DE102012004762A1 - Vorrichtung zum Aufweiten eines Bohrlochs auf einen größeren Durchmesser und zum gleichzeitigen Verlegen einer Rohrleitung in das aufgeweitete Bohrloch - Google Patents
Vorrichtung zum Aufweiten eines Bohrlochs auf einen größeren Durchmesser und zum gleichzeitigen Verlegen einer Rohrleitung in das aufgeweitete Bohrloch Download PDFInfo
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Abstract
Bei einer Vorrichtung zum Aufweiten eines Bohrlochs auf einen größeren Durchmesser und zum gleichzeitigen Verlegen einer Rohrleitung in die aufgeweitete Bohrung wird ein Verbindungsrohr (2) an seinem vorderen Ende mit einem Zuggestänge (16) und an seinem hinteren Ende mit einer Lagerplatte (22) und die Lagerplatte (22) mit einem Maschinenrohrs (3) verbunden, wobei das Maschinenrohr (3) mindestens aus zwei Teilen, die über eine zug- und druckfeste Gelenkverbindung mit integrierter Dichtung (17) verbunden sind, besteht und das hintere Ende des Maschinenrohrs (3) mit einer Rohrleitung (4) verbunden ist und das Maschinenrohr (3) einen größten Durchmesser aufweist, der ca. 1,2 bis 1,5-fach größer ist als der größte Durchmesser der Rohrleitung (4) und sich im Inneren des Maschinenrohrs (3) mindestens ein Motor (5) befindet, der über eine Antriebswelle (20) ein Schneidrad (6) antreibt und sich im Inneren des Maschinenrohrs (3) mindestens eine Speiseleitung (14) befindet, die mit mindestens einer Düse (11) im Bereich des Schneidrads (6) verbunden ist und sich im Inneren des Maschinenrohrs (3) mindestens eine Förderleitung (26) befindet, die vom Bereich des Schneidrads (6) zu mindestens einem, im hinteren Bereich des Maschinenrohrs (3) befindlichen Auslass (15) verläuft.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aufweiten eines Bohrlochs auf einen größeren Durchmesser und zum gleichzeitigen Verlegen einer Rohrleitung in das aufgeweitete Bohrloch.
- Stand der Technik
- Für die grabenlose Verlegung von Rohrleitungen (Pipelines) im Boden hat sich seit Jahrzehnten die steuerbare Horizontalbohrtechnik (HDD = Horizontal Directional Drilling) bewährt. Bei diesem Verlegeverfahren wird eine vormontierte Rohrleitung in ein Bohrloch eingezogen.
- Bei größeren Rohrleitungen ist es dabei erforderlich, die zuerst erstellte Pilotbohrung auf einen größeren Durchmesser aufzuweiten. Hierzu werden unterschiedliche Bohrwerkzeuge verwendet, z. B. so genannte Barrel Reamer, Fly Cutter oder Hole Opener wie sie z. B. in Grundlagen der Horizontalbohrtechnik (ISBN 978-3-8027-5325-1) auf den Seiten 137 bis 141 beschrieben werden. Barrel Reamer und Fly Cutter werden im Wesentlichen in Lockergesteinsböden eingesetzt, während Hole Opener vornehmlich in Festgesteinsböden verwendet werden.
- Ein Vorteil des Barrel Reamers ist darin zu sehen, dass er das geschnittene Bohrloch durch seinen relativ langen Mantel glättet und stabilisiert, dabei aber mitunter relativ hohe Drehmomente erfordert (bedingt durch die große Kontaktfläche mit dem Bohrloch). Auch die wenig flexible Konstruktion ist in Bohrlöchern mit engen Bohrradien eher nachteilig.
- Der Fly Cutter erzeugt durch seine relativ offene, kurz bauende Konstruktion relativ wenig Löse- und Reibungskräfte und demzufolge relativ niedrige Drehmomente. Allerdings kann er das Bohrloch nicht so gut stabilisieren wie ein Barrel Reamer und wird wegen seines kurzen Mantels auch nur relativ schlecht im Bohrloch zentriert bzw. geführt.
- Hole Opener sind schwere Gesteinsbohrwerkzeuge, die im Bohrloch noch schlechter als Fly Cutter zentriert sind und demzufolge oft zusätzliche Stabilisatoren davor und dahinter benötigen.
- Für alle Bohrwerkzeuge gilt, dass sie in der Regel große Bohrlöcher in mehreren Arbeitsschritten auf den erforderlichen Durchmesser aufweiten müssen, wobei die Zentrierung der großen Bohrwerkzeuge schwierig ist und nicht selten zu einer Überlastung des antreibenden Bohrstrangs führt. In der Folge bricht der Bohrstrang und entweder bedeutet diese Havarie dann umfangreiche, zeit- und kostenintensive Bergemaßnahmen oder sogar eine Aufgabe des Bohrlochs.
- Ein weiteres Problem der bisherigen, unzureichenden Zentrierung der Räumwerkzeuge ist, dass die aufeinander folgenden Räumwerkzeuge keine konzentrischen Aufweitungen durchführen, sonder (bedingt durch die Schwerkraft und die permanente Rotation in eine Drehrichtung) die Tendenz haben, ein „birnenförmiges” Bohrloch zu erstellen, dessen Achse sich von Räumgang zu Räumgang weiter nach unten und seitlich in Drehrichtung verlagert. Im Endeffekt wird dadurch ein viel größeres Bohrlochvolumen erstellt als technisch erforderlich und wirtschaftlich wünschenswert. Außerdem müssen die Räumwerkzeuge jeweils eine flächenmäßig größere Ortsbrust bewältigen als vorgesehen (da die Aufweitung eben nicht ideal-konzentrisch erfolgt).
- Weiterhin gilt für die bisherigen Werkzeuge, dass diese zuerst für das Aufweiten genutzt werden und für den späteren Einziehvorgang der Rohrleitung in das Bohrloch ein zusätzlicher Arbeitsschritt erforderlich ist.
- Technische Aufgabe
- Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bereitzustellen, die es ermöglicht, ein relativ kleines Bohrloch (Pilotbohrung) in einem Arbeitsschritt auf einen großen Enddurchmesser aufzuweiten und dabei gleichzeitig die Rohrleitung in das Bohrloch einzuziehen. Dabei soll die Vorrichtung zum Einen gut im Bohrloch zentriert sein und zum Anderen die erforderlichen hohen Drehmomente nicht über den relativ schwachen Bohrstrang erhalten, sondern von einem separaten Antrieb in der Vorrichtung.
- Lösung der technischen Aufgabe
- Die technische Aufgabe wird nach den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
- Vorteile der Erfindung
- Die wesentlichen Vorteile gegenüber den bisher üblichen Vorrichtungen sind in der Kombination der folgenden Eigenschaften zu sehen:
- • Verkürzung der Arbeitszeit durch Integration mehrerer Arbeitsschritte (diverse Aufweitschritte und Einziehvorgang) in einen einzigen kombinierten Arbeitsschritt,
- • Gute Zentrierung im Bohrloch (da nur ein einziger Aufweitgang),
- • Minimales Bohrlochvolumen (da tatsächlich rundes und nicht birnenförmiges Bohrloch),
- • Entlastung des Bohrstrangs von Drehmomenten (lediglich Zugbelastung),
- • Gute Kurvengängigkeit durch gelenkigen Aufbau und
- • Bewältigung von Steinhindernissen bei Integration eines Brechers.
- Zeichnung
- Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform in
1 dargestellt. - Ausführungsbeispiel
- In
1 ist der prinzipielle Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Es ist ein Zuggestänge16 dargestellt, welches über einen (optionalen) Drehwirbel1 und ein (optionales) Kardangelenk25 mit einem Verbindungsrohr2 verbunden ist. Das mit einer (nicht dargestellten) Zugvorrichtung übertage verbundene Zuggestänge16 überträgt die für den Bohr- und Einziehvorgang erforderlichen Zugkräfte auf die erfindungsgemäße Vorrichtung. - Der Drehwirbel
1 verhindert, dass sich Drehmomente zwischen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem Zuggestänge16 aufbauen können, welche z. B. zu einer ungewollten Entschraubung des Zuggestänges16 führen können, wenn dieses aus einzelnen, miteinander verschraubten Stücken (z. B. Bohrgestänge) besteht. - Das Kardangelenk hat die Aufgabe, unnötige Biegebelastungen des Zuggestänges
16 aufgrund Abwinkelungen zwischen Zuggestänge16 und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu verhindern. - Das Verbindungsrohr
2 ist mit einer Lagerplatte22 verbunden, welche die vom Zuggestänge16 eingeleiteten Zugkräfte auf das Maschinenrohr3 überträgt. Das Maschinenrohr3 weist mindestens eine Gelenkverbindung mit integrierter Dichtung17 auf, um die Kurvengängigkeit zu erhöhen. Die Gelenkverbindung mit integrierter Dichtung17 kann z. B. aus schwimmend miteinander verbundenen, zug- und druckfesten Hydraulikzylindern oder aus zug- und druckfesten Federpaketen bestehen. - Mit dem hinteren Ende des Maschinenrohrs
3 wird die Rohrleitung4 verbunden. Da das Maschinenrohr3 aus Gründen des Bohrkleintransports durch den Ringraum zwischen Bohrlochwand und Rohrleitung4 einen größten Durchmesser aufweisen soll, der ca. 1,2 bis 1,5-fach größer als der Außendurchmesser der Rohrleitung4 ist, erfolgt die Verbindung zwischen Maschinenrohr3 und Rohrleitung4 idealerweise über ein konisches Stück. Die eigentliche Verbindung zwischen Maschinerohr3 und Rohrleitung4 kann dabei z. B. eine Schweißnaht sein. Um möglichen Flüssigkeitszutritt aus der Rohrleitung4 in das Maschinenrohr3 sicher zu verhindern, wird in einem bevorzugten Ausführungsfall am Ende des Maschinenrohrs3 eine Schottwand19 eingebaut. - Der Antrieb des am vorderen Ende des Maschinenrohrs
3 befindlichen Schneidrads6 erfolgt über mindestens einen Motor5 , der über eine Antriebswelle21 mit dem Schneidrad6 verbunden ist. Die Antriebswelle21 ist in einem Wellenlager mit Dichtung23 gelagert, um die erforderlichen Drehmomente sowie den entstehenden Verschleiß zu reduzieren und das Innere des Maschinenrohrs3 vor dem ungewollten Zutritt von Flüssigkeit zu schützen. Zusätzlich kann das Schneidrad6 in einem Schneidradlager27 gelagert werden, um z. B. entstehende Biegemomente besser aufnehmen zu können und die Reibung (und damit den Drehmomentbedarf für den Bohrprozess) weiter zu reduzieren. - In einem bevorzugten Ausführungsfall wird zwischen Schneidrad
6 und Antriebswelle21 ein Brecher20 vorgesehen. Damit ist auch die Zerkleinerung von Steinhindernissen auf ein Maß möglich, welches von der Bohrspülung sicher aus dem Bohrloch ausgetragen werden kann. - Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, zwischen Motor
5 und Antriebswelle21 ein Getriebe18 anzuordnen, wodurch die Größe des Motors3 bei gleichem Drehmoment an der Antriebswelle21 reduziert werden kann. Der Antrieb des Motors erfolgt z. B. mittels elektrischer oder hydraulischer Energie, die über ein (nicht dargestelltes) Kabel bzw. eine (nicht dargestellte) Schlauchleitung durch die Rohrleitung4 von übertage aus zugeführt werden können. - Die für den Bohr- und Verlegevorgang erforderliche frische Bohrspülung
8 wird von übertage über eine Speisleitung14 zu Düsen11 geleitet, wo die frische Bohrspülung8 die mechanische Lösearbeit des Schneidrads6 hydraulisch unterstützt und gleichzeitig den beim Bohrvorgang gelösten Boden aufnimmt. Diese beladene Bohrspülung24 wird dann über eine im Inneren des Maschinenrohrs3 verlaufende Förderleitung26 zu mindestens einem Auslass15 am hinteren Ende des Maschinenrohrs3 geführt. Dort tritt die beladenen Bohrspülung24 in den Ringraum zwischen Bohrloch und Rohrleitung4 ein und fließt in diesem Ringraum zur Tagesoberfläche zurück. - In einer bevorzugten Ausführungsform wird in die Speiseleitung
14 eine Speisepumpe9 integriert, wodurch der Druck der an den Düsen11 austretenden frischen Bohrspülung8 erhöht und damit die hydraulische Lösearbeit optimiert werden kann. Damit kein unzulässig hoher Druckaufbau im offenen Bohrloch im Bereich des Schneidrads6 auftritt, besteht die Möglichkeit, in die Förderleitung26 eine Förderpumpe13 zu integrieren, die die beladene Bohrspülung24 im Bereich des Schneidrads6 ansaugt und durch die Förderleitung26 zu dem Auslass15 pumpt. Die Ansteuerung der Förderpumpe13 kann dabei über einen Drucksensor12 im Bereich des Schneidrads6 erfolgen. - Für den Fall, dass die Zirkulation auch bei einer Unterbrechung des Bohr- und Verlegevorgangs fortgeführt werden soll, ist in einer bevorzugten Ausführungsform eine Verbindungsleitung
10 zwischen Speiseleitung14 und Förderleitung26 angebracht. Der Durchfluss von frischer Bohrspülung8 durch die Verbindungsleitung10 in die Förderleitung26 wird über einen regelbaren Schieber7 gesteuert. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Drehwirbel
- 2
- Verbindungsrohr
- 3
- Maschinenrohr
- 4
- Rohrleitung
- 5
- Motor
- 6
- Schneidrad
- 7
- Regelbarer Schieber
- 8
- Frische Bohrspülung
- 9
- Speisepumpe
- 10
- Verbindungsleitung
- 11
- Düsen
- 12
- Drucksensor
- 13
- Förderpumpe
- 14
- Speiseleitung
- 15
- Auslass
- 16
- Zuggestänge
- 17
- Gelenkverbindung mit integrierter Dichtung
- 18
- Getriebe
- 19
- Schottwand
- 20
- Brecher
- 21
- Antriebswelle
- 22
- Lagerplatte
- 23
- Wellenlager mit Dichtung
- 24
- Beladene Bohrspülung
- 25
- Kardangelenk
- 26
- Förderleitung
- 27
- Schneidradlager
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- Grundlagen der Horizontalbohrtechnik (ISBN 978-3-8027-5325-1) auf den Seiten 137 bis 141 [0003]
Claims (11)
- Vorrichtung zum Aufweiten eines Bohrlochs auf einen größeren Durchmesser und zum gleichzeitigen Verlegen einer Rohrleitung in die aufgeweitete Bohrung, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Verbindungsrohr (
2 ) an seinem vorderen Ende mit einem Zuggestänge (16 ) verbunden ist und das hintere Ende des Verbindungsrohrs (2 ) mit einer Lagerplatte (22 ) verbunden ist und die Lagerplatte (22 ) mit einem Maschinenrohr (3 ) verbunden ist, – das Maschinenrohr (3 ) mindestens aus zwei Teilen besteht, die über eine zug- und druckfeste Gelenkverbindung mit integrierter Dichtung (17 ) verbunden sind und das hintere Ende des Maschinenrohrs (3 ) mit einer Rohrleitung (4 ) verbunden ist und das Maschinenrohr (3 ) einen größten Durchmesser aufweist, der ca. 1,2 bis 1,5-fach größer ist als der größte Durchmesser der Rohrleitung (4 ), – sich im Inneren des Maschinenrohrs (3 ) mindestens ein Motor (5 ) befindet, der über eine Antriebswelle (21 ) ein Schneidrad (6 ) antreibt, – im Inneren des Maschinenrohrs (3 ) mindestens eine Speiseleitung (14 ) mit mindestens einer Düse (11 ) im Bereich des Schneidrads (6 ) verbunden ist, – im Inneren des Maschinenrohrs (3 ) mindestens eine Förderleitung (26 ) vom Bereich des Schneidrads (6 ) zu mindestens einem, im hinteren Bereich des Maschinenrohrs (3 ) befindlichen Auslass (15 ) verläuft. - Maschinenrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinenrohr (
3 ) an seinem hinteren Ende eine wasserdichte Schottwand (19 ) aufweist. - Gelenkverbindung mit integrierter Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenkverbindung mit integrierter Dichtung (
17 ) aus mindestens drei schwimmend gelagerten, zug- und druckfesten Hydraulikzylindern besteht. - Gelenkverbindung mit integrierter Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenkverbindung mit integrierter Dichtung (
17 ) aus mindestens drei zug- und druckfesten Federpaketen besteht. - Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (
5 ) über ein Getriebe (18 ) und eine Antriebswelle (21 ) mit dem Schneidrad (6 ) verbunden ist. - Schneidrad nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schneidrad (
6 ) einen Brecher (20 ) aufweist. - Speiseleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Speisepumpe (
9 ) in die Speiseleitung (14 ) integriert ist. - Förderleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Förderpumpe (
13 ) in die Förderleitung (26 ) integriert ist. - Speiseleitung nach Anspruch 1, 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Speiseleitung (
14 ) mit der Förderleitung (26 ) über eine Verbindungsleitung (10 ) mit einem regelbaren Schieber (7 ) verbunden ist. - Speiseleitung nach Anspruch 1, 7 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Ende der Speiseleitung (
14 ) hinter der Schottwand (19 ) im vorderen Bereich der Rohrleitung (4 ) endet. - Förderpumpe nach Anspruch 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumprate der Förderpumpe (
13 ) über einen Drucksensor (12 ) im Bereich des Schneidrads (6 ) geregelt wird.
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