung von Bohrlöchern in Festgestein häufig Bohrköpfe mit sogenannten Rollenmeißeln verwendet, die ein besseres Schnittverhalten in hartem Festgestein aufweisen. Häufig werden diese Rollenmeißelbohrköpfe über hydrostatisch oder hydrodynamische Inlochmotoren, beispielsweise Mud-Motoren oder spülungsbetriebene Turbinen angetrieben.
Prinzip- und bauraumbedingt ist die Leistungsfähigkeit dieser Inlochmotoren jedoch stark beschränkt.

Eine Verbesserung eines derartigen Bohrgeräts, das sich auch zum Erstellen von Bohrungen in Festgestein eignet, ist aus EP 0 674 093 B1 bekannt. Eine Ausführungsform des dort beschriebenen Bohrgeräts umfaßt einen Bohrmeißel, der über ein Bohrgestänge mit einer außerhalb des Bohrloches angeordneten Antriebsvorrichtung verbunden ist. Diese Antriebsvorrichtung überträgt ein Drehmoment sowie eine Vorschubkraft auf den Bohrmeißel. Ferner weist diese Bohrvorrichtung ein Gehäuse auf, welches dazu ausgelegt ist, den Bohrmeißel zu führen, zu stabilisieren und das Drehmoment an der Bohrlochwandung abzustützen. Weiterhin ist eine Lenkfunktion für das dargestellte Bohrgerät vorgesehen.

Die Lenk- oder Steuerungsfunktion des Bohrgeräts wird prinzipiell dadurch erreicht, dass der vordere Abschnitt des Gehäuses dezentral innerhalb des Bohrlochs angeordnet wird. Dazu ist ein Ablenkschuh vorgesehen, der einseitig an der Außenfläche des Gehäuses angeordnet ist. Der Ablenkschuh bewirkt somit eine Ablenkung des Gehäuses auf die Seite, an der kein Schuh vorhanden ist und somit einen bogenförmigen Verlauf der Bohrung.

Zum Richtungsteuern des Bohrgeräts wird das Gehäuse innerhalb des Bohrlochs um eine bestimmte Winkellage gedreht. Hierzu werden verschiedene Möglichkeiten offengelegt.

In einer Ausführungsform weist das Bohrgerät eine Doppelrohrkonstruktion auf. Hierbei wird das zum Antrieb des Bohrmeißels verwendete Bohrgestänge von einem Hohlrohr umgeben, welches mit dem Gehäuse fest verbunden ist und sich ebenfalls bis zur Erdoberfläche erstreckt. Durch eine Drehung an dem Hohlrohr wird die Position des Gehäuses innerhalb des Bohrlochs verändert.

Eine andere Ausführungsform sieht vor, das Bohrgestänge über eine Kupplung temporär mit dem Gehäuse zu verbinden, um somit die gewünschte Winkellage einzustellen.

Beide Ausführungsformen der EP 0 674 093 B1 sind konstruktiv sehr aufwendig. Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Bohrgerät zu schaffen, welches insbesondere vorteilhaft für feste Gesteinsbohrungen verwendet werden kann, und mindestens einen Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen verringert.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht.

Der Kern der Erfindung liegt darin, ein Bohrgerät bereitzustellen, das u.a. ein asymmetrisches Gehäuse und einen Bohrkopf aufweist, der über ein Bohrgestänge mit einer außerhalb der Erdbohrung angeordneten Antriebsvorrichtung verbunden ist. Die Verbindung zwischen dem Gehäuse und dem Bohrgestänge oder dem Bohrkopf wird erfindungsgemäß über einen Freilauf erreicht.

Der Freilauf koppelt eine Drehbewegung des Bohrgestänges in einer Drehrichtung mit dem Gehäuse, während er in der entgegengesetzten Drehrichtung die Relativbewegung zwischen den beiden Bauteilen zuläßt.

Der Begriff „asymmetrisch" ist im vorliegenden Fall und bezogen auf das Gehäuse funktional zu verstehen. Hierunter fallen insbesondere Ausführungen des Gehäuses, die durch eine asymmetrische Form oder eine asymmetrische Lage von anderen Bauteilen des Bohrgeräts, die somit eine dezentrale (auf den Querschnitt bezogene) Vortriebskraft auf das Gehäuse übertragen, eine Seitenkraft erzeugen, die zu einer Ablenkung des Gehäuses innerhalb des Erdreichs führt.

Unter „Bohrgerät" ist insbesondere jedes Gerät zu verstehen, welches in einem bestehenden im wesentlichen horizontal verlaufenden Kanal bewegt wird, um eine Bohrung zu erstellen oder aufzuweiten oder ein bestehendes Rohr zerstörend oder nicht zerstörend zu ersetzen, zu reinigen, Leitungen in bestehende Rohre oder andere Langkörper einzuziehen sowie sämtliche Vorrichtungen für Bauarbeiten des unterirdischen Vortriebs. Das Erdbohrgerät im Sinne dieser Erfindung ist nicht auf unterirdische Erdarbeiten beschränkt. So können beispielsweise Leitungen, in denen ein Erdbohrgerät betrieben wird auch oberirdisch verlaufen.

Das Bohrgestänge kann aus einer Vielzahl von Gestängeschüssen bestehen, die untereinander über Gestängeverbindungen (beispielsweise Gewindekupplung, Steckkupplung) verbunden werden und Schub- und/oder Zugkräfte und – mindestens bis zu einem definierten Grenzmoment – auch ein Drehmoment übertragen können. Die Gestängeschüsse können auch unterschiedlich sein. Vorteilhafterweise ist der Abschnitt des Bohrgestänges, der sich innerhalb des Gehäuses befindet, fest mit diesem verbunden und weist ein von dem der übrigen Gestängeschüsse verändertes mechanisches Verhalten auf.

Das entsprechende Verfahren zum Einbringen von Erdreichbohrungen zeichnet sich dadurch aus, dass das Bohrgerät durch einen schiebenden und (in Vorschubdrehrichtung) drehenden Antrieb des Bohrgestänges vorgetrieben wird, wobei es aufgrund der asymmetrischen Auslegung des Gehäuses eine Kurvenbahn beschreibt. Während des Rotierens des Bohrgestänges in Vorschubdrehrichtung ist das Gehäuse nicht an die Rotation des Bohrgestänges gekoppelt.

Nach einem bestimmten Bohrfortschritt wird die Gehäuseausrichtung innerhalb des Bohrlochs durch Drehen des Bohrgestänges über einen definierten Winkelbereich in die entgegengesetzte Drehrichtung (Steuerdrehrichtung), bei der das Gehäuse an die Drehbewegung des Gestänges gekoppelt ist, umgesteuert. Durch ein erneutes Vortreiben des Bohrgeräts mit Hilfe des schiebenden und (in Vorschubdrehrichtung) drehenden Antriebs des Bohrgestänges wird das Bohrgerät weiter vorgetrieben.

Bei einer entsprechenden Steuerung des erfindungsgemäßen Bohrgeräts wird durch Erzeugen eines schlangenförmigen Bohrlochs mit geringem Versatz eine quasi gerade Bohrung erzeugt.

Durch die vorliegende Erfindung wird auf konstruktiv einfache Weise ermöglicht, das asymmetrische Gehäuse, welches zur Steuerung des Bohrgeräts verwendet wird, bedarfsweise über die außerhalb des Bohrlochs angeordnete Antriebsvorrichtung umzusteuern.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das asymmetrische Gehäuse mit einem in Längsrichtung abgewinkelten Gehäusemantel ausgeführt. Neben einem Gehäuse, das zwei sich in einem Schnittpunkt treffende gerade Abschnitte aufweist, sind unter abgewinkeltem Gehäuse auch insbesondere Gehäuse in gebogener Form zu verstehen.

Eine alternative Ausführungsform kann vorsehen, das im wesentlichen geradlinige Gehäuse durch einseitige Anordnung eines Ablenkungselements asymmetrisch auszuführen bzw. asymmetrisch dezentral innerhalb des Bohrlochs anzuordnen.

Eine weitere Ausführungsform kann vorsehen, die Lage des Bohrgestänges, das sich durch das gesamte Gehäuse erstreckt, dezentral innerhalb dieses Gehäuses anzuordnen, um somit eine dezentrale Einleitung der Vortriebskraft zu bewirken.

Auch durch einen asymmetrischen Querschnitt des Gehäusemantels kann eine Ablenkfunktion erreicht werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Bohrgerät mindestens ein Führungselement an der Außenfläche des Gehäuses auf. Dieses Führungselement kann das Führen des Bohrgeräts innerhalb des Bohrlochs in Längsrichtung unterstützen, um ein unbeabsichtigtes Verdrehen innerhalb des Bohrlochs zu verhindern.

Dasselbe oder ein weiteres Führungselement kann zudem dazu ausgelegt sein, ein Drehmoment, welches ein unbeabsichtigtes Drehen des Gehäuses innerhalb des Bohrlochs bewirken würde, an der Bohrlochwand abzustützen.

Um jedoch eine gewollte Steuerdrehung des Gehäuses innerhalb des Bohrlochs nicht zu behindern, kann das oder die Führungselemente vorteilhafterweise so gestaltet sein, dass diese aus dem Kontakt mit der Wand des Bohrlochs herausgebracht werden können. Beispielsweise können diese in eine Vertiefung des Gehäuses zurückgezogen werden. Eine andere Möglichkeit ist, dass das oder die Führungselemente sich in ihrer Erstreckung in Radialrichtung des Gehäuses selbst verringern (beispielsweise durch Falten).

Eine besondere Ausführungsform kann vorsehen, das oder die Führungselemente tangential zur Außenkontur des Gehäuses verschiebbar anzuordnen. Dabei kann eine ausgefahrene Endposition vorgesehen sein, in der das Führungselement in Kontakt mit dem Bohrloch steht. Durch die tangentiale Lage des Führungselements wird dieses bei einer bestimmten Drehrichtung des Gehäuses (der Sperrdrehrichtung) in Richtung der ausgefahrenen Endposition beaufschlagt. Beim Drehen in die entgegengesetzte Richtung (freie Drehrichtung) wird das Führungselement tangential verschoben und, beispielsweise durch Hineinschieben in eine Öffnung des Gehäuses, aus dem Kontakt mit dem Bohrloch gebracht. Dadurch wird eine Rotation des Gehäuses innerhalb des Bohrlochs geringstmöglich behindert.

Eine alternative Ausgestaltung sieht vor, das oder die Führungselemente tangential anzuordnen, wobei die Seite des Führungselements, die an dem Gehäusemantel anliegt, eine gemeinsame Drehachse des Führungselements mit dem Gehäuse bildet. Das Führungselement ist dadurch klappbar, wobei es im eingeklappten Zustand vorteilhafterweise vollständig auf dem Gehäusemantel aufliegt. Dazu kann es eine Bogenform mit einem dem Gehäuse entsprechenden Radius aufweisen. Eine Rotation des Gehäuses in die Sperrdrehrichtung bewirkt ein Ausklappen des Führungselements, wobei ein Sicherungselement eine ausgeklappte Endposition definieren kann.

Vorteilhafterweise ist der Bohrkopf in Form eines Rollenmeißels ausgeführt. Durch das hohe Drehmoment, das über das Bohrgestänge von der Antriebsvorrichtung auf den Bohrkopf ausgeübt wird, kann somit eine gute Schnittwirkung und somit ein guter Vortrieb insbesondere in Festgestein erreicht werden.

Innerhalb des Gehäuses kann vorteilhafterweise ein Abschnitt des Bohrgestänges vorgesehen sein, der sich durch eine verringerte Biegesteifigkeit auszeichnet. Dieser biegeweiche Abschnitt ist insbesondere bei einer Ausführung des Gehäuses in abgeknickter Form sinnvoll, um die Reaktionskräfte innerhalb der Lage, die das Bohrgestänge innerhalb des Gehäuses positionieren, gering zu halten und die Lebensdauer dieses Abschnitts des Bohrgestänges, der durch Biegewechselspannung beansprucht wird, zu erhöhen.

Der biegeweiche Bereich des Bohrgestänges kann durch eine Vielzahl von Möglichkeiten erreicht werden. Insbesondere kann hier ein Gestängeabschnitt vorgesehen sein, der wie das restliche Gestänge hohl ausgeführt ist, jedoch im Vergleich zu diesem eine verringerte Wandstärke aufweist. Eine Alternative sieht den Einsatz von alternativen Werkstoffen vor. Es sind jedoch auch Gelenkanordnungen (beispielsweise Kreuzgelenke) einsetzbar, die die Übertragung der Antriebskräfte und -momente auch bei nicht-paralleler Lage von Antriebs- und Abtriebsachse sicherstellen, dabei jedoch nicht notwendigerweise eine elastische Reaktionskraft erzeugen müssen.

Weiterhin kann das Bohrgerät einen Austritt für ein Bohrfluid, beispielsweise Bentonit, aufweisen. Insbesondere ist dessen Anordnung im Bereich des Bohrkopfs sinnvoll, um für eine Säuberung der Ortsbrust sowie den Abtransport des Bohrkleins zu sorgen.

Die Zufuhr für das Bohrfluid kann vorteilhafterweise innerhalb des Bohrgestänges angeordnet sein. Dies kann dadurch erfolgen, dass eine Leitung für das Bohrfluid oder das Bohrfluid selbst innerhalb des hohlen Bohrgestänges geführt wird. Alternativ Ausführungsformen sehen vor, das Bohrfluid über eine außerhalb des Bohrgestänges liegende, vom Bohrgerät nachgezogene Fluidleitung zu führen.

Das Bohrfluid kann auch vorteilhaft genutzt werden, um die angesprochenen Führungselemente anzusteuern und somit bei Bedarf aus dem Kontakt mit dem Erdreich zu bringen

Um einen Bohrvortrieb zu verfolgen, kann ein Sensor zur Bestimmung der Position sowie der Ausrichtung des Gehäuses vorhanden sein. Dabei kann der Sensor an beliebiger Stelle innerhalb oder außerhalb des Gehäuses angeordnet sein und Daten bezüglich der absoluten Position des Gehäuses innerhalb des Erdreichs sowie der relativen Lage des gekrümmten Gehäuses zu dem Bohrgestänge bzw. innerhalb des Erdreichs übermitteln. Die Datenübermittlung, beispielsweise an eine Steuervorrichtung außerhalb des Bohrlochs, kann kabellos, beispielsweise über elektromagnetische Wellen, oder mittels Kabel erfolgen. Andere Signalgenerierungen, beispielsweise optische oder akustische sind denkbar. Sofern der Sensor mit einer Datenübertragungsvorrichtung verbunden ist, kann diese dazu verwendet werden, weitere Meß- oder Steuerdaten zu übertragen.

Durch die Ermittlung von Position und Ausrichtung des Gehäuses wird das Erstellen von genaueren Bohrungen ermöglicht.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt ein erfindungsgemäßes Bohrgerät in einem Längsschnitt.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel eines Bohrgeräts besteht aus einem Gehäuse 1 mit einer Mehrzahl von auf der Mantelfläche angeordneten Führungsschuhen 2. Diese Führungsschuhe 2, die vorteilhafterweise eine große Längserstreckung bei geringer Breite aufweisen, sorgen für eine gute längsaxiale Führung des Bohrgeräts innerhalb des Bohrlochs (nicht dargestellt).
In Längsrichtung durch das Gehäuse 1 erstreckt sich ein Bohrgestänge 3, an dessen vorderem Ende sich ein Bohrkopf 4 in Form eines Rollenmeißels befindet. Das Gestänge 3 ist innerhalb des Gehäuses 1 über ein vorderes und ein hinteres Radiallager (nicht dargestellt) gelagert (auch axial).
Weiterhin besteht über einen Freilauf 5, der im hinteren Abschnitt des Gehäuses 1 angeordnet ist, eine Verbindung zwischen dem Gehäuse 1 und dem Bohrgestänge 3. Der Freilauf 5 ermöglicht eine relative Drehung des Bohrgestänges 3 zu dem Gehäuse 1 in eine Drehrichtung, während er in die entgegengesetzte Drehrichtung die Drehbewegungen der beiden Bauteile koppelt.
Das Gehäuse 1 des dargestellten Bohrgeräts ist nicht vollständig gerade ausgeführt, sondern verläuft leicht bogenförmig. Diese Bogenform des Gehäuses 1 sorgt für einen ebenfalls bogenförmigen Verlauf des Bohrlochs, solange die Ausrichtung des Gehäuses innerhalb des Bohrlochs konstant bleibt.
Die Krümmung des Gehäuses 1 ist vorteilhafterweise derart bemessen, dass eine ausreichende Steuerfunktion des gesamten Bohrgeräts erhalten bleibt, die Abweichung von der geraden Soll-Bohrachse jedoch möglichst gering ist. Um dieser Soll-Bohrachse zu folgen, wird das Bohrgerät so lange mit einer Ausrichtung des Gehäuses 1 betrieben, bis eine definierte Abweichung von der Soll-Bohrachse erreicht ist. Daraufhin wird die Ausrichtung des Gehäuses 1 verändert, vorteilhafterweise um 180°, indem die Drehrichtung des Gestänges 3 verkehrt wird. In dieser Richtung wird die Drehbewegung des Gestänges 3 mit dem Gehäuse 1 durch den Freilauf 5 gekoppelt, so dass über eine Antriebsvorrichtung (nicht dargestellt) für das Bohrgestänge 3 die Ausrichtung des Gehäuses 1 verändert werden kann. Nach einer erneuten Umkehrung der Drehrichtung des Gestänges 1 wird der Bohrvortrieb weiter durchgeführt, bis eine entsprechend definierte Abweichung von der Soll-Bohrachse auf der gegenüberliegenden Seite erreicht wird.
Wiederum erfolgt das Umsteuern des Gehäuses durch die Antriebsvorrichtung. Im Bereich der Krümmung des Gehäuses 1 ist das Bohrgestänge 3 erkennbar mit einer geringeren Wandstärke ausgeführt, so dass die Biegefestigkeit an dieser Stelle herabgesetzt ist. Dadurch werden die Biegewechselbeanspruchungen, die an dieser Stelle auf das Bohrgestänge wirken und von diesem auf die angrenzenden Bauteile übertragen werden, verringert.
Weiterhin ist das Bohrgestänge 3 hohl ausgeführt. Diese hohle Ausführung dient dazu, ein Bohrfluid, beispielsweise Bentonit, von einer Versorgungsstation (nicht dargestellt) außerhalb des Bohrlochs zu dem Bohrkopf 4 zu transportieren, der stirnseitig einen entsprechenden Fluidaustritt aufweist. Das Bohrfluid dient zur Säuberung der Ortsbrust sowie zum Abtransport des Bohrkleins.
Ein Räumer am rückwärtigen Ende des Bohrgeräts, ausgeführt als konischer Abschnitt des Gehäuses oder als Adapter, sorgt für ein widerstandsarmes Verdichten von gelockertem Erdreich im Falle einer Rückwärtsbewegung des Bohrgeräts durch das Bohrloch.

Claims

Bohrgerät zum Einbringen von Erdreichbohrungen mit einem asymmetrischen Gehäuse (1) und einem Bohrkopf (4), der über ein Bohrgestänge (3) mit einer außerhalb des Bohrgeräts angeordneten Antriebsvorrichtung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) über einen Freilauf (5) mit dem Bohrgestänge (3) oder dem Bohrkopf (4) verbunden ist.
Bohrgerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein in Längsrichtung abgewinkeltes Gehäuse (1).
Bohrgerät nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch mindestens ein Führungselement (2) an der Außenfläche des Gehäuses (1) zum Führen des Bohrgeräts innerhalb des Bohrlochs in Längsrichtung.
Bohrgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens ein Führungselement (2) an der Außenfläche des Gehäuses (1) zum Abstützen eines Drehmoments in mindestens einer Drehrichtung an der Bohrlochwand.
Bohrgerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement (2) aus dem Kontakt mit dem Bohrloch heraus gebracht werden kann.
Bohrgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement (2) tangential zur Außenkontur des Gehäuses (1) verschiebbar ist und eine ausgefahrene Endposition, bei der das Führungselement (2) in Kontakt mit dem Bohrloch steht, und eine eingefahrene Position aufweist, bei der das Führungselement (2) nicht in Kontakt mit dem Bohrloch steht.
Bohrgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Bohrkopf (4) in Form eines Rollenmeißels.
Bohrgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Abschnitt des Bohrgestänges (3) mit einer verringerten Biegesteifigkeit.
Bohrgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Austritt für ein Bohrfluid im Bereich des Bohrkopfs (4).
Bohrgerät nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Zufuhr für das Bohrfluid innerhalb des Bohrgestänges (3).
Bohrgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Sensor zur Bestimmung der Ausrichtung des Gehäuses (1).
Verfahren zum Einbringen von Erdreichbohrungen mit folgenden Schritten: – Vortreiben eines Bohrgeräts mit einem Gehäuse (1), das durch asymmetrische Auslegung eine Seitenkraft erzeugt, sowie einem Bohrkopf (4), der über ein Bohrgestänge (3) mit einer Antriebseinheit außerhalb des Bohrgeräts angeordnet ist, durch schiebenden und drehenden Antrieb (in Vorschubdrehrichtung) des Bohrgestänges (3); – Umsteuern der Gehäuseausrichtung durch Drehen des Bohrgestänges (3) über einen definierten Winkelbereich in die entgegen gesetzte Drehrichtung (Steuerdrehrichtung) wobei die Drehbewegung des Gestänges über einen Freilauf auf das Gehäuse übertragen wird; und – Erneutes Vortreiben des Bohrgeräts durch schiebenden und drehenden Antrieb (in Vorschubdrehrichtung) des Bohrgestänges (3).