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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen einer Bohrung in das Erdreich sowie eine entsprechende Vorrichtung und einen für die Durchführung des Verfahrens besonders geeigneten Bohrkopf.
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Für das Einbringen von Horizontalbohrungen in das Erdreich wird mittels einer auf der Erdoberfläche oder in einem Schacht angeordneten Antriebseinheit ein Bohrkopf mittels eines Bohrgestänges statisch oder dynamisch in das Erdreich getrieben. Hierbei kommen häufig HDD-(Horizontal Directional Drilling)-Bohrvorrichtungen zum Einsatz, die eine Änderung des Bohrverlaufs während des Bohrbetriebs ermöglichen, so dass die Bohrung mit einem nichtlinearen Verlauf eingebracht oder in dem Erdreich vorhandenen Hindernissen, wie Hartgesteinsbrocken oder bereits verlegten Versorgungsleitungen ausgewichen werden kann. Die Steuerbarkeit der meisten HDD-Bohrvorrichtungen beruht auf der Verwendung eines Schrägbohrkopfs, der aufgrund seiner asymmetrischen Geometrie während des Vortriebs im Erdreich eine seitliche Ablenkung erfährt, die, für den Fall, dass der Bohrkopf in einer definierten Winkellage ausschließlich statisch, d. h. auf Schub belastet vorgetrieben wird, zu einem bogenförmigen Verlauf der Bohrung führt. Ein geradliniges Bohren ist mit einem solchen Schrägbohrkopf möglich, indem dieser während des Vorschubs zusätzlich gleichmäßig rotierend angetrieben wird, so dass sich die durch die Asymmetrie bedingten seitlichen Ablenkungen im Mittel jeder vollständigen Umdrehung des Schrägohrkopfs ausgleichen.
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Stand der Technik ist weiterhin, derartige Bohrvorrichtungen zusätzlich mit einem Schlagantrieb auszustatten, der kontinuierlich oder auch bedarfsweise zugeschaltet werden kann, um den Bohrvortrieb insbesondere in schweren Böden und im Hartgestein zu verbessern. Bei dem Schlagantrieb kann es sich um einen sogenannten Imloch-Bohrhammer handeln, der innerhalb des Bohrkopfs angeordnet ist und seine Schlagimpulse direkt auf diesen überträgt. Bekannt ist auch die Integration des Schlagantriebs in die den Linear- und den Drehantrieb umfassende Antriebsvorrichtung, wobei die Schlagimpulse über das Gestänge an den Bohrkopf übertragen werden. Diese Ausgestaltung weist jedoch gegenüber einem Imloch-Bohrhammer wesentliche Nachteile auf, die insbesondere auf die erhebliche Belastung des Bohrgestänges durch die Übertragung der Schlagimpulse sowie die hierbei erfolgende Dämpfung der Schlagimpulse zurückzuführen sind.
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Insbesondere beim Bohren im Hartgestein sind die Bohrköpfe erheblichen Belastungen ausgesetzt. Es ist daher bekannt, diese an den zur Übertragung der Bohrkräfte vorgesehenen Flächen mit Hartmetallelementen zu versehen, die häufig einen hohen Anteil an Wolframcarbid umfassen. Aufgrund der hohen Verschleißfestigkeit der Hartmetallelemente kann die Standzeit der Bohrköpfe erheblich erhöht werden; zudem können die Hartmetallelemente bei einer entsprechenden Ausgestaltung die Schneidwirkung eines rotierenden Bohrkopfs verbessern.
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Aus
US 6,308,789 B1 ist ein Bohrkopf für Richtungsbohren bekannt. Der Bohrkopf wird über ein Gestänge von einer nicht näher spezifizierten Antriebseinheit sowohl schiebend als auch rotierend angetrieben. Die oszillierende Drehbewegung wird durch eine permanente Umsteuerung der Drehrichtung des Rotationsmotors erzeugt.
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Aus
US 6,109,371 A ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines Erdbohrwerkzeugs bekannt, bei dem bzw. der ein Bohrstrang mittels eines Rotationsmotors rotiert wird, wobei mittels dieses Motors die oszillierende Drehbewegung erzeugt wird.
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Aus
WO01/66900 A2 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Richtungsbohren bekannt, bei der eine direkte Verbindung eines Bohrkopfs mit einem kombinierten Linear-/Rotationsantrieb über ein Rohrgestänge vorliegt. Die oszillierende Drehbewegung des Bohrkopfs während der Umsteuerung der Bohrvorrichtung muss durch eine permanente Änderung der Drehrichtung des Antriebsmotors erfolgen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die es ermöglichen, eine temporäre, oszillierende Drehbewegung eines Bohrkopfs zu erzielen, ohne eine permanente Umsteuerung der Drehrichtung eines Rotationsmotors erreichen zu müssen.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst; vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, bei einem Verfahren zum Einbringen einer Bohrung in das Erdreich, bei dem ein Schrägbohrkopf statisch im Erdreich vorgetrieben wird, wobei zum geradlinigen Bohren der Schrägbohrkopf zusätzlich rotierend angetrieben und zum Erzeugen einer Richtungsänderung die (kontinuierliche) Rotation des Schrägbohrkopfs in einer definierten Winkelstellung gestoppt wird, den Schrägbohrkopf während des Rotationsstopps um die definierte Winkellage oszillierend zu bewegen und gleichzeitig, zur weiteren Unterstützung des Bohrvortriebs, zumindest zeitweise Schlagimpulse auf den Schrägbohrkopf auszuüben, die von diesem auf das Erdreich übertragen werden. Die oszillierende Bewegung des Schrägbohrkopfs wird über ein Getriebe erzeugt. Bei dem Getriebe kann es sich beispielsweise um ein Kurvengetriebe oder auch einen Kurbeltrieb handeln. Das Getriebe kann so ausgebildet und angeordnet sein, dass eine gleichförmige Rotationsbewegung des Drehantriebs zu einer oszillierenden Bewegung des Schrägbohrkopfs führt; hierbei kann das Getriebe im Bereich des Drehantriebs angeordnet sein, so dass ein Bohrgestänge, mittels dessen der Bohrkopf mit dem Drehantrieb verbunden ist, ebenso wie der Bohrkopf eine oszillierende Bewegung ausführt. Ebenso kann das Getriebe im Bereich des Bohrkopfs angeordnet sein, so dass die rotierende Bewegung des Drehantriebs von dem Getriebe erst vor dem Schrägbohrkopf in eine oszillierende Bewegung gewandelt wird. Um die Wandlung der rotierenden Bewegung des Drehantriebs in eine oszillierende Bewegung des Schrägbohrkopfs lediglich bedarfsweise, d. h. während einer gewünschten Änderung des Bohrverlaufs zu erhalten, ist weiterhin vorgesehen, das Getriebe mittels einer beliebig gestalteten Kupplung de-/aktivierbar auszubilden. Bei deaktiviertem Getriebe wird eine rotierende Bewegung des Drehantriebs ohne Zwischenschaltung des Getriebes auf den Schrägbohrkopf übertragen, während bei aktiviertem Getriebe eine Wandlung in eine oszillierende Bewegung erfolgt.
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Unter „Schrägbohrkopf” werden erfindungsgemäß alle Bohrköpfe verstanden, die bei einem nicht-rotierenden Vortrieb im Erdreich aufgrund ihrer Ausgestaltung eine seitliche Ablenkung erfahren; insbesondere fallen darunter solche Schrägbohrköpfe, die mit einer asymmetrisch angeordneten Schrägfläche versehen sind.
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Unter einer oszillierenden Bewegung um eine definierte Winkellage des Schrägbohrkopfs wird erfindungsgemäß verstanden, dass der Bohrkopf bezüglich einer Winkellage, die sich auf eine definierte Lage bezüglich einer Rotation des Schrägbohrkopfs um seine in Bohrrichtung weisende Längsachse bezieht und im direkten Zusammenhang mit der sich hierdurch bei einem nicht-rotierenden Vortrieb einstellenden Richtungsänderung steht, abwechselnd in beide Drehrichtungen um einen definierten Winkel, der für die beiden Drehrichtungen nicht gleich sein muss, angetrieben wird.
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Durch die erfindungsgemäße Kombination der oszillierenden Bewegung des Schrägbohrkopfs mit dem Ausüben der Schlagimpulse auf den Bohrkopf, die von diesem auf das Erdreich übertragen werden, kann ein gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Bohrvorrichtungen erheblich verbesserter Bohrvortrieb erzielt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, den Schrägbohrkopf um einen Winkel von ±45° um die definierte Winkellage oszillierend zu bewegen. Insbesondere in Abhängigkeit von der Geometrie des Schrägbohrkopfs sowie der Beschaffenheit des Erdreichs können jedoch auch beliebige andere Winkel zweckmäßig sein.
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In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform kann zudem vorgesehen sein, sowohl den statischen Vortrieb als auch das Ausüben der Schlagimpulse während der oszillierenden Bewegung aufrecht zu halten, um auf diese Weise eine optimale Verbesserung des Bohrvortriebs erreichen zu können.
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Alternativ hierzu kann auch vorgesehen sein, das statische Vortreiben des Schrägbohrkopfs und/oder das Ausüben der Schlagimpulse auf dieser während der oszillierenden Bewegung in einer oder auch in beide Drehrichtungen zu unterbrechen. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn ein – beispielsweise verschraubtes – Bohrgestänge der Bohrvorrichtung zum Einsatz kommt, deren (Schraub-)Verbindungen (z. B. zwischen den einzelnen Gestängeschüssen oder im Übergang zu dem Bohrkopf) sich durch eine Relativdrehung in einer Löserichtung lösen. In diesem Fall kann vorgesehen sein, das statische Vortreiben und das Ausüben der Schlagimpulse in derjenigen Drehrichtung der oszillierenden Bewegung zu unterbrechen, die dieser Löserichtung entspricht. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass bei der der Löserichtung entsprechenden oszillierenden Drehbewegung die zwischen dem Schrägbohrkopf und dem Erdreich auftretende Reibung verringert wird und folglich lediglich ein geringes, regelmäßig unterhalb der Lösemomente der (Schraub-)Verbindungen liegendes Drehmoment für die Drehbewegung des Schrägbohrkopfs erforderlich ist.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung wird im unabhängigen Anspruch 6 angegeben.
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Ein insbesondere für die Verwendung in einem erfindungsgemäßen Verfahren oder mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung geeigneter Schrägbohrkopf weist eine Stirnfläche auf, auf der ein die Bohrwirkung verbesserndes Hartmetallelement angeordnet ist, wobei das Hartmetallelement zur Erhöhung der Flächenpressung zwischen diesem und dem Erdreich eine möglichst kleine Kontaktfläche aufweist.
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Vorzugsweise ist das Hartmetallelement spitz zulaufend, so dass mit einer punktförmigen Kontaktfläche und einer breiten Basis sowohl die geforderte hohe Flächenpressung als auch die notwendige Stabilität des Hartmetallelements sichergestellt werden kann. Das Hartmetallelement kann insbesondere konisch ausgebildet sein, mit einer Mittelachse, die vorzugsweise in Bohrrichtung ausgerichtet ist.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Bohrkopfs kann vorteilhaft bei jeder Art von Bohrkopf angewendet werden; sie eignet sich jedoch insbesondere für die Verbesserung eines Schrägbohrkopfs.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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In den Zeichnungen zeigen die
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1 und 2 die Verwendung einer erfindungsgemäßen Bohrvorrichtung in einem erfindungsgemäßen Verfahren in schematischen Seitenansichten;
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3 die Vorrichtung gemäß 2 in einer Frontansicht;
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4 eine erfindungsgemäße Bohrvorrichtung in einer zweiten Ausführungsform;
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5 eine erfindungsgemäße Bohrvorrichtung in einer dritten Ausführungsform; und
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6 einen erfindungsgemäßen Schrägbohrkopf in einer isometrischen Ansicht.
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In den 1 bis 3 ist schematisch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einbringen einer Bohrung in das Erdreich (Bohrvorrichtung) in verschiedenen Phasen bei der Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.
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Die Bohrvorrichtung umfasst einen Schrägbohrkopf 1 sowie ein aus einer Vielzahl von miteinander verschraubten Gestängeschüssen bestehendes Bohrgestänge 2. Von dem Bohrgestänge 2 ist lediglich das vordere, mit dem Schrägbohrkopf 1 verbundene Ende sowie das hintere, mit einer Antriebsvorrichtung 3 verbundene Ende dargestellt.
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Die Antriebsvorrichtung 3 umfasst einen Linearantrieb 4 in Form eines Hydraulikzylinders, durch den das Bohrgestänge 2 einschließlich des daran befestigten Schrägbohrkopfs 1 vorgetrieben oder zurückgezogen werden kann, Die Antriebsvorrichtung 3 umfasst weiterhin einen elektromotorisch angetriebenen Drehantrieb 5 für einen rotierenden Antrieb des Schrägbohrkopfs 1 über das Bohrgestänge 2.
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Innerhalb des Schrägbohrkopfs 1 ist weiterhin ein Schlagantrieb 6 vorgesehen, der einen hydraulisch beaufschlagten Schlagkolben 7 umfasst, der innerhalb einer Schlagkolben-Kammer 8 hin und her bewegt wird, wobei dieser nach dem Vorwärtshub auf eine vordere Schlagfläche der Schlagkolben-Kammer 8 auftrifft, wodurch die kinetische Energie des Schlagkolben 7 in einen Schlagimpuls umgewandelt wird, der von dem Schrägbohrkopf 1 wiederum auf das vor diesem liegende Erdreich (nicht dargestellt) übertragen wird.
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In der 1 ist der Betrieb der Bohrvorrichtung beim Einbringen einer geradlinigen Bohrung dargestellt. Hierzu wird der Schrägbohrkopf 1 von dem Linearantrieb 4 in das Erdreich vorgetrieben und gleichzeitig durch den Drehantrieb 5 kontinuierlich um seine Längsachse rotiert. Durch die kontinuierliche Rotation des Schrägbohrkopfs 1 gleicht sich die durch dessen Asymmetrie bedingte seitliche Ablenkung innerhalb einer vollständigen Umdrehung des Schrägohrkopfs 1 aus, so dass sich ein im Wesentlichen geradliniger Verlauf der Bohrung ergibt.
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Eine Änderung der Bohrrichtung beziehungsweise ein bogenförmiger Bohrverlauf kann dadurch erzielt werden, dass die Rotation des Schrägbohrkopfs 1 in einer definierten Winkellage gestoppt wird, so dass sich die Orientierung des schräg verlaufenden Abschnitts des Schrägbohrkopfs 1 (Schrägfläche 9) bezüglich der Längsachse des Schrägbohrkopfs 1 nicht mehr ändert. Die durch die Schrägfläche 9 bewirkte seitliche Ablenkung führt zu einer Richtungsänderung des Schrägbohrkopfs 1, während dieser von dem Linearantrieb 4 weiter vorgetrieben wird. Die tatsächliche Winkelstellung des Schrägbohrkopfs kann hierbei über Sensoren (nicht dargestellt) erfolgen, die am Schrägbohrkopf 1 oder auch an der Antriebsvorrichtung 3 angeordnet sein können.
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Durch das im Stand der Technik vorgesehene, rein statische Vortreiben eines Schrägbohrkopfs während einer Richtungsänderung wird die Leistungsfähigkeit einer Bohrvorrichtung erheblich eingeschränkt, so dass ein Bohrvortrieb in schweren Böden und in Hartgestein kaum oder gar nicht möglich ist.
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Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, den Schrägbohrkopf 1 während einer beabsichtigten Richtungsänderung beziehungsweise während eines bogenförmigen Bohrverlaufs um die definierte Winkelstellung oszillierend zu bewegen, wie dies in den 2 und 3 dargestellt ist. Die definierte Winkelstellung des Schrägbohrkopfs 1 beträgt im vorliegenden Fall 0°, d. h. mit einer exakt oberhalb der Längsachse des Schrägbohrkopfs 1 angeordneten Schrägfläche 9. Eine solche Winkelstellung bewirkt bei einem statischen Vortreiben im Erdreich eine Ablenkung des Schrägbohrkopfs 1 nach unten, d. h. in die um 180° versetzte Richtung zu der definierten Winkelstellung. Der Schrägbohrkopf 1 wird mit einem Winkel von ca. ±35° um die definierte Winkelstellung oszillierend bewegt (vgl. 2). Gleichzeitig mit der oszillierenden Bewegung des Schrägbohrkopfs 1 wird der Schlagantrieb 6 aktiviert. Durch die kombinierte Wirkung des Linearantriebs 4, der oszillierenden Bewegung des Schrägbohrkopfs 1, durch die das Erdreich vor dem Bohrkopf abgebaut wird, und des Schlagantriebs 6 kann auch bei einer Richtungsänderung beziehungsweise bei einem bogenförmigen Bohrverlauf sowie in schweren Böden oder in Hartgestein ein guter Bohrvortrieb erzielt werden.
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Die oszillierende Bewegung des Schrägbohrkopfs 1 wird in den 1 bis 3 über eine entsprechende Ansteuerung des Drehantriebs 5 mittels einer Steuereinheit 10 erreicht. Die Steuereinheit 10 ermöglicht ein vollautomatisches gesteuertes Bohren, bei dem von dem Bediener lediglich die Bohrrichtung beziehungsweise eine Änderung hierzu vorgegeben werden muss und das Stoppen der Rotation, die Ansteuerung des Drehantriebs 5 zur Erzeugung der oszillierenden Bewegung sowie das Zu- und Abschalten des Schlagantriebs 6 automatisch von der Steuereinheit durchgeführt wird.
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Zwei Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Bohrvorrichtungen sind in den 4 und 5 dargestellt.
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Bei der Ausführungsform gemäß 4 wird die Rotationsbewegung des Drehantriebs über ein mit dem Bohrgestänge 2 verbundenes Getriebe 16 in eine oszillierende Bewegung des Schrägbohrkopfs 1 gewandelt. Das Getriebe 16 kann durch eine Kupplung 17, die zwei Kupplungselemente 17a, 17b umfasst, deaktiviert werden, so dass die Rotationsbewegung über das Kupplungselement 17b direkt auf das Bohrgestänge 2 übertragen wird.
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Die Bohrvorrichtung gemäß der 5 umfasst einen hydraulischen Schwenkantrieb 18, durch den die oszillierende Bewegung des Schrägbohrkopfs 1 bewirkt werden kann. Der hydraulische Schwenkantrieb 18 ist hierbei zwischen dem Schrägbohrkopf 1 und dem Bohrgestänge 2 angeordnet. Der Drehantrieb 5 wird bei dieser Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bohrvorrichtung für die oszillierende Bewegung nicht benötigt.
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Die 6 zeigt einen Schrägbohrkopf 1', der sich insbesondere für die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens und für den Einsatz mit einer erfindungsgemäßen Bohrvorrichtung eignet.
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Der Schrägbohrkopf 1', der über eine Steckverbindung 11 mit einem Bohrgestänge einer Bohrvorrichtung (nicht dargestellt) verbunden werden kann, weist eine asymmetrische Geometrie auf. Der auf einem zylindrischen Grundkörper 12 basierende Schrägbohrkopf 1' weist eine schräg bezüglich Längsachse des zylindrischen Grundkörpers 12 ausgerichtete Fläche (Schrägfläche 9') auf. Die Schrägfläche 9' dient der Erzeugung einer Seitenkraft durch die der Schrägbohrkopf 1' bei einem Vortrieb durch das Erdreich seitlich abgelenkt wird. Bei einem nicht-rotierenden Vortrieb des Schrägbohrkopfs 1' ergibt sich somit eine permanente Richtungsänderung während des Vortriebs und folglich ein bogenförmiger Bohrverlauf. Der Schrägbohrkopf 1' weist weiterhin eine leicht gekrümmte Stirnfläche 13 auf. Auf dieser Stirnfläche 13 ist ein spitz zulaufendes, konisch geformtes Hartmetallelement 14 angeordnet. Das Hartmetallelement 14 kommt als erstes Bauteil des Schrägbohrkopfs 1' mit dem vor dem Schrägbohrkopf 1' liegenden Erdreich (Bohrgrund) in Kontakt, wobei durch die punktförmige und folglich möglichst kleine Kontaktfläche des Hartmetallelements 14 die gesamte Schubkraft der Bohrvorrichtung punktförmig in den Bohrgrund eingeleitet wird. Hierdurch wird eine besonders hohe Flächepressung erzielt, durch die auch Hartgestein zerstört und folglich auch in einem solchen Boden ein guter Bohrvortrieb erzielt werden kann. Der Schrägbohrkopf 1' der 3 ist weiterhin mit einer Mehrzahl von weiteren Hartmetallstiften 15 versehen, die dem Verschleißschutz des Grundkörpers 12 des Schrägbohrkopfes 1' dienen.
