DE102014004330A1 - Method and devices for creating a borehole in a ground and simultaneously laying a pipeline in the borehole - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie dabei einsetzbare Vorrichtungen zur Erstellung eines Bohrlochs und zur gleichzeitigen Verlegung einer Rohrleitung in einem Bohrloch, wobei die Rohrleitung (3) unter Aufbringen einer Kraft von außen auf die Rohrleitung (3) in axialer Richtung und unter hydraulischem Lösen von anstehendem Boden (2) unter Verwendung von wenigstens drei Düsen (4) für Bohrflüssigkeit (5) in einem am vorderen Ende der Rohrleitung (3) angebrachten Bohrkopf (6) vorgetrieben wird, die Bohrflüssigkeit (5) den Düsen (4) jeweils über mindestens eine Zuleitung (7) zugeführt wird, durch wenigstens eine der Düsen (4) austritt und die mit gelöstem Boden (2) vermischte Bohrflüssigkeit (5) durch das Innere eines in der Rohrleitung (3) befindlichen Bohrrohres (8) aus dem Bohrloch (1) abgeführt wird, eine Richtungssteuerung des Vortreibens durch eine Regulierung des jeweiligen Bohrflüssigkeitsaustritts durch die Düsen (4) erfolgt und nach dem Erreichen eines Zielpunktes (9) durch den Bohrkopf (6) das Trennen des Bohrkopfes (6) von der Rohrleitung (3) erfolgt und das Bohrrohr (8) und die Zuleitungen (7) aus der Rohrleitung (3) herausgezogen werden.The invention relates to a method and thereby usable devices for creating a borehole and simultaneously laying a pipeline in a borehole, the pipeline (3) by applying a force from the outside to the pipeline (3) in the axial direction and under hydraulic release of pending Bottom (2) is driven by using at least three nozzles (4) for drilling fluid (5) in a at the front end of the pipe (3) mounted drill head (6), the drilling fluid (5) the nozzles (4) via at least one Supply line (7) is passed through at least one of the nozzles (4) emerges and the dissolved with dissolved soil (2) mixing drilling fluid (5) through the interior of a pipe (3) located drill pipe (8) from the borehole (1) is discharged, a direction control of the propulsion by regulating the respective Bohrflüssigkeitsaustritts done by the nozzles (4) and after reaching a Zielpu (9) through the drill head (6) separating the drill head (6) from the pipe (3) and the drill pipe (8) and the supply lines (7) are pulled out of the pipe (3).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie dabei einsetzbare Vorrichtungen zur Erstellung eines Bohrlochs in einem Boden und zur gleichzeitigen Verlegung einer Rohrleitung in dem Bohrloch.The present invention relates to a method as well as usable devices for creating a borehole in a ground and for the simultaneous laying of a pipeline in the borehole.
Verfahren, mit denen Rohrleitungen in Bohrlöcher verlegt werden können, werden als ”grabenlose Bauweisen” bezeichnet. Zum heutigen Zeitpunkt gibt es zahlreiche grabenlose Bauweisen wie z. B. die gesteuerte Horizontalbohrtechnik, den gesteuerten Rohrvortrieb, das Pressbohrverfahren, das Pilotrohr-Verfahren etc.Procedures that allow pipelines to be routed into wells are referred to as "trenchless construction." At the present time there are numerous trenchless construction methods such. B. the controlled horizontal drilling technology, the controlled pipe jacking, the Pressbohrverfahren, the pilot pipe method, etc.
Eine übliche Unterscheidung der grabenlosen Bauweisen wird an Hand der Steuerbarkeit des Verfahrens (steuerbar oder nicht steuerbar) vorgenommen. In diesem Zusammenhang wird nachfolgend unter Steuerbarkeit die Erzielung eines horizontal und/oder vertikal gekrümmten Bohrungsverlaufs (z. B. ”bananenförmig” unterhalb einer Straße hindurch) verstanden. Diese Eigenschaft wird im Folgenden auch als ”Kurvengängigkeit” bezeichnet.A common distinction between the trenchless construction methods is made on the basis of the controllability of the method (controllable or not controllable). In this context, the term "controllability" is understood below to mean the achievement of a horizontally and / or vertically curved bore course (eg "banana-shaped" below a road). This property will also be referred to as "turnability" in the following.
Ein weiterer Unterscheidungsaspekt bei grabenlosen Bauweisen ist die Handhabung des vor dem Bohrkopf anstehenden Bodens. Während dieser bei einigen Verfahren durch eine konische Ausbildung des Bohrkopfs in den das Bohrloch umgebenden Baugrund verdrängt wird (Bodenverdrängung), wird der Boden bei den meisten Verfahren vom Bohrkopf gelöst und dann aus dem Bohrloch heraus transportiert (Bodenabbau).Another distinguishing aspect of trenchless constructions is the handling of the soil in front of the drill bit. While this is displaced in some processes by a conical formation of the drill head in the surrounding soil around the hole (soil displacement), the soil is solved in most processes from the drill head and then transported out of the well (soil degradation).
Weitere Klassifizierungsmöglichkeiten sind die erreichbaren geometrischen Dimensionen (Länge und Durchmesser der Bohrlöcher bzw. der zu verlegenden Rohrleitungen) sowie die für eine Verlegung in dem jeweiligen Verfahren in Frage kommenden Rohrmaterialien (z. B. Stahl, Beton, Polyethylen etc.).Further classification options are the achievable geometrical dimensions (length and diameter of the drilled holes or of the pipelines to be laid) as well as the pipe materials (eg steel, concrete, polyethylene, etc.) which can be laid in the respective process.
Schließlich kann noch eine Unterteilung nach dem für das jeweilige Verfahren geeigneten Baugrund (Boden) vorgenommen werden. Felsiger Baugrund kann z. B. nur durch eine Kombination aus mechanischer und hydraulischer Bohrtätigkeit gelöst werden, während einige Lockergesteinsformationen (z. B. Ton, Schluff, Sand) vorwiegend durch hydraulische Lösearbeit bewältigt werden können (mitunter werden die entsprechenden Verfahren auch als ”Spülbohrverfahren” bezeichnet).Finally, a subdivision can be made according to the ground (ground) suitable for the respective method. Rocky ground can z. B. can be solved only by a combination of mechanical and hydraulic drilling activity, while some loosely rock formations (eg., Clay, silt, sand) can be overcome mainly by hydraulic release work (sometimes the corresponding methods are also referred to as "Spülbohrverfahren").
Für die vorliegende Erfindung sind insbesondere diejenigen Verfahren relevant, die steuerbar (kurvengängig) sind, den gelösten Boden aus dem Bohrloch austragen, Bohrlöcher bis zu einer Länge von ca. 300 m und einem Durchmesser von bis zu ca. 300 mm erstellen können, für die Rohrleitungen aus Stahl und Polyethylen in Frage kommen und den Baugrund zum überwiegenden Teil durch hydraulische Bohrtätigkeit lösen.For the present invention, in particular those methods are relevant, which are controllable (curved), carry out the dissolved soil from the borehole, can create boreholes up to a length of about 300 m and a diameter of up to about 300 mm, for the Tubing made of steel and polyethylene come into question and solve the ground for the most part by hydraulic drilling activity.
Die oben genannten Kriterien werden nach dem Stand der Technik am ehesten vom ”steuerbaren, horizontalen Spülbohrverfahren” repräsentiert, wie es zum Beispiel im DVGW Regelwerk ”Technische Regel/GW Arbeitsblatt 321” (
Bei der Pilotbohrung wird von einem übertägig aufgestellten Bohrgerät ein aus Einzelrohren zusammengesetzter Bohrstrang sukzessive in den Baugrund geschoben. Durch Drehen des Bohrstrangs kann ein am vorderen Ende des Bohrstrangs befindlicher Bohrkopf mit einer vorgegebenen Arbeitsrichtung (realisiert z. B. mittels einer Steuerfläche oder einer kleinen Abwinkelung) so positioniert werden, dass der Bohrkopf im Ergebnis ein Bohrloch entlang einer vorgegebenen, z. B. bananenförmigen Bohrlinie, erstellt.During the pilot drilling, a drill string composed of individual pipes is successively pushed into the subsoil by a drill rig installed over the surface. By rotating the drill string, a drill bit located at the forward end of the drill string may be positioned with a predetermined working direction (realized, eg, by a control surface or a small bend) so that the drill head will, as a result, drill along a predetermined, e.g. B. banana-shaped drilling line created.
Die Informationen über die jeweilige Position des Bohrkopfs im Boden sowie über die jeweilige Orientierung der Arbeitsrichtung des Bohrkopfs werden von einer unmittelbar hinter dem Bohrkopf befindlichen Messsonde ermittelt und nach übertage übertragen.The information about the respective position of the drill head in the ground as well as about the respective orientation of the working direction of the drill head are determined by a measuring probe located immediately behind the drill head and transmitted to overground.
Der vor dem Bohrkopf anstehende Boden wird bei bestimmten Böden (z. B. Ton, Schluff, Sand) hauptsächlich hydraulisch von der durch den Bohrstrang zum Bohrkopf verpumpten Bohrflüssigkeit gelöst und dann durch den Ringraum zwischen Bohrstrang und Bohrloch abgefördert.The soil in front of the drill head is, in the case of certain soils (eg clay, silt, sand), loosened mainly hydraulically from the drilling fluid pumped through the drill string to the drill head and then discharged through the annulus between drill string and borehole.
Nachdem der Bohrkopf den Zielpunkt der Bohrlinie erreicht hat, wird er vom Bohrstrang demontiert und stattdessen ein so genannter Räumer am Bohrstrang angebracht. Beim Räumer handelt es sich um ein Bohrwerkzeug, welches die Pilotbohrung auf einen größeren Durchmesser aufweitet. Dies geschieht, indem der Räumer drehend und mit hydraulischer Unterstützung von verpumpter Bohrspülung von der Bohranlage durch das Pilotbohrloch zurück gezogen wird. Der Boden wird dabei wiederum hydraulisch oder hydraulisch-mechanisch abgebaut und durch den Ringraum aus dem Bohrloch gefördert.After the drill head has reached the target point of the drill line, it is disassembled from the drill string and instead a so-called reamer attached to the drill string. The reamer is a drilling tool that expands the pilot hole to a larger diameter. This is done by rotating the reamer in rotation and with hydraulic assistance from pumped drilling fluid from the drilling rig through the pilot hole. The soil is in turn degraded hydraulically or hydraulically-mechanically and conveyed through the annulus from the well.
Diese Aufweitbohrung kann mit einem noch größeren Räumer wiederholt werden, und zwar in der Regel so oft, bis der Durchmesser des Bohrlochs einen Wert erreicht hat, der ca. 1,2 bis 1,5-mal so groß ist wie der Durchmesser der einzuziehenden Rohrleitung.This expansion hole can be repeated with an even larger reamer, usually until the diameter of the hole reaches a value that is approximately 1.2 to 1.5 times larger is like the diameter of the pipeline to be recovered.
Im letzten Arbeitsschritt wird die (meistens in einem Stück vorbereitete) Rohrleitung mit dem Bohrstrang verbunden und dann von der Bohranlage in das Bohrloch eingezogen. Bei kleineren Bohrungsdimensionen werden mitunter auch der Aufweitschritt und der Einziehvorgang zusammengefasst, d. h. die Rohrleitung wird während der Aufweitung der Pilotbohrung eingezogen.In the last step, the (usually in one piece prepared) pipeline is connected to the drill string and then pulled from the drilling rig into the well. For smaller bore dimensions, sometimes also the expansion step and the threading process are summarized, i. H. the pipeline is drawn in during the widening of the pilot hole.
Die beschriebenen Arbeitsabläufe weisen einige Nachteile in technischer und wirtschaftlicher Hinsicht auf. So sind zum Beispiel grundsätzlich zwei Arbeitsflächen erforderlich, eine am Eintrittspunkt der Bohrung (wo die Bohranlage aufgestellt wird) und eine am Zielpunkt der Bohrung (wo der Rohrstrang vorbereitet und ausgelegt wird). Dies ist jedoch bei vielen Lokationen nicht oder nur unter großen Einschränkungen möglich, zum Beispiel in städtischen Bereichen (geringes Platzangebot) oder in ländlichen Bereichen, wo die Zuwegung zu einer Seite schwierig oder umständlich ist (z. B. wenn ein Fluss unterbohrt werden soll und die nächste Brücke weit entfernt ist).The procedures described have some disadvantages in technical and economic terms. For example, basically two work surfaces are required, one at the entry point of the hole (where the rig will be placed) and one at the target point of the hole (where the tubing will be prepared and laid out). However, this is not possible in many locations or only with great restrictions, for example in urban areas (limited space) or in rural areas, where the access to a site is difficult or cumbersome (eg, if a river is to be drilled and the next bridge is far away).
Des Weiteren erfordern die drei Arbeitsschritte Pilotbohrung, Aufweitbohrung(en) und Einziehvorgang eine relativ lange Gesamtarbeitszeit. Da die Stabilität eines nur mit Bohrflüssigkeit gestützten Bohrlochs aber mit der Zeit stark nachlässt (insbesondere in nicht standfesten Böden, z. B. Sand) resultiert dies in einem relativ großen Baurisiko, zusätzlich zu den durch die lange Gesamtarbeitszeit entstehenden Kosten.Furthermore, the three working steps of pilot drilling, expansion bore (s) and retraction process require a relatively long total working time. However, since the stability of a well-borehole-only wellbore declines sharply over time (especially in unstable soils, eg, sand), this results in a relatively large construction risk, in addition to the costs associated with the long total labor time.
Ein weiterer Nachteil ist dann zu sehen, dass umfangreiche Gerätschaften für die Durchführung der Bohrung erforderlich sind. Insbesondere bei kleinen Bohrungen und relativ einfachen Böden werden häufig mangels Alternativen zu große und schwere Bohranlagen und Bohrstränge eingesetzt.Another disadvantage is then to see that extensive equipment for the implementation of the bore are required. Especially for small holes and relatively simple soil are often used for lack of alternatives to large and heavy drilling rigs and drill strings.
Außerdem sollte sich aus verfahrenstechnischen Gründen immer ein Bohrstrang im Bohrloch befinden, d. h. es ist erforderlich, zum Beispiel während der Aufweitbohrung(en) für jedes an der Bohranlage entfernte Bohrgestänge ein anderes Bohrgestänge an der Zielseite mit dem Bohrstrang im Bohrloch zu verbinden. Hierzu sind entsprechende Transporte von der Start- zur Zielseite erforderlich. Die damit verbundenen logistischen Anstrengungen und Kosten belasten die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens.In addition, for procedural reasons, there should always be a drill string in the borehole, i. H. it is necessary, for example, to connect another drill string at the target side to the drill string in the borehole during the auger hole (s) for each drill string remote from the rig. For this purpose, appropriate transports from the start to the landing page are required. The associated logistical efforts and costs burden the cost-effectiveness of the process.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren sowie dabei einsetzbare Vorrichtungen zu schaffen, mit denen eine grabenlose, kurvengängige Verlegung von Rohrleitungen bis ca. 300 mm Durchmesser und bis ca. 300 m Länge in hydraulisch lösbarem Boden (z. B. Ton, Schluff, Sand) schneller, sicherer und kostengünstiger als nach dem Stand der Technik durchgeführt werden kann.The present invention is based on the object to provide a method and thereby usable devices with which a trenchless, curvy laying of pipes up to 300 mm diameter and up to 300 m length in hydraulically detachable floor (eg , Silt, sand) faster, safer and cheaper than can be done in the prior art.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Erstellung eines Bohrlochs und zur gleichzeitigen Verlegung einer Rohrleitung in dem Bohrloch bereit, mit Vortreiben der Rohrleitung unter Aufbringen einer Kraft von außen auf die Rohrleitung in axialer Richtung und unter hydraulischem Lösen von anstehendem Boden unter Verwendung von wenigstens drei Düsen für Bohrflüssigkeit in einem am vorderen Ende der Rohrleitung angebrachten Bohrkopf, wobei die Bohrflüssigkeit den Düsen jeweils über mindestens eine Zuleitung zugeführt wird, durch wenigstens eine der Düsen austritt und die mit gelöstem Boden vermischte Bohrflüssigkeit durch das Innere eines in der Rohrleitung befindlichen Bohrrohres aus dem Bohrloch abgeführt wird, wobei eine Richtungssteuerung des Vortreibens durch eine Regulierung des jeweiligen Bohrflüssigkeitsaustritts durch die Düsen erfolgt, nach dem Erreichen eines Zielpunktes durch den Bohrkopf Trennen des Bohrkopfes von der Rohrleitung und Herausziehen des Bohrrohres und der Zuleitungen aus der Rohrleitung.The present invention provides a method of creating a wellbore and laying a pipeline in the wellbore at the same time, with propulsion of the tubing applying an external force to the tubing in the axial direction and hydraulically releasing subsurface soil using at least three nozzles for drilling fluid in a drill head attached to the forward end of the pipeline, wherein the drilling fluid is supplied to the nozzles via at least one supply line, exits through at least one of the nozzles and the dissolved soil mixed drilling fluid exits the wellbore through the interior of a drill pipe located in the conduit is discharged, wherein a direction control of the propulsion by regulating the respective Bohrflüssigkeitsaustritts done by the nozzles, after reaching a target point by the drill head separating the drill head from the pipeline and pulling out of the Bo and the supply lines from the pipeline.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst am vorderen Ende einer Rohrleitung und einem in der Rohrleitung befindlichen Bohrrohr ein Bohrkopf angebracht. Zwischen Rohrleitung und Bohrrohr befinden sich dabei Zuleitungen, die auf der einen Seite (außerhalb des Bohrlochs) mit mindestens einer Pumpe und mindestens einer Regulierungseinheit und auf der anderen Seite mit dem Bohrkopf verbunden sind.In the method according to the invention, a drill head is first attached to the front end of a pipeline and a drill pipe located in the pipeline. There are supply lines between the pipeline and drill pipe, which are connected on one side (outside the borehole) with at least one pump and at least one regulating unit and on the other side with the drill head.
Der Bohrkopf mit der verbundenen Rohrleitung wird sodann einer Vorschubvorrichtung in der Nähe des geplanten Eintrittspunkts der Bohrung zugeführt. Die Vorschubvorrichtung erzeugt und überträgt anschließend die für den Bohr- und Verlegevorgang erforderlichen Kräfte von außen auf die Rohrleitung.The drill bit with the connected tubing is then fed to a feed device near the planned entry point of the bore. The feed device then generates and transmits the forces required for the drilling and laying process from the outside to the pipeline.
Der vor dem Bohrkopf anstehende Boden wird überwiegend hydraulisch gelöst, indem am Bohrkopf Bohrflüssigkeit mit hohem Druck austritt. Die Änderung der Arbeitsrichtung des Bohrkopfs wird dabei durch gezieltes Öffnen und Schließen von Düsen im Bohrkopf erreicht, so dass der Bohrkopf z. B. auch einem ”bananenförmigen” Bohrungsverlauf folgen kann.The pending in front of the drill head soil is mainly solved hydraulically by drilling fluid at the drill head at high pressure escapes. The change in the working direction of the drill head is achieved by targeted opening and closing of nozzles in the drill head, so that the drill head z. B. can also follow a "banana-shaped" bore course.
Die Bohrflüssigkeit wird den Düsen jeweils durch einzelne Zuleitungen zugeführt. Diese Zuleitungen befinden sich in dem Ringraum, der auf der einen Seite von der Außenseite des Bohrrohrs und auf der anderen Seite von der Innenseite der Rohrleitung begrenzt wird. Der am Bohrkopf vor dem Bohrflüssigkeitsstrahl der Düsen gelöste und mit Bohrflüssigkeit vermischte Boden wird durch das Innere des Bohrrohres abgefordert.The drilling fluid is supplied to the nozzles in each case by individual supply lines. These leads are located in the annulus bounded on one side by the outside of the drill pipe and on the other side by the inside of the pipe. The at the drill head before the Drilling fluid jet of the nozzles dissolved and mixed with drilling fluid soil is required by the inside of the drill pipe.
Die Menge und/oder der Druck der an den einzelnen Düsen austretenden Bohrflüssigkeit kann mittels einer außerhalb der Rohrleitung und außerhalb des Bohrrohres befindlichen Regulierungseinheit individuell gesteuert werden. Dadurch wird eine gezielte Richtungsänderung des Bohrkopfes und damit ein kontrolliertes Auffahren auch gekrümmter Bohrlochabschnitte möglich.The amount and / or the pressure of the drilling fluid emerging at the individual nozzles can be controlled individually by means of a regulating unit located outside the pipeline and outside the drill pipe. As a result, a targeted change in direction of the drill head and thus a controlled approach even curved borehole sections possible.
Zur Unterstützung der Abführung der Bohrflüssigkeit durch das Innere des Bohrrohres ist erfindungsgemäß vorgesehen, diesen Abtransport in einer bevorzugten Ausführungsform durch Erzeugung eines Unterdrucks im Bohrrohr zu optimieren. Dies kann z. B. durch Verbindung eines so genannten Saugwagens bzw. Vakuumwagens mit dem Ende des Bohrrohres erfolgen.To support the discharge of the drilling fluid through the interior of the drill pipe, the invention provides for optimizing this removal in a preferred embodiment by generating a negative pressure in the drill pipe. This can be z. B. by connecting a so-called suction carriage or vacuum car with the end of the drill pipe.
Derartige Saugwagen sind z. B. aus der Landwirtschaft bekannt (so genannte ”Güllefässer”), wo an einem druckfesten Tank eine Saugpumpe angeschlossen ist. Beim Betrieb der Pumpe wird im Tank ein Unterdruck erzeugt. Mit dem Tank ist ein Saugschlauch verbunden. Wird dieser Saugschlauch nun mit seinem unverbundenen Ende in eine Flüssigkeit oder auch ein Schüttgut (z. B. Sand, Getreide) gehalten und dann der Schieber zwischen Tank und Saugschlauch geöffnet, so setzt sich der Unterdruck in den Saugschlauch hinein fort und die Flüssigkeit bzw. das Schüttgut werden angesaugt und in den Tank befördert.Such Saugwagen are z. B. known from agriculture (so-called "manure barrels"), where a suction pump is connected to a pressure-resistant tank. During operation of the pump, a negative pressure is generated in the tank. A suction hose is connected to the tank. If this suction hose is now held with its unconnected end in a liquid or a bulk material (eg., Sand, cereals) and then opened the slide between the tank and suction hose, then the negative pressure continues into the suction hose and the liquid or the bulk material is sucked in and transported into the tank.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann so ein ”geschlossener” Kreislauf der Bohrflüssigkeit erreicht werden, in dem die Bohrflüssigkeit durch die Zuleitungen dem Bohrkopf zugeführt wird, dort an den Düsen austritt, sich mit dem anstehenden Boden vermischt und dann unmittelbar am vorderen Ende des Bohrkopfs von dem im Bohrrohr herrschenden Unterdruck angesaugt und durch das Bohrrohr in einen bereitstehenden Tank transportiert wird.In the method according to the invention can thus be achieved a "closed" circuit of the drilling fluid in which the drilling fluid is fed through the leads to the drill head, there exiting the nozzles, mixed with the upcoming soil and then immediately at the front end of the drill head of the sucked in the drill pipe prevailing vacuum and transported through the drill pipe in a waiting tank.
Um die für den Bohr- und Verlegevorgang erforderlichen Vorschubkräfte in schwierigen Böden gering zu halten, ist es vorgesehen, in einem bevorzugten Ausführungsfall die Außenseite der Rohrleitung mit einem Schmiermedium (Flüssigkeit oder Schaum) zu benetzen.In order to keep the necessary for the drilling and laying process feed forces in difficult soil low, it is envisaged to wet in a preferred embodiment, the outside of the pipeline with a lubricant (liquid or foam).
Dazu wird mindestens eine Schmierleitung durch den Ringraum, der auf der einen Seite von der Außenseite des Bohrrohrs und auf der anderen Seite von der Innenseite der Rohrleitung begrenzt wird, zum Bohrkopf geführt. Dort ist die Schmierleitung mit mindestens einer Schmieröffnung versehen, durch die das Schmiermittel in den Ringspalt zwischen Rohrleitung und Bohrlochwand eintreten kann.For this purpose, at least one lubrication line through the annulus, which is bounded on one side by the outside of the drill pipe and on the other side of the inside of the pipe to the drill head. There, the lubrication line is provided with at least one lubrication opening through which the lubricant can enter into the annular gap between the pipeline and the borehole wall.
Bei Fortgang des Bohr- und Verlegevorgangs wird so die gesamte Außenseite der Rohrleitung mit einem reibungsmindernden Schmiermittel umgeben.As the drilling and laying process progresses, the entire exterior of the pipeline is surrounded with a friction-reducing lubricant.
Der Bohr- und Verlegevorgang wird in der Regel mit reinem Wasser (d. h. ohne Zusätze) erreicht werden. Dadurch kann eine spezielle Bohrflüssigkeit (z. B. Bentonit-Wasser-Suspension) vermieden werden, wodurch sich weniger Implikationen für die Umwelt ergeben und dazu noch wirtschaftliche Vorteile zu erzielen sind.The drilling and laying process will usually be accomplished with pure water (ie without additives). As a result, a special drilling fluid (eg bentonite-water suspension) can be avoided, resulting in fewer environmental implications and economic benefits to achieve.
In den bekannten Bohr- und Verlegeverfahren wird die eingesetzte Bohrflüssigkeit nicht nur zum Lösen des anstehenden Bodens, sondern auch zur Stabilisierung des umgebenden Bodens sowie zum Austrag des gelösten Bodens benutzt.In the known drilling and laying method, the drilling fluid used is used not only to release the pending soil, but also to stabilize the surrounding soil and to discharge the dissolved soil.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist eine hydraulische Stabilisierung des umgebenden Bodens durch Bohrflüssigkeit nicht erforderlich, da dieses Stützung mechanisch durch die zu verlegenden Rohrleitung erfolgt. Hierdurch kann Grundbruch in der Bohrtrasse ausgeschlossen werden.In the method according to the invention, a hydraulic stabilization of the surrounding soil by drilling fluid is not required, since this support is carried out mechanically through the pipeline to be laid. As a result, ground fault in the drill pipe can be excluded.
Um eine angemessene Bohrgeschwindigkeit bei den herkömmlichen Verfahren erreichen zu können, muss die Menge an zugeführter Bohrflüssigkeit relativ groß sein, da das Austragevermögen jeder Bohrflüssigkeit begrenzt ist. Als Richtwert kann angenommen werden, dass zum Austrag von einem Teil Boden etwa fünf bis zehn Teile Bohrflüssigkeit erforderlich sind.In order to achieve an adequate drilling speed in the conventional methods, the amount of supplied drilling fluid must be relatively large, since the discharge capacity of each drilling fluid is limited. As a guideline, it can be assumed that approximately five to ten parts of drilling fluid are required to discharge one part of the soil.
Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet in einem bevorzugten Ausführungsfall mit Unterstützung eines Unterdrucks in der Förderleitung (d. h. dem Bohrrohr). Dadurch kann die Menge an Bohrflüssigkeit deutlich reduziert werden, etwa auf ein Verhältnis von eins zu zwei bzw. eins zu drei (Teile Boden zu Teilen Bohrflüssigkeit).In a preferred embodiment, the method according to the invention works with the assistance of a negative pressure in the delivery line (that is to say the drill pipe). As a result, the amount of drilling fluid can be significantly reduced, for example, to a ratio of one to two or one to three (parts of soil to parts drilling fluid).
Das hydraulische Lösen von Boden vor dem Bohrkopf ist in erster Linie von dem einsetzbaren Druck abhängig – je höher der Druck desto besser das hydraulische Lösevermögen der beaufschlagten Bohrflüssigkeit.The hydraulic release of soil in front of the drill head depends primarily on the pressure that can be used - the higher the pressure, the better the hydraulic dissolving capacity of the applied drilling fluid.
In den bisherigen Verfahren wird für die hier betrachteten Bohrungsdimensionen eine Kombination von relativ großer Bohrflüssigkeitsmengen (> 100 Liter pro Minute) und relativ geringen Drücken (< 10 bar) angewendet.In the previous methods, a combination of relatively large amounts of drilling fluid (> 100 liters per minute) and relatively low pressures (<10 bar) is used for the bore dimensions considered here.
Wie oben gezeigt, ist die große Menge bisher für den Austrag des gelösten Bodens erforderlich. Würde man diese große Menge mit hohem Druck (z. B. > 20 bar) beaufschlagen, so würde es unwillkürlich zu so genannten Ausbläsern kommen, d. h., die Bohrflüssigkeit würde nicht den bisher vorgesehenen Weg durch den Ringraum zwischen Bohrlochwand und Rohrleitung nehmen, sondern den über dem Boden anstehenden Boden aufreißen (”fracen”) und direkt an die Geländeoberfläche fließen. Dies hätte massive negative Auswirkungen auf die Umwelt und dazu noch erhebliche wirtschaftliche Nachteile.As shown above, the large amount is required for discharging the dissolved soil. Would you handle this large amount with high pressure (For example,> 20 bar), so it would come to involuntary so-called blowouts, ie, the drilling fluid would not take the previously intended way through the annulus between the borehole wall and pipeline, but tear the pending above the ground soil (" fracen ") and flow directly to the terrain surface. This would have a massive negative impact on the environment and significant economic disadvantages.
Ein weiterer Grund für die Beschränkung des eingesetzten Drucks an den Düsen (bei den bisherigen Verfahren) ist darin zu sehen, dass die Druckfestigkeit der für die Zuleitung von Bohrflüssigkeit vorgesehen Rohrleitungen begrenzt ist. Insbesondere beim Einsatz von PEHD-Rohren liegt der entsprechenden Wert oftmals unterhalb von 10 bar.Another reason for limiting the pressure applied to the nozzles (in the previous methods) is the fact that the compressive strength of the pipes provided for the supply of drilling fluid is limited. In particular, when using PEHD pipes, the corresponding value is often below 10 bar.
Da das erfindungsgemäße Verfahren deutlich höhere Drücken bei gleichzeitig geringem Volumenstrom vorsieht, sind Zuleitungen von Bohrflüssigkeit durch hochfeste Schläuche oder Rohre erforderlich. Derartige Schläuche sind aus anderen Industrien bekannt und kommen z. B. bei so genannten Kärcher-Geräten zum Einsatz. Dabei liegt die zulässige Druckstufe teilweise deutlich über 150 bar und das übliche Volumen liegt im Bereich von 10–20 Liter/Minute.Since the method according to the invention provides significantly higher pressures and at the same time low volume flow, supply lines of drilling fluid through high-strength hoses or pipes are required. Such hoses are known from other industries and come z. B. in so-called Kärcher devices used. The allowable pressure level is sometimes well above 150 bar and the usual volume is in the range of 10-20 liters / minute.
Die vorliegende Erfindung ist hinsichtlich der Materialien der Rohrleitung lediglich darin eingeschränkt, dass die Rohrleitung die zum Vortrieb nötige bzw. gewünschte Kraft in axialer Richtung von der Vortriebsvorrichtung zum Bohrkopf übertragen können muss, ohne dass die Rohrleitung dabei beschädigt oder in unerwünschter bzw. unkontrollierter Weise verformt würde.The present invention is limited in terms of the materials of the pipeline only in that the pipe must be able to transmit the necessary for propulsion or force in the axial direction of the propulsion device to the drill head without damaging the pipeline or deformed in an undesired or uncontrolled manner would.
Die Rohrleitung kann für die Verlegung in einem Stück oder in mehreren Stücken z. B. auf der Geländeoberfläche ausgelegt werden. Diese Art und Weise eignet sich besonders für Rohrleitungen aus Stahl. Bei biegeweichen Rohrmaterialien (wie z. B. Polyethylen) kann die Rohrleitung auch in einem speziellen Rohrbehälter aufgetrommelt vorgehalten und dann während der Verlegung sukzessive aus diesem abgespult werden. Dadurch reduziert sich die an der Startseite der Bohrung erforderliche Arbeitsfläche ganz erheblich.The pipeline can be used for laying in one piece or in several pieces z. B. be designed on the terrain surface. This way is particularly suitable for steel pipelines. For bendable pipe materials (such as polyethylene), the pipe can also be held up in a special pipe container and then successively unwound during installation. This considerably reduces the working surface required at the start of the hole.
Da das Bohrloch zu jedem Zeitpunkt während der Verlegearbeiten mechanisch durch die Rohrleitung selbst gestützt wird, kann das Risiko eines Bohrlocheinsturzes – anders als beim Stand der Technik – ausgeschlossen werden.Because the wellbore is mechanically supported by the tubing itself at any point in the laying operation, the risk of borehole collapse, unlike the prior art, can be eliminated.
Die Erfindung stellt zudem einen Bohrkopf für eine Erstellung eines Bohrlochs in einem Boden und zur gleichzeitiger Verlegung einer Rohrleitung in dem Bohrloch bereit, wobei der Bohrkopf zur Anbringung am vorderen Ende der Rohrleitung ausgestaltet ist und wenigstens drei Zuleitungen für Bohrflüssigkeit und wenigstens drei Düsen für Bohrflüssigkeit und wenigstens eine Messsonde zur Positionsbestimmung aufweist, wobei die Zuleitungen innerhalb der Wandung des Bohrkopfs verlaufen und die Düsen zu einem hydraulischen Lösen von anstehendem Boden ausgestaltet sind.The invention also provides a wellhead for establishing a wellbore in a well and simultaneously laying a wellbore in the wellbore, the wellhead configured for attachment to the forward end of the well, and at least three fluid supply wells and at least three fluidity wells at least one measuring probe for determining the position, wherein the supply lines run within the wall of the drill head and the nozzles are designed for a hydraulic release of pending soil.
Die Messsonde des Bohrkopfes erlaubt es nicht nur die Position des Bohrkopfs im Boden festzustellen, sondern dient auch zur Bestimmung der Orientierung des Bohrkopfes. Wenn es im Einsatz vorkommen kann, dass der Bohrkopf bzw. die Rohrleitung um die Längsachse verwunden oder tordiert wird (sogenanntes „Verrrollen”), ist es für eine korrekte Steuerung des Vortriebs und dessen Richtung notwendig, wenn die tatsächliche Orientierung des Bohrkopfes bekannt ist. Ohne Kenntnis der Orientierung ist es nicht möglich, die Richtung des Vortriebs zu steuern.The probe of the drill head not only allows to determine the position of the drill bit in the ground, but also serves to determine the orientation of the drill bit. If, in use, the drill bit or pipe can twist or twist around the longitudinal axis (so-called "twisting"), it is necessary for proper control of the jacking and its direction if the actual orientation of the drill bit is known. Without knowledge of the orientation, it is not possible to control the direction of propulsion.
Die Möglichkeit, die Position des Bohrkopfes mit Hilfe der Messsonde festzustellen, erlaubt einen Abgleich zwischen eine geplanten Bohrlinie und der tatsächlichen Bohrlinie. Bekannte Möglichkeiten zur Lagebestimmung (z. B. so genannte ”Walk-Over”-Systeme) können hier eingesetzt werden.The ability to determine the position of the drill head with the aid of the probe allows a comparison between a planned drill line and the actual drill line. Known possibilities for determining the position (eg so-called "walk-over" systems) can be used here.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist der Bohrkopf wenigstens eine weitere Düse oder Düsenanordnung auf, deren Bohrflüssigkeitsaustritt nicht zur Regulierung vorgesehen ist und die an der Vorderseite des Bohrkopfs und/oder nach innen zeigend angeordnet ist/sind.In one embodiment of the invention, the drill head has at least one further nozzle or nozzle arrangement, the Bohrflüssigkeitsaustritt is not provided for regulation and which is arranged on the front of the drill head and / or pointing inwards / are.
Der Bohrkopf zeichnet sich dadurch aus, dass er mindestens drei (vorzugswese gleichmäßig) auf der vorderen Seite des Bohrkopfs verteilte Düsen aufweist und diese Düsen individuell geschlossen bzw. geöffnet werden können.The drill head is characterized in that it has at least three (vorzugswese evenly) distributed on the front side of the drill head nozzles and these nozzles can be individually closed or opened.
Der Bohrkopf unterliegt hinsichtlich seiner Materialausgestaltung lediglich der Beschränkung, dass die beim Betrieb auftretenden Kräfte nicht zu dessen (sofortiger) Beschädigung oder Ausfall führen. Der Bohrkopf selbst überträgt hierbei nicht notwendigerweise in direkter Weise Kräfte auf die Ortsbrust, da der eigentliche Abbau in hydraulischer Weise durch die Bohrflüssigkeit erfolgt und der Bohrkopf mit der daran angebrachten Rohrleitung in den durch das Spülen freigemachten Raum vorgeschoben werden. So kann der Bohrkopf selbst im Wesentlichen aus Kunststoffmaterialien bestehen (z. B. aus Polyethylen).The drill head is limited in terms of material design only the restriction that the forces occurring during operation do not lead to its (immediate) damage or failure. The drill head itself does not necessarily transmit forces directly to the working face since the actual excavation is done hydraulically by the drilling fluid and the drill head with the tubing attached thereto is advanced into the space cleared by flushing. Thus, the drill head itself may consist essentially of plastic materials (eg of polyethylene).
In einer Ausführungsform sind die Düsen des Bohrkopfes (ggf. mit zugehöriger Zuleitung und/oder Ansteuerung) separat austauschbar, da hier unterschiedliche Verschleißsituationen auftreten können.In one embodiment, the nozzles of the drill head (possibly with associated supply line and / or control) are exchangeable separately, since different wear situations can occur here.
Es wird bevorzugt, dass die Düsen mit Rückschlagventilen versehen sind, die einen Eintritt von Bohrflüssigkeit bzw. einem Gemisch von abgebautem Boden und Bohrflüssigkeit in den Bohrkopf verhindern. It is preferred that the nozzles be provided with check valves which prevent entry of drilling fluid or a mixture of excavated soil and drilling fluid into the drill head.
Die Austrittsrichtung der Düsen kann unterschiedlich sein. In einer Ausgestaltung ist die Austrittsrichtung aller Düsen parallel zur axialen Richtung bzw. Längsachse des Bohrkopfes. Es ist jedoch auch möglich, dass die Düsen (insgesamt oder auch nur eine oder mehrere Düsen aus der Gesamtheit der Düsen) eine von der Längsachse abweichende Austrittsrichtung aufweisen, wobei in einem solchen Fall die jeweilige Austrittsrichtung vorzugsweise gegenüber der Längsachse nach innen gerichtet ist (also die Bohrflüssigkeit mit einem Richtungsanteil nach innen aus der Düse austritt).The exit direction of the nozzles can be different. In one embodiment, the exit direction of all nozzles is parallel to the axial direction or longitudinal axis of the drill head. However, it is also possible for the nozzles (in total or else only one or more nozzles from the entirety of the nozzles) to have an outlet direction deviating from the longitudinal axis, in which case the respective outlet direction is preferably directed inwards relative to the longitudinal axis (ie the drilling fluid emerges from the nozzle with a directional portion inward).
Der Bohrkopf weist in einer bevorzugten Ausführungsform mindestens eine Schmierleitung für Schmiermedium und mindestens eine Schmieröffnung auf, wobei die Zuleitung für das Schmiermedium innerhalb der Wandung des Bohrkopfs verläuft. Das Schmiermedium tritt durch die Schmieröffnung aus und umgibt die Außenseite des Bohrkopfes und der nachfolgenden Rohrleitung mit einem dünnen Schmierfilm.In a preferred embodiment, the drill head has at least one lubrication line for the lubricant and at least one lubrication opening, wherein the supply line for the lubricant flows within the wall of the drill head. The lubricating medium exits through the lubricating opening and surrounds the outside of the drill head and the subsequent pipeline with a thin lubricating film.
In einer zu bevorzugenden Ausführungsform entspricht der Außendurchmesser des Bohrkopfs dem Außendurchmesser der Rohrleitung. Dadurch wird sichergestellt, dass nur ein minimal erforderliches Bohrlochvolumen erstellt wird und der Rückzug – im Falle von Havarien – möglichst einfach und sicher erfolgen kann.In a preferred embodiment, the outer diameter of the drill head corresponds to the outer diameter of the pipeline. This ensures that only a minimum required hole volume is created and the retreat - in the case of disasters - as simple and safe as possible.
Die Zuleitungen für den Transport der Bohrflüssigkeit und/oder des Schmiermediums verlaufen im Bereich der Rohrleitung in einem Ringraum, der auf der einen Seite vom Inneren der Rohrleitung und auf der anderen Seite vom Äußeren des Bohrrohres begrenzt wird.The supply lines for the transport of the drilling fluid and / or the lubricating medium extend in the region of the pipeline in an annular space bounded on one side by the interior of the pipeline and on the other side by the exterior of the drill pipe.
Die Regulierungsvorrichtung zur Steuerung des Volumenstroms und/oder des Drucks der Bohrflüssigkeit befindet sich außerhalb der Rohrleitung und außerhalb des Bohrrohres auf der Geländeoberfläche.The control device for controlling the volume flow and / or the pressure of the drilling fluid is located outside the pipeline and outside the drill pipe on the terrain surface.
Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung können Rohrleitungen bis ca. 300 mm Durchmesser und bis ca. 300 m Länge grabenlos und kurvengängig in überwiegend hydraulisch lösbarem Boden (z. B. Ton, Schluff, Sand) schneller, sicherer und kostengünstiger als nach dem Stand der Technik verlegt werden.With the aid of the present invention, pipes up to about 300 mm in diameter and up to about 300 m in length can be trenchless and curved in a predominantly hydraulically detachable soil (eg clay, silt, sand) faster, safer and more cost-effectively than in the prior art be moved.
Als wesentliche Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens mit den dabei einsetzbaren Vorrichtungen sind insbesondere zu nennen:
- – Innerhalb der Rohrleitung sind keine Kabel zur Steuerung der Düsen erforderlich, da die Regulierungsvorrichtung außerhalb der Rohrleitung angeordnet ist.
- – Durch die Kombination aus sehr hohem Druck, geringem Volumenstrom und Unterdruck im Förderrohr werden erheblich kleinere Mengen an Bohrflüssigkeit erforderlich.
- – Durch die rein mechanische Stützung des Bohrkanals kann mit reinem Wasser als Bohrflüssigkeit gearbeitet werden, d. h. es kann eine wirtschaftliche, völlig umweltverträgliche Bohrflüssigkeit eingesetzt werden.
- – Die für die Verlegung vorgesehene Rohrleitung kommt in ihrem Inneren nicht mit Bohrflüssigkeit und/oder gelöstem Boden in Berührung, bleibt somit vollständig sauber und kann damit auch als Wasser- und Gastransportleitung verwendet werden (nicht nur als Abwasserleitung bzw. als Kabelschutzrohr).
- – Da Bohrkopf und Rohrleitung einen sehr ähnlichen bzw. sogar identischen Außendurchmesser aufweisen, kann im Havariefall die Rohrleitung mitsamt Bohrkopf schnell und sicher aus dem Bohrloch zurückgezogen werden.
- – Im Falle einer Verstopfungen des Förderrohrs während des Bohr- und Verlegevorgangs kann diese durch einfache Reinigungsvorgänge (z. B. Spülen mit Wasserschlauch) von außen behoben werden.
- - No piping to control the nozzles is required inside the piping as the regulator is located outside the piping.
- - The combination of very high pressure, low volume flow and negative pressure in the production pipe requires considerably smaller amounts of drilling fluid.
- - Due to the purely mechanical support of the drilling channel can be used with pure water as a drilling fluid, ie it can be used an economical, completely environmentally friendly drilling fluid.
- - The intended for the installation pipeline does not come in their interior with drilling fluid and / or dissolved soil in contact, thus remains completely clean and can thus be used as a water and gas transport line (not only as a sewer or as a conduit).
- - Since the drill head and pipe have a very similar or even identical outer diameter, the pipeline can be quickly and safely withdrawn from the well in the event of an accident, the pipe together with the drill head.
- - In the case of clogging of the conveyor pipe during the drilling and laying process, this can be remedied from the outside by simple cleaning processes (eg rinsing with water hose).
Der erfindungsgemäße Bohrkopf sowie die anschließende Rohrleitung werden anhand von Zeichnungen dargestellt und nachfolgend erläutert, wobei die dort gezeigten Merkmale beispielhaften Charakter aufweisen.The drill head according to the invention and the subsequent pipeline are illustrated by means of drawings and explained below, wherein the features shown there have exemplary character.
Die Zeichnungen zeigen:The drawings show:
In
Eine zu verlegende Rohrleitung
Zwischen Rohrleitung
Im Bohrkopf
In
Um das Bohrrohr
Die Rohrleitung
In
Im Unterschied zu Schnitt A-A ist in diesem Bereich der Rohrleitung
In
Dargestellt ist der Verbindungsbereich von Rohrleitung
In
Dargestellt ist der Bereich in dem Schmieröffnungen
In
Dargestellt ist der Bereich im Bohrkopf
In
Dargestellt ist der vorderste Bereich im Bohrkopf
In
Zu sehen ist das im Inneren des Bohrkopfs
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Bohrlochwell
- 22
- Bodenground
- 33
- Rohrleitungpipeline
- 44
- Düsejet
- 55
- Bohrflüssigkeitdrilling fluid
- 66
- Bohrkopfwellhead
- 77
- Zuleitungsupply
- 88th
- Bohrrohrdrill pipe
- 99
- nicht vergebennot forgiven
- 1010
- Schmiermediumlubricating medium
- 1111
- Schmieröffnunglubrication hole
- 1212
- Messsondeprobe
- 1313
- Regulierungsvorrichtungregulating device
- 1414
- Halterungbracket
- 1515
- Abdeckungcover
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- ISSN 0176-3512 [0008] ISSN 0176-3512 [0008]
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DE102014004330.4A DE102014004330A1 (en) | 2014-03-26 | 2014-03-26 | Method and devices for creating a borehole in a ground and simultaneously laying a pipeline in the borehole |
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