DE102012004762A1

DE102012004762A1 - Vorrichtung zum Aufweiten eines Bohrlochs auf einen größeren Durchmesser und zum gleichzeitigen Verlegen einer Rohrleitung in das aufgeweitete Bohrloch

Info

Publication number: DE102012004762A1
Application number: DE201210004762
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-03-08
Filing date: 2012-03-08
Publication date: 2013-09-12

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 Zuggestänge 16 dargestellt, welches über einen (optionalen) Drehwirbel 1 und ein (optionales) Kardangelenk 25 mit einem Verbindungsrohr 2 verbunden ist. Das mit einer (nicht dargestellten) Zugvorrichtung übertage verbundene Zuggestänge 16 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 Zuggestänge 16 aufbauen können, welche z. B. zu einer ungewollten Entschraubung des Zuggestänges 16 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 Zuggestänge 16 und der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu verhindern.
Das Verbindungsrohr 2 ist mit einer Lagerplatte 22 verbunden, welche die vom Zuggestänge 16 eingeleiteten Zugkräfte auf das Maschinenrohr 3 überträgt. Das Maschinenrohr 3 weist mindestens eine Gelenkverbindung mit integrierter Dichtung 17 auf, um die Kurvengängigkeit zu erhöhen. Die Gelenkverbindung mit integrierter Dichtung 17 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 Rohrleitung 4 verbunden. Da das Maschinenrohr 3 aus Gründen des Bohrkleintransports durch den Ringraum zwischen Bohrlochwand und Rohrleitung 4 einen größten Durchmesser aufweisen soll, der ca. 1,2 bis 1,5-fach größer als der Außendurchmesser der Rohrleitung 4 ist, erfolgt die Verbindung zwischen Maschinenrohr 3 und Rohrleitung 4 idealerweise über ein konisches Stück. Die eigentliche Verbindung zwischen Maschinerohr 3 und Rohrleitung 4 kann dabei z. B. eine Schweißnaht sein. Um möglichen Flüssigkeitszutritt aus der Rohrleitung 4 in das Maschinenrohr 3 sicher zu verhindern, wird in einem bevorzugten Ausführungsfall am Ende des Maschinenrohrs 3 eine Schottwand 19 eingebaut.
Der Antrieb des am vorderen Ende des Maschinenrohrs 3 befindlichen Schneidrads 6 erfolgt über mindestens einen Motor 5, der über eine Antriebswelle 21 mit dem Schneidrad 6 verbunden ist. Die Antriebswelle 21 ist in einem Wellenlager mit Dichtung 23 gelagert, um die erforderlichen Drehmomente sowie den entstehenden Verschleiß zu reduzieren und das Innere des Maschinenrohrs 3 vor dem ungewollten Zutritt von Flüssigkeit zu schützen. Zusätzlich kann das Schneidrad 6 in einem Schneidradlager 27 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 Antriebswelle 21 ein Brecher 20 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 Antriebswelle 21 ein Getriebe 18 anzuordnen, wodurch die Größe des Motors 3 bei gleichem Drehmoment an der Antriebswelle 21 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 Rohrleitung 4 von übertage aus zugeführt werden können.
Die für den Bohr- und Verlegevorgang erforderliche frische Bohrspülung 8 wird von übertage über eine Speisleitung 14 zu Düsen 11 geleitet, wo die frische Bohrspülung 8 die mechanische Lösearbeit des Schneidrads 6 hydraulisch unterstützt und gleichzeitig den beim Bohrvorgang gelösten Boden aufnimmt. Diese beladene Bohrspülung 24 wird dann über eine im Inneren des Maschinenrohrs 3 verlaufende Förderleitung 26 zu mindestens einem Auslass 15 am hinteren Ende des Maschinenrohrs 3 geführt. Dort tritt die beladenen Bohrspülung 24 in den Ringraum zwischen Bohrloch und Rohrleitung 4 ein und fließt in diesem Ringraum zur Tagesoberfläche zurück.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird in die Speiseleitung 14 eine Speisepumpe 9 integriert, wodurch der Druck der an den Düsen 11 austretenden frischen Bohrspülung 8 erhöht und damit die hydraulische Lösearbeit optimiert werden kann. Damit kein unzulässig hoher Druckaufbau im offenen Bohrloch im Bereich des Schneidrads 6 auftritt, besteht die Möglichkeit, in die Förderleitung 26 eine Förderpumpe 13 zu integrieren, die die beladene Bohrspülung 24 im Bereich des Schneidrads 6 ansaugt und durch die Förderleitung 26 zu dem Auslass 15 pumpt. Die Ansteuerung der Förderpumpe 13 kann dabei über einen Drucksensor 12 im Bereich des Schneidrads 6 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 Speiseleitung 14 und Förderleitung 26 angebracht. Der Durchfluss von frischer Bohrspülung 8 durch die Verbindungsleitung 10 in die Förderleitung 26 wird über einen regelbaren Schieber 7 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

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.