DE102010008823A1 - Verfahren und Vorrichtungen zur Vermessung der räumlichen Lage eines Bohrkopfs - Google Patents

Abstract

Verfahren und Vorrichtungen zur Vermessung der räumlichen Lage eines Bohrkopfes während eines unterirdischen Verlegevorgangs, wobei die durch eine Krümmung des Bohrkopfs ausgelösten Längenänderungen von Scheitel, Sohle und/oder Kämpfer des Bohrkopfs sowie die Verrollung des Bohrkopfs gemessen werden und diese Angaben zur Berechnung der räumlichen Lage des Bohrkopfs genutzt werden.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und dabei einsetzbare Vorrichtungen zur Vermessung der räumlichen Lage eines Bohrkopfes während des unterirdischen Bohrvorgangs.
• Stand der Technik
• Die Kenntnis und Überwachung der Bohrlinie eines Bohrkopfes ist aus verschiedenen Gründen von großer Wichtigkeit, so z. B. um ein bestimmtes Zielgebiet im Untergrund zu erreichen oder um in das Bohrloch eine Rohrleitung entlang einer vorgegebenen Trasse zu verlegen.
• Es gibt heutzutage eine Vielzahl von Bohrverfahren und dementsprechend eine große Anzahl unterschiedlicher Vermessungssysteme. Eines dieser Vermessungssysteme, welches vorrangig durch die vorliegende Erfindung ergänzt bzw. verbessert werden soll, ist das in der Tiefbohrtechnik bzw. der oberflächennahen Horizontalbohrtechnik unter dem Begriff „MGS” (Magnetic Steering System) bekannte Messverfahren.
• Bei diesem System werden im Wesentlichen vier Angaben zur Bestimmung der Position des Bohrkopfes im Untergrund genutzt, nämlich die zum Zeitpunkt der Messung abgebohrte Länge, die Richtung (Azimut), die Neigung (Inklination) und die Verrollung (Tool Face) des Bohrkopfes. Mit Hilfe dieser Angaben lässt sich im Prinzip ein dreidimensionaler Polygonzug vom Startpunkt bis zum aktuellen Messpunkt berechnen und darstellen, wobei die Azimutwerte für die horizontale Position und die Inklinationswerte für die vertikale Position benötigt werden. Die erforderlichen mathematischen Rechenverfahren zur Umwandlung der Messwerte in eine räumliche Position sind aus der Literatur und der Praxis bekannt und werden grundsätzlich auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung genutzt.
• In der Vergangenheit haben sich bei dem beschriebenen Messverfahren häufig dann Fehler und Ungenauigkeiten eingestellt, wenn eine Bohrung im Bereich mit magnetischen Beeinflussungen durchgeführt wurde (z. B. im Bereich von Spundwänden, magnetischen Bodenschichten oder der Bohrgarnitur selbst). Dies liegt an der Art und Weise der Azimutbestimmung. Diese erfolgt beim MGS dadurch, dass als Bezugsachse die Magnetfeldlinien der Erde genutzt werden, während zur Bestimmung des Neigungswinkels die Schwerkraftlinien der Erde herangezogen werden.
• Der große Nachteil der beschriebenen Azimutmessung besteht nun darin, dass die Magnetfeldlinien in Störfeldern verzerrt werden und die Magnetometer dadurch oftmals falsche bzw. ungenaue Werte liefern. Demgegenüber sind die Inklinometer völlig unberührt von magnetischen Einflüssen, weshalb die Genauigkeit der vertikalen Positionsbestimmung in der Regel wesentlich höher ist als diejenige der horizontalen Position.
• Technische Aufgabe
• Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und die zur Umsetzung erforderlichen Vorrichtungen bereitzustellen, um die räumliche Lage eines Bohrkopfes ohne eine Beeinträchtigung der Meßgenauigkeit durch magnetische Störungen bestimmen zu können. Darüber hinaus sollen diese Leistungen zu wirtschaftlich günstigen Bedingungen erbracht werden.
• Lösung der technischen Aufgabe
• Die technische Aufgabe wird gelöst, indem durch Krümmungen bzw. Biegungen ausgelöste Längenänderungen am Bohrkopf gemessen und diese Messwerte mittels verfügbarer Rechenverfahren zur Bestimmung der räumlichen Position des Bohrkopfs genutzt werden.
• Ein Bohrkopf kann prinzipiell als Rohrstück angesehen werden, dessen Länge im Verhältnis zum Durchmesser relativ groß und dessen Wandstärke im Verhältnis zum Durchmesser relativ klein ist. Ein solches Rohr kann grundsätzlich in die Bereiche „Scheitel” (= oberster Rohrpunkt, vergleichbar der 12-Uhr-Stellung eines Zeigers), „Sohle” (= unterster Rohrpunkt, vergleichbar der 6-Uhr-Stellung eines Zeigers) sowie „Kämpfern” (= linker und rechter Rohrpunkt, vergleichbar der 9-Uhr-Stellung bzw. der 3-Uhr-Stellung eines Zeigers) eingeteilt werden.
• Wird nun dieses Rohrstück eine definierte Länge nur horizontal gekrümmt, so bleibt die spezifische Länge im Bereich von Scheitel und Sohle gleich, während sich die spezifische Länge der Kämpfer verändert. Die Länge des inneren Kämpfers verkürzt sich durch die Stauchung des Materials, während die Länge des äußeren Kämpfers durch elastische Dehnung des Materials vergrößert wird.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und den dabei einsetzbaren Vorrichtungen werden nun im Bereich der Kämpfer sowie im Bereich von Scheitel und Sohle jeweils Hülsen am Rohrkörper angebracht, in denen geeignete Seile möglichst reibungsarm bewegt werden können. Die Hülsen werden an einem Rohrende in jeweils mindestens einem Bogen ins Rohrinnere geführt, wobei mittig zwischen den beiden Hülsen noch ein kleiner Bereich frei bleibt.
• Die in den Hülsen befindlichen Seile werden im freien Bereich zwischen den beiden Hülsen mit einer am Bohrkopf befestigten Wippe verbunden, auf der wiederum mindestens ein Inklinometer angebracht ist.
• Wird der Bohrkopf nun z. B. einer horizontalen Krümmung unterworfen, so wird die Wippe über die Bewegung der Seile in ihrer Neigung verändert, und zwar je nach Ausrichtung der Krümmung nach links oder rechts. Das auf der Wippe montierte Inklinometer wird dadurch ebenfalls geneigt und die Veränderung des Neigungswinkels kann in die entsprechende Längenänderung der Kämpfer umgerechnet werden. Hiermit lässt sich dann über den bekannten seitlichen Abstand (= Durchmesser des Rohrkörpers) sowie die Ursprungslänge der Kämpfer die Krümmung des Rohrabschnitts berechnen (siehe Ausführungsbeispiel).
• Eine entsprechende Vorrichtung wird in vertikaler Richtung angebracht und kann analog die vertikalen Krümmungen ermitteln.
• Zusammen mit der abgebohrten Länge kann nunmehr mit den bekannten Rechenverfahren die räumliche Position des Bohrkopfes im Boden bestimmt werden.
• Eine in der Praxis mögliche Verrollung des Bohrkopfes wird über ein weiteres Inklinometer festgestellt werden, welches fest mit der Rohrwand verbunden ist und somit direkt die Verdrehungen des Rohres misst. Mit ebenfalls bekannten, branchenüblichen Rechenverfahren kann dann aus den beiden oben beschriebenen Messungen jeweils der Anteil der horizontalen und vertikalen Krümmung bestimmt werden und sodann die absolut resultierende horizontale und vertikale Krümmung des Bohrkopfs errechnet werden.
• Alternativ kann die Längenänderung der beiden Kämpfer (d. h. die Bewegung der Seile in den Hülsen) auch direkt über in der Industrie verfügbare Wegaufnehmer (z. B. lineare Wegaufnehmer oder Seilzugwegaufnehmer) erfolgen. Die Ermittlung der Verrollung erfolgt in diesem Fall weiterhin über mindestens ein am Bohrkopf befestigtes Inklinometer.
• Vorteile der Erfindung
• Die Vorteile der Erfindung gegenüber den bisherigen Verfahren sind darin zu sehen, dass eine räumliche Bestimmung der Krümmung von Rohrabschnitten (z. B. Bohrköpfen) auch in magnetischen Störfeldern mittels robuster und wirtschaftlicher Verfahren und Vorrichtungen möglich wird.
• Zeichnungen
• Das erfindungsgemäße Verfahren sowie dabei einsetzbare Vorrichtungen werden anhand von Zeichnungen in Form eines Ausführungsbeispiels mit Inklinometern dargestellt und nachfolgend erläutert, wobei die dort gezeigten Merkmale beispielhaften Charakter aufweisen.
• Die Zeichnungen zeigen:
• 1 Prinzipielle Darstellung der wesentlichen Bereiche eines geraden Bohrkopfs.
• 2 Prinzipielle Darstellung der wesentlichen Bereiche eines gekrümmten Bohrkopfs.
• 3 Detail (Wippe) der erfindungsgemäßen Vorrichtungen.
• 4 Detail (Stellschraube) der erfindungsgemäßen Vorrichtungen.
• 5 Prinzipielle Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie dabei einsetzbarer Vorrichtungen bei einer eindimensionalen Krümmung eines Bohrkopfs.
• 6 Prinzipielle Darstellung beim Einsatz von Wegaufnehmern.
• In 1 ist beispielhaft ein gerader Bohrkopf 1 in Seitenansicht, Draufsicht und Schnitt dargestellt, bei dem die für die vorliegende Erfindung relevanten Bereiche Scheitel 2, Kämpfer 3 und Sohle 4 dargestellt wurden. Ebenfalls dargestellt ist eine Bohrkrone 5 des Bohrkopfs 1. Die Länge L₀ bezeichnet die Länge des Rohrkörpers in Achsenrichtung, der Durchmesser D den Außendurchmeser des Bohrkopfs 1.
• In 2 ist beispielhaft ein in einer Ebene gekrümmter Bohrkopf 1 in Seitenansicht, Draufsicht und Schnitt dargestellt, bei dem wiederum die für die vorliegende Erfindung relevanten Bereiche Scheitel 2, Kämpfer 3 und Sohle 4 bezeichnet wurden. Die Länge L₀ bezeichnet wiederum die Länge des Rohrkörpers in Achsenrichtung (die derjenigen des geraden Rohrkörpers entspricht). In 2 ist zu erkennen, dass durch den Biegeradius R₀ sowie das elastische Verhalten des Rohrmaterials die Kämpferlängen L_L und L_R nun unterschiedlich sind (gegenüber dem Zustand in 1).
• In 3 werden zwei Wippen 10 im Detail gezeigt (eine für die horizontale ebene und eine für die vertikale Ebene). Dargestellt sind jeweils die Hülsen 12 mit den darin befindlichen Seilen 13. Die fest am Bohrkopf 1 angebrachten Hülsen 12 sind untereinander jeweils über ein Wippenlager 8 verbunden. An diesem Wippenlager 8 ist jeweils der Wippenarm 9 im Drehpunkt 11 drehbar gelagert. Auf dem Wippenlager 8 befindet sich das für die Messung der Verrollung zuständige Inklinometer 7 (bzw. 17), während das auf dem Wippenarm 9 befestigte Inklinometer 6 (bzw. 16) die horizontale (bzw. vertikale) Winkeländerung misst. Die Seile 13 sind mittels einer Seilbefestigung 14 untereinander und mit dem Wippenarm 9 verbunden.
• In 4 wird beispielhaft eine mögliche Ausführungsform für eine Stellschraube 18 zur Justierung der Stellung des Wippenarms 9 gezeigt. Dabei sind die Hülsen 12 am einen Ende mit einem Gewinde 19 versehen, in dem eine Stellschraube 18 bewegt werden kann, an der wiederum das betreffende Seil 13 befestigt ist. Durch Hereindrehen bzw. Herausdrehen der Stellschraube 18 kann das Seil 13 in der Hülse 12 axial verschoben werden. Dadurch wird auch die Seilbefestigung 14 an dem Wippenarm 9 verschoben und dementsprechend der Wippenarm über den Drehpunkt 11 ausgelenkt und damit wiederum kann das Inklinometer 6 (bzw. 16) justiert werden.
• In 5 sind die einsetzbaren Vorrichtungen bei einem geraden Bohrkopf 1 bzw. bei einem eindimensional (im Beispiel horizontal) gekrümmten Bohrkopf 1 gezeigt. Dargestellt sind die Hülsen 12 und (vereinfacht) die Wippe 10 (für die horizontale Ebene). Die Hülsen 12 sind im Beispiel auf der Außenseite des Bohrkopfs 1 angebracht; sie können aber ebenso an der Innenseite des Bohrkopfs 1 bzw. integriert in der Rohrwandung des Bohrkopfs 1 verlaufen.
• In Abhängigkeit von der Richtung der eindimensionalen Krümmung (links/rechts) werden die betroffenen Seile 13 entsprechend in den Hülsen 12 bewegt. Diese Bewegung wird auf die Wippe 10 und das darauf befindliche Inklinometer 6 übertragen. Die Signale des Inklinometers 6 werden wie bei anderen Messverfahren über mindestens ein Energie- und Datenkabel 20 nach übertage geführt.
• In 6 ist der prinzipielle Einsatz von Wegaufnehmern 15 an Stelle von Inklinometern 6 bzw. 7 zur Ermittlung der Längenänderungen von Scheitel 2, Kämpfer 3 und Sohle 4 dargestellt. Für jedes Seil 13 ist dabei ein Wegaufnehmer 15 zur Bestimmung der Längenänderung von Scheitel 2, Kämpfer 3 und Sohle 4 vorgesehen. Die Verbindung der Seile 13 mit den Wegaufnehmern 15 kann wiederum durch je eine Seilbefestigung 14 erfolgen. Die Justierung der Wegaufnehmer 15 kann analog zu derjenigen beim Einsatz von Inklinometern 6 bzw. 7 über Stellschrauben 18 erfolgen. Die Signale der Wegaufnehmer 15 werden wie bei anderen Messverfahren über mindestens ein Energie- und Datenkabel 20 nach übertage geführt.
• Ausführungsbeispiele
• Im Einsatzfall wird vor Bohrbeginn eine Kalibrierung der beiden Inklinometer 6 und 16 durchgeführt, indem der gerade Bohrkopf 1 zunächst exakt in Bohrrichtung und exakt eben ausgerichtet wird (ähnlich dem Kalibriervorgang beim MGS). Dann wird der Bohrkopf 1 soweit um seine Achse gedreht, dass der vorgesehene Scheitel 2 tatsächlich exakt nach oben zeigt (auch dieser Vorgang findet entsprechend beim MGS statt). Anschließend werden die beiden Wippen 10 der Inklinometer 6 und 16 durch die Stellschrauben 18 und die Gewinde 19 am Anfang der Hülsen 12 so eingestellt, dass beide Inklinometer 6 und 16 einen geeigneten Startwert anzeigen (z. B. 0° und 90°). Der dann an den Inklinometern 7 und 17 abgelesene Wert ist der Startwert zur Überwachung der Verrollung des Bohrkopfs 1 während des Bohrvorgangs.
• Die Biegeradien R₀ bewegen sich in der Praxis z. B. bei Stahlrohren mit einem Rohrdurchmesser D von 500 mm in einen Bereich von ca. 250 m bis ca. 1.000 m. Unter der Annahme, dass der betrachtete Bohrkopf 1 eine Länge L₀ von 3.000 mm aufweist und beispielhaft einem Biegeradius R₀ von 300 m unterworfen werden soll, würde der linke Kämpfer einem Radius R_L von 300,25 m unterliegen (= R₀ + D/2) und der rechte Kämpfer einem Radius von R_R = 299,75 m.
• Die Länge des linken Kämpfers L_L beträgt in diesem Beispiel 3002,5 mm und diejenige des rechten Kämpfers L_R 2997,5 mm. Damit würde die Wippe 10 um den Betrag von 2,5 mm ausgelenkt. Unter der Annahme, dass die Teillängen des Wippenarms 9 beidseitig des Drehpunkts 11 jeweils 25 mm lang sind, würde diese Krümmung somit eine Winkeländerung des Inklinometers 6 von ca. 5,7° auslösen. Bei einer Sensitivität der handelsüblichen Inklinometer von ±0,1° ist dies ein sehr starkes Signal.
• Mit einem Biegeradius R₀ = 1.000 m würde die Länge des linken Kämpfers L_L sich auf 3000,75 mm verlängern und diejenige des rechten Kämpfers L_R auf 2999,25 mm verkürzen. Damit würde die Wippe 10 in diesem Beispiel um den Betrag von 0,75 mm ausgelenkt. Wiederum unter der Annahme, dass die Teillängen des Wippenarms 9 beidseitig des Drehpunkts 11 jeweils 25 mm lang sind, würde diese Krümmung somit eine Winkeländerung des Inklinometers 6 von ca. 1,7° auslösen.
• Bei einer handelsüblichen Auflösung der Inklinometer von ±0,1° und einem Wippenarm von 25 mm beträgt der größtmögliche, von einer solchen Vorrichtung noch erkennbare Biegeradius R₀ ca. 17.189 m betragen. Durch symetrische oder auch unsymmetrische Verlängerung oder Verkürzung der Teillängen des Wippenarms 9 lassen sich für nahezu jeden Praxisfall optimale Messbedingungen einstellen.
• Die Genauigkeit handelsüblichen Wegmesser liegt etwa im Bereich von 0,1 mm und ermöglicht somit diesen Geräten ähnliche Einsatzbereiche wie bei den Inklinometern.
• Bezugszeichenliste

1

Bohrkopf

2

Scheitel

3

Kämpfer

4

Sohle

5

Bohrkrone

6

Inklinometer (horizontal, Krümmung)

7

Inklinometer (horizontal, Verrollung)

8

Wippenlager

9

Wippenarm

10

Wippe

11

Drehpunkt

12

Hülse

13

Seil

14

Seilbefestigung

15

Wegaufnehmer

16

Inklinometer (vertikal, Krümmung)

17

Inklinometer (vertikal, Verrollung)

18

Stellschraube

19

Gewinde

20

Energie- und Datenkabel

Claims (7)

1. Verfahren zur Vermessung der räumlichen Lage eines Bohrkopfs (1), dadurch gekennzeichnet, dass die durch eine Krümmung des Bohrkopfs (1) ausgelöste Längenänderung von Scheitel (2), Sohle (4) und/oder Kämpfer (3) des Bohrkopfes (1) sowie die Verrollung des Bohrkopfs (1) ermittelt werden und durch entsprechende Berechnungen damit die räumliche Lage des Bohrkopfs (1) bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längenänderung von Scheitel (2), Sohle (4) und/oder Kämpfer (3) und die Verrollung des Bohrkopfs (1) mittels Inklinometer (6) und (16) bzw. (7) und (17) festgestellt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längenänderung von Scheitel (2), Sohle (4) und/oder Kämpfer (3) mittels Wegaufnehmern und die Verrollung des Bohrkopfs (1) mittels Inklinometer (7) und (17) festgestellt werden.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass – entlang des Scheitels (2), der Sohle (4) sowie der beiden Kämpfer (3) des Bohrkopfs (1) Hülsen (12) befestigt sind, die am hinteren Ende des Bohrkopfs (1) über Bögen symmetrisch ins Innere des Bohrkopfs (1) geführt werden und dort über ein Wippenlager (8) miteinander verbunden sind, wobei in der Mitte zwischen den Enden der Hülsen (12) ein Bereich frei bleibt, – sich in den Hülsen (12) frei bewegliche Seile (13) befinden, die Seile (13) am vorderen Ende mit den Hülsen (12) verbunden sind und die Seile (13) am hinteren Ende mit einem Ende eines Wippenarms (9) verbunden sind, wobei der Wippenarm (9) selbst über einen Drehpunkt (11) mit dem Wippenlager (8) verbunden ist und am anderen Ende des Wippenarms (9) jeweils mindestens ein Inklinometer (6) oder (16) angebracht ist, – auf den Wippenlagern (8) mindestens ein Inklinometer (7) bzw. (17) befestigt ist,
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich jeweils am vorderen Ende der Hülsen (12) Gewinde (19) befinden, in denen mit den Seilen (13) verbundene Stellschrauben (18) axial bewegt werden können.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Betrieb der Vorrichtungen erforderliche Energie sowie die von den Vorrichtungen gemessenen Werte über ein Energie- und Datenkabel (20) nach übertage übermittelt werden.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Betrieb der Vorrichtungen erforderliche Energie mittels einer im Bohrkopf (1) untergebrachten Batterie erzeugt und die von den Vorrichtungen gemessenen Werte drahtlos nach übertage übermittelt werden.

Images