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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung aus einer Innengestänge-Bohrstange und zumindest einem Sensor, wie sie in einer Außengestänge-Bohrstange angeordnet werden kann, wobei die Innengestänge-Bohrstange und die Außengestänge-Bohrstange zusammen mit weiteren Innengestänge-Bohrstangen und Außengestänge-Bohrstangen zu einem sogenannten Doppelrohrgestänge mit einem Innengestänge und einem Außengestänge zusammengefügt werden kann.
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Eine Anordnung aus einer Innengestänge-Bohrstange und einem Sensor und einer Außengestänge-Bohrstange ist aus der Patentschrift
DE 10 2011 103 220 B3 bekannt. In der Patentschrift ist ferner ein Doppelrohrgestänge beschrieben. In der Patentschrift ist beschrieben, wie mit einem Sensor, dort auch Sonde genannt, die Position und Ausrichtung eines Bohrkopfes ermittelt werden kann.
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Beim Bohren, insbesondere beim Horizontalbohren, ist es möglich, eine kontrollierte Richtungsänderung durchzuführen. Dieses wird auch Steuern genannt. Damit ein Steuern beim Bohren möglich ist, hat die sich an den Bohrkopf anschließende aber nicht mit dem Bohrkopf verbundene erste Außengestänge-Bohrstange einen Knick, welcher in die Richtung ausgerichtet (gesteuert) wird, in welche das Innengestänge mit dem mit diesem drehfest verbundenen Bohrkopf steuern soll. Für eine kontrollierte Richtungsänderung muss die Position und die Ausrichtung des Bohrkopfes bekannt sein.
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Es wird in der Patentschrift
DE 10 2011 103 220 B3 beschrieben, dass der Sensor von einer Batterie mit einer für den Betrieb notwendigen elektrischen Energie versorgt wird. Bei einem solchen Sensor werden die vom Sensor ermittelten Daten in der Regel drahtlos vom Sensor zu einem Empfänger übertragen. Ebenso wird beschrieben, dass eine Versorgung mittels eines Kabels erfolgt, welches in einem Zwischenraum zwischen dem Innengestänge und dem Außengestänge geführt ist, wobei der Sensor in einer Bohrstange des Außengestänges angeordnet ist. Das Kabel dient der Stromversorgung wie auch der Übertragung der vom Sensor ermittelten Daten.
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Beides ist bislang nicht optimal gelöst:
- – Wird der Sensor von einer Batterie mit Energie versorgt, kann es zu einer Entladung des Akkumulators während des Bohrens kommen, was nicht erwünscht ist, da dann der Sensor nicht mit der für den Betrieb notwendigen Energie versorgt wird.
- – Wird der Sensor dagegen über durch den Zwischenraum zwischen dem Innengestänge und dem Außengestänge geführte Kabel mit Energie versorgt, kann das Kabel so stark beansprucht werden, dass es beschädigt wird.
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Eine Lösung mit einem von einer Batterie betriebenen Sensor ist übrigens auch in dem Dokument
WO 2009/110847 A1 beschrieben.
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In der Patentschrift
DE 10 2011 103 220 B3 wird vorgeschlagen, den Sensor nicht an einer Bohrstange des Außengestänges anzuordnen, sondern in einer Bohrstange des Innengestänges. Das Kabel kann dann in dem Innengestänge geführt werden, wodurch es nicht so sehr beansprucht wird. Dabei ist der Sensor aber gegenüber dem Innengestänge frei drehbar aber drehfest mit dem Außengestänge verbunden.
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Die drehfeste Anbindung des Sensors an das Außengestänge hat seinen Grund darin, dass das Außengestänge zum Steuern der Richtung der Bohrung benutzt wird, während der Materialabbau durch den vom Innengestänge angetriebenen Bohrkopf erfolgt. Zum Steuern der Richtung der Bohrung hat das Außengestänge in der Regel am bohrkopfseitigen Ende des Doppelrohrgestänges den bereits erwähnten Knick, in welchem sich die Richtung des Außengestänges um wenige Grad ändert. Da das Innengestänge in dem Außengestänge rotiert, wird die Richtungsänderung durch den Knick des Außengestänges auf das Innengestänge bzw. den Bohrkopf übertragen. Die Ausrichtung des Knickstücks innerhalb eines Bohrloches kann durch ein Drehen des Außengestänges verändert werden. Um zu wissen, welche Bohrrichtung das Außengestänge dem Bohrkopf vorgibt, muss ein Bediener wissen, wie der Knick in dem Bohrloch ausgerichtet ist. Die Ausrichtung des Knicks wird daher von dem Sensor erfasst und zum Benutzer übertragen.
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Die Anordnung des Sensors drehfest zum Außengestänge ist auch schon aus dem Dokument
WO 2009/110847 A1 bekannt. Dort ist der Sensor allerdings unmittelbar in bzw. an dem Außengestänge angeordnet und nicht im Innengestänge.
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Nach der in der Patentschrift
DE 10 2011 103 220 B3 vorgeschlagenen Lösung ist der Sensor im Innengestänge angeordnet und drehfest mit dem Außengestänge des Doppelrohrgestänges verbunden. Da der Bediener die Ausrichtung des Sensors bezüglich der Richtung des Knicks des Außengestänges kennt, kann er anhand der von dem Sensor übermittelten Ausrichtung des Sensors über die Ausrichtung des Knickstücks informiert werden. Der Bediener kann dann unmittelbar erkennen, in welche Richtung der Knick zeigt und welche Richtung zukünftig gebohrt wird, so wie es auch schon mit der aus dem Dokument
WO 2009/110847 A1 bekannten Lösung der Fall war.
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Ein Unterschied zwischen der aus dem Dokument
WO 2009/110847 A1 und der aus der Patentschrift
DE 10 2011 103 220 B3 bekannten Lösung ist, dass der Sensor der aus der Patentschrift
DE 10 2011 103 220 B3 bekannten Lösung über ein Kabel mit elektrischer Energie versorgt wird. Über das Kabel können auch Sensordaten zum Benutzer übertragen werden. Das Kabel kann wegen der Anbringung des Sensors im Innengestänge in dem Innengestänge geführt werden, was zur einer geringeren Beanspruchung des Kabels führt als wenn das Kabel in dem Zwischenraum zwischen dem Innengestänge und dem Außengestänge geführt wird.
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Die Realisierung der Anordnung des Sensors im Innengestänge drehfest zum Außengestänge ist in der Patentschrift
DE 10 2011 103 220 B3 beschrieben. Die Realisierung ist aufwändig.
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Hier setzt die Erfindung an.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung vorzuschlagen, bei der der Sensor in dem Innengestänge angeordnet ist und eine drehfeste Anbindung an das Außengestänge nicht notwendig ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Sensor drehfest zu der ersten Innengestänge-Bohrstange angeordnet ist. Durch die drehfeste Anordnung des Sensors in der ersten Innengestänge-Bohrstange ist es einerseits möglich, das Kabel durch das Innengestänge zum Sensor zu führen, und andererseits entfällt die aufwändige Drehkopplung zwischen dem Sensor und einer ersten Außengestänge-Bohrstange. Durch die drehfeste Anordnung des Sensors in oder an der ersten Innengestänge-Bohrstange ist dann nicht mehr ohne weiteres möglich, mit einem bekannten Sensor die Drehstellung des Außengestänges bzw. der ersten Außengestänge-Bohrstange zu ermitteln. Dies wird mit einem bekannten Sensor, der einen Neigungssensor umfasst, möglich, wenn nach dem in dem Anspruch 10 angegebenen Verfahren vorgegangen wird. Der Sensor kann einen Steckverbinder aufweisen, der mit einer Elektronik des Sensors verbunden ist.
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Gemäß der Erfindung kann der Sensor einen Lagesensor umfassen, mit welchem eine Neigung des Sensors erfassbar ist. Dieser Lagesensor wird gelegentlich auch als Neigungssensor bezeichnet.
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Die Anordnung kann ferner einen Drehstellungssensor umfassen, mit welchem die Drehstellung einer ersten Außengestänge-Bohrstange erfassbar ist, in welcher die Anordnung einsetzbar ist.
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Die Anordnung kann eine bzw. die erste Außengestänge-Bohrstange aufweisen, in welcher die erste Innengestänge-Bohrstange und der Sensor eingesetzt sein kann.
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Die erste Außengestänge-Bohrstange hat vorzugsweise einen Knick. Mittels dieses Knicks kann gesteuert werden, d. h. die Bohrrichtung verändert werden.
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Der Darstellungssensor kann ein Wandler sein, der auf optisch-elektrischer Wandlung, auf dem Hall-Effekt, auf induktiver und/oder kapazitiver Kopplung beruht. Er kann z. B. ein Magnetfeldsensor oder ein Potentiometer sein.
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Der Drehstellungssensor kann mit einem passiven Element zusammenwirken, welches in oder an der ersten Außengestänge-Bohrstange angeordnet ist. Bei dem passiven Element kann es sich z. B. um ein Element handeln, welches eine Störung eines elektromagnetischen Feldes verursacht, welche vorzugsweise eindeutig diesem Element zugeordnet werden kann. Das elektromagnetische Feld kann vom drehfest in der ersten Innengestänge-Bohrstange angeordneten Teil des Sensors erzeugt werden.
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Der Sensor kann eine erste Spule aufweisen und das passive Element kann eine zweite Spule sein. Mit der ersten Spule kann ein elektromagnetisches Feld erzeugt werden, welches in der zweiten Spule einen Strom induziert. Dieser Strom kann eine Gegeninduktion in der ersten Spule im Sensor bewirken, die je nach Drehstellung der ersten Außengestänge-Bohrstange zur ersten Innengestänge-Bohrstange größer oder kleiner ausfallen kann. Durch eine Auswertung des von der Gegeninduktion hervorgerufenen Stroms bzw. der von der Gegeninduktion hervorgerufenen Spannung kann dann einen Aussage zur Drehstellung vom Außengestänge relativ zum Sensor getroffen und über den Sensor und das damit verbundene Kabel nach außen übermittelt werden. Da die Drehstellung des Sensor bezüglich der Umgebung ebenfalls ermittelt werden kann, kann die Drehstellung des Knick relativ zur Umgebung ermittelt werden.
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Eine erfindungsgemäße Anordnung kann Teil eines Doppelrohrgestänges mit einem Innengestänge aus Innengestänge-Bohrstangen und einem Außengestänge aus Außengestänge-Bohrstangen sein. Das Doppelrohrgestänge kann ein Kabel umfassen, welches mit dem Sensor verbunden ist und welches in dem Innengestänge angeordnet ist.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zum Feststellen der Ausrichtung des Knickstücks das Außengestänge ohne Vortrieb des Doppelrohrgestänges um wenigstens 180° gedreht. Bei der Drehung wird die von dem Sensor angezeigte Neigung beobachtet und/oder erfasst.
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Die Drehstellung des Außengestänges, in welcher ein Maximum der von dem Sensor ermittelten Neigung angezeigt oder erfasst wird, kann als die Drehstellung erkannt werden, in welcher der Knick nach oben gerichtet ist. Ferner kann die Drehstellung des Außengestänges, in welcher ein Minimum der von dem Sensor ermittelten Neigung angezeigt oder erfasst wird, als die Drehstellung erkannt werden, in welcher der Knick nach unten gerichtet ist. Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Stellung des Außengestänges, in welcher das Maximum und/oder das Minimum der von dem Sensor ermittelten Neigung vorliegt, manuell (z. B. mechanisch, optisch) und/oder elektronisch markiert und gespeichert werden.
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Damit kann die Position für das weitere Bohren genutzt werden. Die Drehstellung kann z. B. ausgehend von der Position des Maximums und/oder des Minimums verändert werden. Wird die Änderung der Winkelstellung des Außengestänges ausgehend von der Position des Maximums oder des Minimums erfasst, kann jede beliebige Drehstellung kontrolliert angefahren werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen deutlich. Darin zeigen
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1 eine Draufsicht auf einen Teil eines erfindungsgemäßen Bohrgestänges,
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2 eine teilweise Schnittdarstellung des Teils des erfindungsgemäßen Bohrgestänges entsprechend der Linie A-A in 1
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3 eine schematische Darstellung des Teils des erfindungsgemäßen Bohrgestänges gemäß den 1 und 2 in einem Bohrkanal, wobei das Bohrgestänge eine 6-Uhr-Drehstellung hat und
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4 eine schematische Darstellung des Teils des erfindungsgemäßen Bohrgestänges gemäß den 1 und 2 in einem Bohrkanal, wobei das Bohrgestänge eine 12-Uhr-Drehstellung hat.
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Der in den 1 und 2 dargestellte Teil des Bohrgestänges umfasst einen mit einem Innengestänge lösbar verbundenen Bohrkopf, eine Bohrkopfaufnahme 1, das Innengestänge und ein Außengestänge, in welchem das Innengestänge angeordnet ist. Zwischen dem Innengestänge und dem Außengestänge ist ein im Querschnitt ringförmiger Zwischenraum vorgesehen, welcher einen Spülkanal bildet und durch welchen eine Spülflüssigkeit geleitet werden kann.
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Das Innengestänge umfasst eine (mehrteilige) erste Inngestänge-Bohrstange 3, die mit einem ersten Ende mit der Bohrkopfaufnahme 1 verbunden ist. Das Innengestänge umfasst ferner weitere, vorzugsweise gleiche, Innengestänge-Bohrstangen (nicht dargestellt), die sich eine nach der anderen an ein zweites Ende der ersten Innengestänge-Bohrstange 3 anschließen. Auf die Ausbildung der weiteren Innengestänge-Bohrstangen, z. B. auf die Ausbildung der Anschlüsse und Verbindungen zwischen den weiteren Innengestänge-Bohrstangen kommt es mit Bezug auf die Erfindung nicht an. Die weiteren Innengestänge-Bohrstangen können auf jede beliebige, insbesondere bekannte Art und Weise ausgebildet sein.
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Das Außengestänge umfasst eine erste (mehrteilige) Außengestänge-Bohrstange 2, welche die erste Innengestänge-Bohrstange 3 und einen Schaft der Bohrkopfaufnahme 1 umgibt. Die erste Außengestänge-Bohrstange 2 weist einen Knick K von ca. 1,8° auf, welcher zum Steuern des Bohrgestänges im Erdreich bzw. im Bohrkanal verwendet wird. Der Knick K kann auch andere Winkelbeträge haben. Typisch sind Winkelbeträge von 0,5° bis 4°.
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Das Außengestänge umfasst ferner weitere, vorzugsweise gleiche, Außengestänge-Bohrstangen (nicht dargestellt), die sich eine nach der anderen an ein zweites Ende der ersten Außengestänge-Bohrstange 2 anschließen. Auf die Ausbildung der weiteren Außengestänge-Bohrstangen, z. B. auf die Ausbildung der Anschlüsse und Verbindungen zwischen den weiteren Außengestänge-Bohrstangen kommt es mit Bezug auf die Erfindung nicht an. Die weiteren Außengestänge-Bohrstangen können auf jede beliebige, insbesondere bekannte Art und Weise ausgebildet sein.
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Die erste Innengestänge-Bohrstange 3 und die erste Außengestänge-Bohrstange 2 sind vorzugsweise mehrteilig ausgeführt. Das hat den Vorteil, dass einige, einem besonderen Verschleiß ausgesetzte Teile der ersten Bohrstangen 2, 3 ausgetauscht werden können, ohne dass die gesamten ersten Bohrstangen 2, 3 ausgetauscht werden müssten. Die einzelnen Teile der ersten Bohrstangen 2, 3 sind drehfest miteinander verbunden, vorzugsweise miteinander verschraubt und zusätzlich miteinander verklebt und/oder verschweißt. Einige Teile sind aneinander geschweißt.
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Zwischen der ersten Innengestänge-Bohrstange 3 und der ersten Außengestänge-Bohrstange 2 bzw. zwischen der Bohrkopfaufnahme 1 und der ersten Außengestänge-Bohrstange 2 sind einige Lager (nicht dargestellt) vorgesehen, die über einige Dichtungen (nicht dargestellt) abgedichtet sind. Gelegentlich sind Distanzringe und/oder Distanzstücke u. ä. vorgesehen (ebenfalls nicht dargestellt).
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Die erste Innengestänge-Bohrstange weist einen zylindrischen Hohlraum auf, in welchem ein Sensor 4 drehfest angeordnet ist. Der Sensor hat eine zylindrische Gestalt, an welche der Hohlraum in der ersten Innengestänge-Bohrstange angepasst ist. Der Sensor 4 ist über Adapter und Druckfedern an Stirnseiten des Hohlraums abgestützt. Bei dem Sensor 4 handelt es sich zumindest um einen Lagesensor, welcher die Neigung des Sensors und die des den Sensor umgebenden Teils der ersten Inngestänge-Bohrstange 3 erfasst.
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Der Sensor 4 ist über einen nicht näher dargestellten Steckverbinder mit einem Kabel 5 verbunden, das durch das Innengestänge zu einer Bohrmaschine geführt ist, an welcher das Bohrgestänge angeschlossen ist und welche das Bohrgestänge antreiben kann. In der Bohrmaschine ist eine Anzeige vorgesehen, welche die von dem Sensor ermittelte Neigung des Sensors anzeigen kann.
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Der Sensor 4 ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen dem Knick K und dem bohrmaschinenseitigen Ende der ersten Außengestänge-Bohrstange angeordnet 2. Es ist aber auch möglich, das der Sensor 4 zwischen dem bohrkopfseitigen Ende der ersten Außengestänge-Bohrstange 2 und dem Knick angeordnet ist. Ferner ist es möglich, das der Sensor 4 zwischen zwei Knicken angeordnet ist.
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Durch die drehfeste Verbindung des Sensors 4 mit der ersten Innengestänge-Bohrstange 3 und damit mit dem gesamten Innengestänge und dem Bohrkopf, führt der Sensor 4 die von der Bohrmaschine angetriebene Drehbewegung des Bohrkopfes und des Innengestänges aus. Mit dem Sensor 4 ist also nicht ohne weiteres die Drehstellung des Knicks bzw. des Außengestänges ermittelbar, da das Innengestänge unabhängig vom Außengestänge dreht und das Außengestänge zum Steuern des Bohrgestänges, d. h. zum Ausrichten des Knicks, unabhängig vom Innengestänge gedreht werden kann. Da es für den Bediener der Bohrmaschine zum Zweck des Steuerns der Bohrung wichtig ist, nicht nur die Neigung des Bohrgestänges, insbesondere des Bohrkopfes zu kennen, sondern auch die Ausrichtung des Knicks im Bohrkanal, kann sich der Bediener eines erfindungsgemäßen Verfahrens bedienen, das anhand der 3 und 4 näher erläutert wird.
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In dem Beispiel der 3 und 4 hat der Bohrkanal, der bereits gebohrt worden ist, eine beispielhafte Neigung von –20° gegenüber einer Horizontalen. Der Knick K des Bohrgestänges beträgt im Beispiel 0,5°. Durch eine Drehung des Außengestänges kann der Knick K in verschiedene Drehstellungen ausgerichtet werden. Zum Zwecke der Ermittlung der Drehstellung des Knicks geschieht das vorzugsweise ohne Vortrieb des Bohrgestänges, in jedem Fall aber bei sich nicht drehendem Innengestänge. Da das bohrkopfseitige Ende der ersten Außengestänge-Bohrstange und der darin gelagerten Teile des bohrkopfseitigen Endes der ersten Innengestänge-Bohrstange sich stets parallel zum Bohrkanal ausrichten und daher im Beispiel ebenfalls eine Neigung von –20° hat, ist die Neigung der bohrmaschinenseitigen Enden der ersten Bohrstangen je nach Drehstellung des Knicks K um +/–0,5° gegenüber den bohrkopfseitigen Enden erhöht oder erniedrigt. Bei einer Ausrichtung des Knicks nach oben, d. h. der sogenannten 12-Uhr-Stellung (siehe 3), ist die Neigung der bohrmaschinenseitigen Enden der ersten Bohrstangen um –0,5° größer und beträgt –20,5°. Bei einer Ausrichtung des Knicks K nach unten, d. h. der sogenannten 6-Uhr-Stellung, ist die Neigung der bohrmaschinenseitigen Enden um 0,5° kleiner und beträgt 19,5°. Da der Sensor 4 im bohrmaschinenseitigen Ende der ersten Innengestänge-Bohrstange angeordnet ist, zeigt der Sensor in der 12-Uhr-Stellung –20,5° und in der 6-Uhr-Stellung –19,5° an. In den anderen Stellungen zwischen der 12-Uhr-Stellung und der 6-Uhr-Stellung werden Neigungen zwischen –20,5° und 19,5° eingenommen und angezeigt. Durch die Drehung des Außengestänges ist es möglich festzustellen, in welcher Drehstellung die maximale und in welcher Drehstellung die minimale Neigung erreicht ist. Dadurch lässt sich bei sich nicht drehendem Innengestänge die Drehstellung des Außengestänges ermitteln.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011103220 B3 [0002, 0004, 0007, 0010, 0011, 0011, 0012]
- WO 2009/110847 A1 [0006, 0009, 0010, 0011]
