-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Lokalisieren eines Bohrgeräts einer
Erdbohrvorrichtung.
-
Beim
Einbringen von Bohrungen in das Erdreich ist es in der Regel erforderlich,
den exakten Bohrverlauf zu kontrollieren. Dies erfordert eine Lokalisierung
des Bohrgeräts
innerhalb des Erdreichs, um durch einen Vergleich der Ist-Position
des Bohrgeräts
mit dessen Soll-Position kontrollieren zu können, ob das Bohrgerät dem vorgegebenen
Bohrverlauf folgt.
-
Eine
Kontrolle des Bohrverlaufs ist insbesondere beim Erstellen einer
Horizontalbohrung von Bedeutung. Horizontalbohrungen werden insbesondere im
Rahmen des grabenlosen Verlegens sowie des grabenlosen Auswechselns
von Versorgungsleitungen, wie beispielsweise Frisch- und Abwasserleitungen,
Telekommunikationskabel, etc. in das Erdreich eingebracht und erstrecken
sich häufig
ausgehend von einer Startgrube bis zu einer Zielgrube. Es ist jedoch
auch bekannt, Horizontalbohrungen in das Erdreich einzubringen,
indem ausgehend von der Erdoberfläche zunächst schräg in das Erdreich hineingebohrt,
daraufhin die Bohrung in die Horizontale umgesteuert und die Bohrung über die
vorgegebene Entfernung fortgesetzt wird, bis das Bohrgerät wiederum
eine Zielbaugrube erreicht; alternativ kann das Bohrgerät auch nach
dem horizontalen Abschnitt des Bohrverlaufs erneut, dieses Mal in
Richtung der Erdoberfläche
umgesteuert werden, so dass dieses wieder an der Erdoberfläche aus
dem Erdreich heraustritt. Es ist offensichtlich, dass zur Erzeugung
eines solchen nicht geradlinigen Bohrverlaufs steuerbare Bohrgeräte erforderlich
sind. Jedoch auch dann, wenn ausgehend von einer Startbaugrube geradlinig in
Richtung einer Zielbaugrube gebohrt werden soll, kann der Einsatz
steuerbarer Bohrgeräte
sinnvoll sein; häufig
trifft das Bohrgerät
hierbei nämlich
während
des Bohrvortriebs auf ein Hindernis, wie beispielsweise einen Gesteinsbrocken,
der nicht durchbohrt werden kann, oder auch auf eine bereits verlegte
Versorgungsleitung (z. B. Wasser-, Gas- oder Elektrizitätsleitung),
die nicht beschädigt
werden darf. In einem solchen Fall ist es erforderlich, durch ein
Umsteuern der Erdbohrvorrichtung das Hindernis zu „umfahren”. Hierfür bedarf
es jedoch einer genauen Lokalisierung des Bohrgeräts und insbesondere des
Bohrkopfs dieses Bohrgeräts.
-
Aus
dem Stand der Technik sind verschiedene Systeme bekannt, anhand
derer ein im Erdreich befindliches Bohrgerät einer Erdbohrvorrichtung
lokalisiert werden kann. Die bekannten Systeme weisen jeweils einen
Sender auf, der innerhalb des Bohrkopfs oder in einem anderen Abschnitt
des Bohrgeräts
der Erdbohrvorrichtung, der möglichst
nah an dem Bohrkopf liegen sollte, angeordnet ist. Der Sender sendet
ein Ortungssignal aus, das von einem an der Erdoberfläche angeordneten
Empfänger
empfangen wird. Der Empfänger
wertet das empfangene Ortungssignal aus, um die Position des Sensors
und somit des Bohrkopfs innerhalb des Erdreichs zu bestimmen.
-
Bei
einem bekannten System zum Lokalisieren eines Bohrgeräts weist
das Bohrgerät
im Bereich des Bohrkopfs einen magnetischen Dipol auf, der zusammen
mit dem Bohrgerät
der Erdbohrvorrichtung rotierend angetrieben wird. Das von dem magnetischen
Dipol ausgesendete Magnetfeld wird von einer an der Erdoberfläche angeordneten
Empfangseinheit als sich änderndes
magnetisches Feld erfasst, woraus die Position des magnetischen
Dipols und dessen Lage ermittelt werden kann; durch die feste Anordnung
des magnetischen Dipols in Bezug zu dem Bohrkopf ergibt sich hieraus
direkt die Position und Ausrichtung des Bohrkopfs.
-
Andere
aus dem Stand der Technik bekannte Systeme, die auf dem gleichen
Prinzip der Lokalisierung eines Bohrgeräts basieren, sehen einen separaten
Antrieb für
den magnetischen Dipol vor, so dass eine Lokalisierungsfunktion
auch bei einem nicht rotierenden Bohrgerät erzielt werden kann.
-
Ferner
sind aus dem Stand der Technik Systeme bekannt, die anstelle eines
rotierenden magnetischen Dipols eine oder mehrere Spulen vorsehen, die
zur Erzeugung des sich zeitlich ändernden
Magnetfelds mit einer Wechselspannung beaufschlagt werden.
-
Die
in den Bohrgeräten
angeordneten Sender sind bei den bekannten Systemen als aktive Sender
ausgebildet, d. h. diese erzeugen das jeweilige Ortungssignal entweder
dauerhaft ohne die Zufuhr eines externen Signals oder von Energie
(z. B. das zuvor beschriebene, auf einem Permanentmagneten basierende
System), oder diese werden mit elektrischer Energie versorgt und
erzeugen das Ortungssignal durch eine entsprechende Umwandlung der elektrischen
Energie. Die Versorgung der Sender mit Energie erfolgt regelmäßig mittels
Batterien, wobei auch schon vorgeschlagen wurde, einen im Bereich des
Bohrkopfs angeordneten Minigenerator mittels einer Spülflüssigkeit,
die ansonsten dafür
vorgesehen ist, in das Erdreich eingebracht zu werden, um den Bohrvortrieb
zu verbessern und das Bohrklein aus der Bohrung auszuschwemmen,
anzutreiben, um den mit dem Wechseln der Batterien verbundenen Wartungsaufwand
zu eliminieren.
-
Die
aus dem Stand der Technik bekannten Systeme sind technisch aufwendig
und lassen sich nicht oder nur mit einem erheblichen Aufwand bei
bereits bestehenden Bohrgeräten
von Erdbohrvorrichtungen nachrüsten.
Sofern die Systeme elektrische Bauteile (z. B. der Rotationsantrieb
für den
magnetischen Dipol, eine Spule, etc.) aufweisen, sind diese häufig auch
störanfällig, da
die elektrischen Bauteile durch die beim Bohren auftretenden Vibrationen
und Schläge
beschädigt
werden können.
-
Ausgehend
von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein zumindest hinsichtlich eines dieser Nachteile verbessertes Verfahren
zum Lokalisieren eines Bohrgeräts
einer Erdbohrvorrichtung anzugeben. Zudem sollte ein entsprechendes
System zur Lokalisierung eines Bohrgeräts einer Erdbohrvorrichtung
angegeben werden.
-
Diese
Aufgabe wird durch die Gegenstände der
unabhängigen
Patentansprüche
gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Patentansprüche und
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
-
Der
Erfindung liegt die Idee zugrunde, das Ortungssignal nicht mehr
von einem im Bereich des Bohrgeräts
und insbesondere eines Bohrkopfs dieses Bohrgeräts angeordneten Sender erzeugen
zu lassen, sondern eine entsprechende Signalerzeugungseinrichtung
außerhalb
des Bohrgeräts
vorzusehen, und das entsprechende Ortungssignal von der externen
Signalerzeugungseinrichtung über
eine Verbindungsleitung zu dem im Erdreich befindlichen Bohrgerät zu leiten,
von dem aus dieses in das umgebende Erdreich ausgesandt wird, so
dass es von einem entsprechenden externen Empfänger empfangen und zur Bestimmung
der Position des Bohrgeräts ausgewertet
werden kann. Hierdurch wird ermöglicht,
die gegebenenfalls technisch aufwendige und daher gegebenenfalls
einen erheblichen Raumbedarf aufweisende Signalerzeugungseinrichtung
nicht mehr in das Bohrgerät
integrieren zu müssen,
sondern diese kann außerhalb
des Bohrgeräts
und bevorzugt an der Erdoberfläche
angeordnet werden. Gegebenfalls kann diese mit einem oder mehreren anderen
Elementen der Erdbohrvorrichtung, z. B. einem Öler, in ein Gehäuse integriert
werden, so dass kein zusätzliches
Bauteil auf der Baustelle positioniert werden muss. Durch die Erfindung
wird nicht nur die Integration der Signalerzeugungseinrichtung in das
Bohrgerät
selbst vermieden, sondern die Signalerzeugungseinrichtung befindet
sich auch in einem Bereich, in dem diese vor den teils erheblichen Belastungen,
die während
des Bohrbetriebs auf das Bohrgerät
einwirken, geschützt
ist. Zudem ermöglicht die
Erfindung, bestehende Erdbohrvorrichtungen ohne großen Aufwand
mit einem entsprechenden Lokalisierungssystem nachzurüsten.
-
Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren zum
Lokalisieren eines Bohrgeräts
einer Erdbohrvorrichtung wird demnach dem Bohrgerät über eine
Verbindungsleitung, die mit dem Bohrgerät verbunden ist, ein von einer
Signalerzeugungseinrichtung erzeugtes Ausgangssignal zugeleitet,
das von dem Bohrgerät
und insbesondere im Bereich eines Bohrkopfs des Bohrgeräts in ein
Ortungssignal gewandelt wird, das wiederum von diesem ausgesendet
wird, so dass es von einem externen Empfänger empfangen und zur Bestimmung
der Position des Bohrgeräts
und insbesondere des Bohrkopfs ausgewertet werden kann.
-
Ein „Wandeln” des Ausgangssignals
in ein Ortungssignal erfordert erfindungsgemäß nicht, dass sich das Ausgangs-
und das Ortungssignal in ihrer Art unterscheiden müssen. Relevant
ist hierbei lediglich, dass das Ausgangssignal und das Ortungssignal
für den
Empfänger
unterscheidbar sind, so dass tatsächlich eine Ortung des Bohrgeräts erfolgen kann.
Eine solche Unterscheidung ist selbstverständlich nur dann möglich, wenn
sich das Ausgangs- und das Ortungssignal in irgendeiner Weise unterscheiden.
Ein „Wandeln” des Ausgangssignals
in ein Ortungssignal liegt erfindungsgemäß demnach auch dann vor, wenn
beispielsweise bei in ihrer Art identischem Ausgangs- und Ortungssignal
eine Detektion des Ausgangssignals durch den Empfänger verhindert
wird, so dass von diesem lediglich das Ortungssignal empfangen wird.
Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Abschirmung der
Verbindungsleitung erfolgen. Eine weitere Möglichkeit zur Unterscheidung
zwischen dem Ausgangs- und dem Ortungssignal kann darin liegen,
dass beispielsweise bei einem nicht nur von dem Bohrgerät oder Bohrkopf selbst,
sondern auch von der Verbindungsleitung ausgesendeten Ortungssignal
das Bohrgerät
bzw. der Bohrkopf dadurch erkannt wird, dass die Aussendung des
Ortungssignals an dessen vorderem Ende endet, was von dem Empfänger erfasst
werden kann.
-
Ein
entsprechendes System zur Lokalisierung eines Bohrgerätss einer
Erdbohrvorrichtung weist zumindest neben dem Bohrgerät mindestens einen
Empfänger
zum Empfang und zur Auswertung von einem von dem Bohrgerät ausgesendeten
Ortungssignal sowie eine Signalerzeugungseinrichtung auf, die mit
dem Bohrgerät über eine
Verbindungsleitung verbunden ist.
-
Der
Empfänger
kann selbstverständlich
auch mehrteilig aufgebaut sein, d. h. beispielsweise mit einer Empfangseinheit
und einer Auswerteeinheit, die auch in einem Abstand voneinander
positioniert sein können
(z. B. die Empfangseinheit in einer Ausführungsform als sogenannter „Walk-Over”-Empfänger, d.
h. einem tragbaren Empfänger,
der oberhalb des Bohrgeräts
positioniert wird, und einer Auswerteinheit, die im Bereich eines
Bedienstands der Erdbohrvorrichtung angeordnet sein kann).
-
Unter „Bohrgerät” wird erfindungsgemäß dasjenige
Bauteil einer Erdbohrvorrichtung verstanden, durch das das Erdreich
abgebaut oder verdrängt wird.
Der Begriff „Bohrgerät” soll dabei
jedoch nicht so eng gefasst werden, dass darunter nur ein frontseitig
angeordnetes Werkzeug verstanden wird, sondern ein „Bohrgerät” kann auch
mit dem Werkzeug in Verbindung stehende weitere Bauteile der Erdbohrvorrichtung
umfassen, wie beispielsweise ein Gehäuse mit einem darin angeordneten
pneumatischen Antrieb oder einem hydraulischen Rotationsantrieb („Mud-Motor”). Der
Begriff „Bohrgerät” kann somit auch
eine vollständige
Bohreinheit, wie beispielsweise eine Erdrakete (d. h. ein selbstgetriebenes,
pneumatisches Rammbohrgerät)
umfassen.
-
Zur Übertragung
des Ausgangssignals kann vorzugsweise eine Versorgungsleitung verwendet werden,
die mit dem Bohrgerät
verbunden ist. In der Regel weist jedes Bohrgerät einer Erdbohrvorrichtung
eine entsprechende Versorgungsleitung auf.
-
Unter „Versorgungsleitung” wird jegliche
Leitung (z. B. Gestänge,
Rohr, Schlauch, Kabel, etc.) verstanden, über die dem Bohrgerät Signale
oder Energie zugeleitet wird oder über die Kräfte und Momente übertragen
werden können.
Hierunter fallen insbesondere Bohrgestänge und Schläuche für die Zufuhr
eines Fluids (insbesondere für
den Betrieb von Erdraketen) sowie Kabel für beispielsweise eine elektrische
Energieversorgung.
-
In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist vorgesehen, als Ausgangssignal einen durch eine elektrische
Spannung (insbesondere Wechselspannung) bedingten Stromfluss durch
das Bohrgerät
zu erzeugen, wodurch als Ortungssignal von dem in der Regel metallischen
Bohrgerät
ein Magnetfeld erzeugt wird. Vorrichtungsseitig sind hierfür die Verbindungsleitung
und das Bohrgerät
zumindest teilweise elektrisch leitend ausgebildet, so dass als
Reaktion auf den durch die (Wechsel-)Spannung bedingten Stromfluss
ein entsprechendes Magnetfeld erzeugt wird (entsprechend einem von
einem Strom durchflossenen Leiter erzeugtes Magnetfeld). Hierdurch kann
das erfindungsgemäße System
auf konstruktiv einfache Weise umgesetzt werden; es bedarf nämlich lediglich
einer entsprechenden, eine (Wechsel-)Spannung erzeugenden Signalerzeugungseinrichtung,
die wiederum selbst konstruktiv einfach verwirklicht werden kann
und zudem auf dem Markt verfügbar
ist, da sie für
andere Anwendungen verwendbar ist, sowie eines Empfängers, anhand
dessen das erzeugte Magnetfeld erfasst und ausgewertet werden kann.
Da ein Bohrgerät
einer Erdbohrvorrichtung regelmäßig aus
einem Metall und insbesondere aus Stahl besteht, muss lediglich
noch für
eine elektrische Verbindung zwischen dem Bohrgerät und der Signalerzeugungseinrichtung über eine
entsprechende Verbindungsleitung gesorgt werden. Sofern das Bohrgerät mit einem
Bohrgestänge
verbunden ist, das in der Regel ebenfalls aus einem Metall und insbesondere
Stahl besteht, ist die elektrische Leitfähigkeit des als Verbindungsleitung
dienenden Bohrgestänges
in der Regel bereits gegeben.
-
Die
Ankoppelung der Signalerzeugungseinrichtung an die Verbindungsleitung
kann beispielsweise direkt (galvanisch) oder auch induktiv erfolgen.
-
Auch
bei Erdraketen, die regelmäßig über einen
flexiblen, aus Kunststoff bestehenden Druckluftschlauch mit Betriebsdruckluft
versorgt werden, kann eine einfache Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens
erzielt werden. Hierzu kann der Druckluftschlauch selbst elektrisch
leitend ausgebildet werden, wozu dieser beispielsweise mit einer
Metall- und insbesondere Stahlarmierung versehen werden kann. Hierbei
sollte eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Druckluftschlauch
und dem Gehäuse
der Erdrakete vorgesehen sein. Eine alternative Ausführungsform
kann vorsehen, parallel zu der Druckluftleitung ein elektrisch leitendes
Kabel und insbesondere ein Stahlkabel mitzuführen, über das das Ausgangssignal übertragen
wird. Das Kabel kann sowohl außerhalb
als auch innerhalb der Versorgungsleitung (insbesondere der Druckluftleitung) der
Erdrakete mitgeführt
werden.
-
Bei
dieser bevorzugten Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. Systems
wird durch die Umkehrung der elektromagnetischen Induktion ein Magnetfeld
erzeugt, das kreisförmig
und senkrecht zur Längsachse
des Bohrgeräts
(entspricht der Bohrachse) ausgerichtet ist; kurz vor der Spitze
des Bohrgeräts
endet dieses („Signalabfall”), was
von dem Empfänger
erfasst werden kann. Hierdurch wird eine besonders genaue Lokalisierung
der Bohrgerätespitze
ermöglicht,
was besonders vorteilhaft ist, weil durch eine Überwachung der Bewegung der
Bohrgerätespitze
der (häufig
zu kontrollierende) Bohrverlauf am exaktesten kontrolliert werden
kann.
-
Bei
einer elektrisch leitenden Ausbildung der Verbindungsleitung kann
diese zusätzlich
für die Übertragung
von Zusatzsignalen verwendet werden. Beispielsweise können im
Bereich des Bohrgeräts und
insbesondere des Bohrkopfs des Bohrgeräts einer oder mehrere Sensoren
angeordnet werden, dessen/deren Messwerte über die elektrisch leitende Verbindungsleitung
zu einem externen und insbesondere an der Erdoberfläche angeordneten
Anzeigegerät übertragen
werden, wo die Messwerte grafisch dargestellt werden können.
-
Dies
ermöglicht
beispielsweise, das Bohrgerät
bzw. den Bohrkopf mit einem Sensor zur Detektion einer vor dem Bohrkopf
liegenden, stromführenden
Leitung zu versehen, und die elektrisch leitende Verbindungsleitung
zur Übertragung
der Messwerte des Sensors an eine Signaleinrichtung (z. B. Warnlicht,
Warnhupe) zu verwenden, die beispielsweise einem Bediener der Erdbohrvorrichtung
das Auftreffen des Bohrgeräts
bzw. Bohrkopfs auf die stromführende
Leitung signalisiert. Hierbei können
die Messwerte des Sensors auch zu einer automatischen Abschaltung
der Erdbohrvorrichtung im Falle des Auftreffens des Bohrgeräts bzw.
des Bohrkopfs auf die stromführende
Leitung verwendet werden.
-
Die
Erfindung ist selbstverständlich
nicht auf die Umwandlung eines durch eine (Wechsel)Spannung erzeugten
Stromflusses in ein Magnetfeld beschränkt, sondern umfasst sämtliche
von den unabhängigen
Patentansprüchen
umfassten Verfahren bzw. Systeme, bei denen ein dem Bohrgerät über eine
Verbindungsleitung zugeleitetes Ausgangssignal von dem Bohrgerät in ein
entsprechendes Ortungssignal gewandelt wird, das daraufhin von einem entsprechenden
Empfänger
empfangen und zur Bestimmung der Position des Bohrgeräts ausgewertet werden
kann. Beispielsweise kann die Übertragung von
Schallwellen vorgesehen sein (z. B. über die Betriebsdruckluft einer
Erdrakete oder die Spülflüssigkeit
der Erdbohrvorrichtung), die von dem Bohrgerät in entsprechende Körperschwingungen
gewandelt werden, die sich wiederum auf das Erdreich übertragen
und von einem entsprechenden Empfänger empfangen und ausgewertet
werden können.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
-
In
den Zeichnungen zeigt:
-
1 in
einer schematischen Darstellung ein erfindungsgemäßes System
in einer ersten Ausführungsform;
-
2 in
einer schematischen Darstellung ein erfindungsgemäßes System
in einer zweiten Ausführungsform;
und
-
3 in
einer schematischen Darstellung die Ausbreitung eines Magnetfelds
in radialer Richtung bei einem System gemäß 1 oder 2.
-
Die 1 zeigt
ein erfindungsgemäßes System
zum Lokalisieren eines Bohrgeräts
einer Erdbohrvorrichtung. Konkret handelt es sich bei dem Bohrgerät um eine
sogenannte Erdrakete 1, d. h. ein selbstgetriebenes Rammbohrgerät mit einem
internen, über
Druckluft betriebenen Schlagkolben, der bei jedem Zyklus der durch
die Druckluft bewirkten Hin-und-her-Bewegung auf eine Schlagfläche eines Bohrkopfs 2 oder
eines Gehäuses 3 der
Erdrakete 1 auftrifft und hierdurch seine kinetische Energie
auf den Bohrkopf 2 überträgt, so dass
die Erdrakete 1 schrittweise durch das Erdreich 4 vorgetrieben
wird. Die für
den Betrieb der Erdrakete 1 benötigte Druckluft wird dieser über einen
Druckluftschlauch 5 von einer an der Erdoberfläche angeordneten
Druckluftversorgungseinheit (nicht dargestellt) zugeführt. Der weitere
Aufbau und die Funktionsweise einer Erdrakete 1 sind aus
dem Stand der Technik bekannt.
-
Das
dargestellte erfindungsgemäße System umfasst
weiterhin eine Signalerzeugungseinrichtung, bei der es sich um einen
Wechselspannungsgenerator 6 handelt; der Aufbau und die
Funktionsweise eines Wechselspannungsgenerator sind aus dem Stand
der Technik bekannt. Der Wechselspannungsgenerator 6 ist über eine
Verbindungsleitung, vorliegend ein Kabel 7, das durch den
Druckluftschlauch 5 hindurch geführt ist, mit dem Gehäuse 3 der
Erdrakete 1 verbunden.
-
Die
von dem Wechselspannungsgenerator 6 erzeugte Wechselspannung
bewirkt einen sich stetig ändernden
Stromfluss durch das Kabel 7 und das aus Stahl bestehende
Gehäuse 3 sowie
den aus Stahl bestehenden Bohrkopf 2 der Erdrakete 1,
was wiederum ein Magnetfeld induziert, das sich ringförmig um
die Längsachse
der Erdrakete 1 ausbreitet (vgl. 3). Das
Magnetfeld kann dann mittels eines Empfängers, wie beispielsweise eines
(Dreiachs-)Magnetometers erfasst und zur Bestimmung der Position
der Erdrakete in dem Erdreich ausgewertet werden. In den in den
Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen
kommt ein sogenannter „Walk-Over”-Empfänger 8 zum
Einsatz, d. h. ein tragbarer Empfänger. Der Aufbau und die Funktion
eines solchen „Walk-Over”-Empfängers sind
aus dem Stand der Technik bekannt.
-
Kurz
vor der Spitze des Bohrkopfs 1 endet das von dem Stromdurchflossenen
Gehäuse
bzw. dem Bohrkopf erzeugte Magnetfeld; dies kann von dem „Walk-Over”-Empfänger als
Signalabfall erfasst werden. Hierdurch kann relativ exakt die Position
der Bohrkopfspitze der Erdrakete 1 lokalisiert werden, was
zur Bestimmung des Bohrverlaufs besonders vorteilhaft ist.
-
In
der 2 ist ein erfindungsgemäßes System zum Lokalisieren
eines Bohrgeräts
einer Erdbohrvorrichtung abgebildet, bei dem gegenüber der Ausführungsform
gemäß 1 lediglich
die Führung des
stromführenden
Kabels 7' verändert ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß der 2 wird
das Kabel 7' außen neben
dem Druckluftschlauch 5' geführt.