-
Die Erfindung betrifft ein Sendergehäuse einer Erdbohrvorrichtung und ein Verfahren zum Messen eines Fluiddrucks in einem Bohrkanal. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Sendergehäuse für das HDD (Horizontal Directional Drilling).
-
In der Horizontalbohrtechnik stellen Hindernisse vor dem Bohrkopf der Bohrvorrichtung ein Problem dar. Solche Hindernisse können beispielsweise Hartgesteinsbrocken sein, die von den eingesetzten Bohrvorrichtungen häufig nicht zerstört werden können. Weiterhin können sich in oberflächennahen Erdbereichen auch Wasser-, Gas-, Telefon- und/oder Stromleitungen befinden, die bei einer Bohrung nicht zerstört werden dürfen.
-
Diese Problematik hat zu der Entwicklung von gesteuerten Horizontalbohrvorrichtungen geführt. Mit derartigen, mit HDD bezeichneten Bohrvorrichtungen sind Umfahrungen von Hindernissen möglich. Es ist bekannt, mittels Georadar-Erkundung eine Hindernisortung durchzuführen, um aufgrund der Ortung eine Umfahrung der Hindernisse durchführen zu können.
-
In der Regel stellt der Bohrkopf einer Horizontalbohrvorrichtung das am stärksten belastete Bauteil dar, da mit diesem die von einer Antriebseinheit der Horizontalbohrvorrichtung erzeugten statischen und dynamischen (bei einer schlagenden Vorrichtung) Bohrkräfte auf das Erdreich übertragen werden. Der Bohrkopf ist an dem vordersten Ende eines Bohrgestänges befestigt, wobei das Bohrgestänge meist aus einer Vielzahl von miteinander, beispielsweise über Schraubverschlüsse, verbundenen Gestängeschüssen besteht. Das hintere Ende des Bohrgestänges kann mit einer Antriebseinheit verbunden sein, mittels der Kräfte in Längsrichtung des Bohrgestänges als auch ein Drehmoment auf dieses übertragen werden können. Mittels der Antriebseinheit kann das Bohrgestänge einschließlich des daran befestigten Bohrkopfs sowohl in Schub- und Zugrichtung als auch rotierend angetrieben werden.
-
Bei dem Bohrkopf kann es sich um einen sogenannten Steuerbohrkopf, dessen Stirnfläche zumindest bereichsweise schräg bezüglich der eigenen Längsachse und folglich bezüglich der Bohrrichtung ausgebildet ist, handeln.
-
Ein sich beim Erdbohren mit Bohrfluid (Spülfluid oder Spülflüssigkeit) stellendes Problem ist das Auftreten von sogenannten ”Ausbläsern”. Ist zum Beispiel der Bohrkanal zusammengebrochen oder ist aus anderen Gründen kein ausreichender Rückfluss eines verwendeten Bohrfluids entlang des Bohrkanals möglich, so steigt der Druck im Bohrkanal an. Wird dieser Druckanstieg im Bohrkanal nicht erkannt, so kann es zu einem unkontrollierten Austreten von Bohrfluid an der Oberfläche kommen, was zu Umweltverschmutzung führen kann. Auch kann es zu Bodenanhebungen oder Bodensenkungen kommen, bei denen z. B. Straßen und Gebäudeteile angehoben oder gesenkt werden können. Eine Messung des Druckes im Bohrkanal ist daher wünschenswert.
-
US 3,744,307 A offenbart eine Bohrvorrichtung mit einem Aufnahmeraum für einen Drucksensor in einem Gehäuse. Der Aufnahmeraum ist mit einer „reinen Flüssigkeit” gefüllt. Der Aufnahmeraum steht mittels einer Öffnung mit dem Bohrloch in Verbindung und Bohrlochflüssigkeiten können mit der reinen Flüssigkeit im Aufnahmeraum ausgetauscht werden, so dass der Druck mittels einer Bourdon-Röhre gemessen werden kann. Bei zunehmendem Druck in dem Bohrloch gelangen Bohrlochflüssigkeiten bzw. Fluide durch die Öffnung in den Aufnahmeraum, wodurch die reine Flüssigkeit durch eine Leitung in die Bourdon-Röhre gelangt, um diese auszudehnen und ein oberes Ende zu drehen.
-
US 6,487,901 B1 offenbart eine Bohrvorrichtung mit einem Sendergehäuse für einen Sensor, wobei der Sensor ein Ortungssensor ist. Um den Sensor herum sind im Gehäuse Längsschlitze angeordnet, um das Senden von Signalen durch das metallische Gehäuse zu ermöglichen. Mittels des Sensors wird der Bohrkopf während der Bohrung gesteuert und ausgerichtet.
-
US 2012/0181044 A1 offenbart ein Ventil in einem Bohrstrang einer Bohrvorrichtung zur Exploration oder Förderung von Erdöl oder Erdgas, mit dem ein Durchfluss bestimmbar ist.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Sendergehäuse einer Bohrvorrichtung mit einer Bohrfluidzuleitung bzw. ein Verfahren zum Messen eines Fluiddrucks in einem Bohrkanal zu schaffen, mit dem neben einer Ortung die Messung des Drucks im Bohrkanal vereinfacht und relativ genau möglich ist.
-
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
-
Kern der Erfindung ist es, ein Sendergehäuse derart auszugestalten, dass neben der Ortung, das heißt Bestimmung von Lage und/oder Position des Sendergehäuses, eine Druckmessung des Drucks im Bohrkanal möglich ist. Dies vor allem unter besonderer Berücksichtigung der im Erdreich und insbesondere im HDD-Bereich auftretenden harschen Bedingungen im Erdreich.
-
Der Kern der Erfindung sieht vor, ein Sendergehäuse einer Bohrvorrichtung zu schaffen, wobei die Bohrvorrichtung eine Bohrfluidzuleitung, insbesondere für Spülflüssigkeit, aufweist. Im Inneren des Sendergehäuses ist ein Aufnahmeraum für einen Drucksensor einer Ortungssonde ausgebildet. Hierdurch kann ein Druckanstieg im Bohrkanal erkannt werden. Der Druck im Bohrkanal kann somit von einem Bediener und/oder automatisch kontrolliert werden. Automatisch und/oder durch einen Bediener initiiert können entsprechende Maßnahmen ergriffen werden, wenn der Druck im Bohrkanal ansteigt. Vorzugsweise kann die Ortungssonde in einer Einheit mit dem Drucksensor ausgestaltet sein. Insbesondere bevorzugt kann der mittels des Drucksensors ermittelte Wert des Drucks über einen drahtlosen Sender an die Erdoberfläche übermittelt werden. Vorzugsweise kann der Drucksensor, die Ortungssonde und der Sender zum Übermitteln der gemessenen Werte als eine Einheit ausgestaltet sein. Zum drahtlosen Übermitteln der gemessenen Werte kann das Sendergehäuse bevorzugt Schlitze im Bereich des Senders aufweisen. Es kann vorgesehen sein, dass das Signal des Drucksensors auch als Signal der Ortungssonde verwendet werden kann. Der Drucksensor kann ein Teil der Ortungssonde sein, wobei der Begriff „Ortungssonde” eine elektronische Vorrichtung umfasst, die als Sender ausgestaltet sein kann. Es kann (Teil-)Identität zwischen Ortungssonde und Drucksensor vorliegen, wenn beispielsweise das Signal des Drucksensors als Signal für die Ortung genutzt wird. Die elektronische Vorrichtung kann ein Signal aussenden, das insbesondere in Form von elektromagnetischen Wellen vorliegen kann.
-
Der Aufnahmeraum erstreckt sich getrennt von der Bohrfluidzuleitung, und es wird keine Beeinflussung des Drucksensors durch das zugeführte Bohrfluid erhalten. Der Drucksensor kann damit primär den Druck im Bohrkanal messen. Das Bohrfluid kann am Bohrkopf in den Bohrkanal ohne Beeinflussung des Drucksensors austreten. Der Drucksensor kann somit die Druckinformation aus dem Bohrkanal, in den das Bohrfluid strömt erhalten, aber erst nachdem das Bohrfluid in den Bohrkanal geströmt ist.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Feststofffilter zwischen Außenraum des Sendergehäuses und Aufnahmeraum angeordnet. Hierdurch kann das Fluid im Bohrkanal ohne Druckverlust und ohne Verschmutzungen zum Drucksensor geleitet werden. Bohrklein, welches sich in der Spülflüssigkeit bzw. dem Bohrfluid befindet, kann aufgrund des Feststofffilters nicht ins Innere des Sendergehäuses gelangen.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich der Aufnahmeraum in Richtung der Längsachse des Sendergehäuses, was zu einer optimierten Ausnutzung des Volumens des Sendergehäuses führt. Ein die Werte des Drucksensors übermittelnder (drahtloser) Sender kann durch die Anordnung mit einer definierten Lage zur Längsachse des Sendergehäuses – im vorliegenden Falle parallel – abstrahlen. Bevorzugt kann der Aufnahmeraum langgestreckt sein. Die Längsachse des Aufnahmeraums kann im Wesentlichen parallel zur Längsachse des Sendergehäuses liegen. Der Aufnahmeraum kann zumindest teilweise eine randseitige Begrenzung aufweisen, die rotationssymmetrisch in Richtung einer Längsachse des Aufnahmeraums sein kann. Der Aufnahmeraum kann insbesondere an die Außenabmessungen eines Drucksensors angepasst sein.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Kanal vom Außenraum zum Aufnahmeraum vorgesehen, der zumindest einen Abschnitt aufweist, der einen Winkel mit der Längsachse des Sendergehäuses von größer 0° und kleiner 180° aufweist. Hierdurch kann der zur Verfügung stehende Raum verbessert genutzt werden. Die vorne am Bohrkopf vorgesehenen Schneiden und/oder Einsätze können wie üblich belassen werden, der Kanal kann unabhängig vom Bohrkopf geführt werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Kanal einen Abschnitt aufweist, der einen Winkel mit der Längsachse des Sendergehäuses von größer 60° und kleiner 120° aufweist. Insbesondere kann der Winkel des Abschnitts mit der Längsachse des Sendergehäuses einen Winkel von 90° einschließen. Die Öffnung des Kanals vom Außenraum in das Sendergehäuse ist in Richtung der Längsachse des Sendergehäuses beabstandet zu den Schneiden des Bohrkopfs, insbesondere zu einem Austritt des Bohrfluids aus dem Bohrkopf, ausgebildet.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Aufnahmeraum eine Eintrittsöffnung auf, die mit mindestens einer Dichtung randseitig derart abgedichtet ist, dass eine Druckfläche des Drucksensors von der Dichtung umgeben ist. Hierdurch kann erreicht werden, dass das Fluid im Außenraum nur an den Drucksensor, insbesondere mit der Druckfläche, weitergeleitet wird. Innere Bauteile des Sendergehäuses können so von dem Bohrfluid bzw. dem vom Außenraum eintretenden Fluid nicht umspült werden.
-
Es kann vorgesehen sein, dass der Aufnahmeraum an einem einer mit dem Außenraum in Fluidverbindung stehenden Eintrittsöffnung gegenüberliegenden Ende eine Durchtrittsöffnung aufweist. Durch die Durchtrittsöffnung kann beispielsweise ein stabförmiges Element eingebracht werden, mit dem eine festklemmende Sonde herausgetrieben werden kann. Das stabförmige Element kann ein glatter Stab oder ein Stab mit Gewinde (eine Gewindestange) sein.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Durchtrittsöffnung ein Innengewinde auf, das bevorzugt an ein Außengewinde eines Verschlusses angepasst ist, mit dem die Durchtrittsöffnung verschlossen werden kann. Das Gewinde der Durchtrittsöffnung kann auch an das Gewinde der Gewindestange angepasst sein, mit dem der Drucksensor ausgetrieben werden kann.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Sendergehäuse endseitig ein Rückschlagventil auf, das einen Fluss von Fluid nur in Richtung zu einem Bohrkopf zulässt. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass sich der Druck im Bohrkanal auch bei einem Gestängewechsel nicht abbauen kann. Das Rückschlagventil kann beim Auseinanderschrauben der Gestänge- bzw. Gestängeschüsse sicherstellen, dass das Bohrfluid nicht entgegengesetzt durch das Gestänge fließen kann und aus dem auseinandergeschraubten Gestänge nicht strömen kann. Es kann damit erreicht werden, dass sich der Druck im Bohrkanal bei einem Gestängewechsel nicht abbaut. Eine Verringerung des Drucks könnte suggerieren, dass ein ausreichender Rückfluss des Bohrfluids gewährleistet ist, was zu einem Fehler führen könnte.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Sendergehäuse hinter dem Bohrkopf angeordnet, so dass das Sendergehäuse einen Anschluss für einen Bohrkopf aufweist.
-
Die Erfindung schafft auch ein Verfahren zum Messen eines Fluiddrucks in einem Bohrkanal, wobei mit einem Drucksensor in einem Sendergehäuse über eine Fluidverbindung zu dem Bohrkanal der Fluiddruck in dem Bohrkanal gemessen wird.
-
Bevorzugt wird die Fluidverbindung derart abgedichtet, dass kein inneres Bauteil von dem durch die Fluidverbindung eintretenden Fluid umspült wird.
-
Die vorstehenden Ausführungen stellen ebenso wie die nachfolgende Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen keinen Verzicht auf bestimmte Ausführungsformen oder Merkmale dar.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von einem in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert.
-
In den Zeichnungen zeigt:
-
1 ein mit einem Bohrkopf und einem Gestängeschuss verbundenes erfindungsgemäßes Sendergehäuse in einer Seitenansicht in teilweise geschnittener Darstellung;
-
2 eine Vorderansicht des in 1 dargestellten Gestängeabschnitts;
-
3 eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A von 2;
-
4 eine Schnittdarstellung entlang der Linie B-B gemäß 2; und
-
5 eine Schnittdarstellung entlang der Linie C-C gemäß 2.
-
In 1 ist ein Gestängeabschnitt für das HDD gezeigt. Der Gestängeabschnitt weist kopfseitig einen Bohrkopf 4 auf. Mit der Bohrkrone bzw. dem Bohrkopf 4 ist ein Sendergehäuse 13 verbunden. In dem Ausführungsbeispiel ist der Bohrkopf 4 auf das Sendergehäuse 13 aufgesteckt und formschlüssig gegen Verdrehen und mittels Spannstift in Längsrichtung gesichert. An das Sendergehäuse 13 schließt sich ein Gestängeschuss 15 an, der am anderen Ende des Sendergehäuses 13 mit diesem verschraubt ist.
-
Das Sendergehäuse 13 weist einen Aufnahmeraum 10 auf, in dem ein Drucksensor 1 aufgenommen werden kann. Der Drucksensor 1 kann in einer Einheit mit einer Ortungssonde und einem Sender zum drahtlosen Übertragen der gemessenen bzw. ermittelten Werte des Drucksensors 1 ausgestaltet sein. Zur drahtlosen Übertragung durch den Sender sind im Sendergehäuse 13 Längsschlitze 14 im Bereich des Aufnahmeraums 10 ausgebildet.
-
Der Drucksensor 1 ist mit Hilfe einer Dichtung 2 von dem für die Spülung vorgesehenen Bohrfluid, das über eine Bohrfluidzuleitung 3 zum Bohrkopf 4 geleitet wird, abgetrennt.
-
Der Aufnahmeraum 10 und damit der Drucksensor 1 steht über eine Bohrung 5 mit dem Außenraum – dem Bohrkanal 6 – in Fluidverbindung. Das im Bohrkanal 6 befindliche Fluid kann damit über die Bohrung 5 in das Sendergehäuse 13 eintreten und der Drucksensor 1 gelangt in Kontakt mit dem in dem Bohrkanal 6 befindlichen Fluid, um den Druck desselben zu messen. Die Bohrung 5 verläuft quer zur Längsrichtung des Sendergehäuses 13.
-
Ein Filter 7, der zwischen der Bohrung 5 und dem Aufnahmeraum 10 bzw. dem Drucksensor 1 angeordnet ist, verhindert das Eindringen von Verschmutzungen.
-
Es sind Dichtungen 8 im Sendergehäuse 13 angeordnet, die dafür sorgen, dass das im Bohrkanal 6 befindliche Fluid nur zu einer am kopfseitigen Ende des Drucksensors angeordneten Druckfläche 9 des Drucksensors 1 gelangt. Über die Dichtungen 8 wird eine Eintrittsöffnung des Aufnahmeraums 10 gegenüber dem Drucksensor 1 abgedichtet, so dass nur die Druckfläche 9 des Drucksensors 1 freiliegt.
-
Über eine verschließbare Gewindebohrung 11 kann ein festklemmender Drucksensor 1 beispielsweise mit einer Gewindestange ausgedrückt oder mit einem Stab herausgeschlagen werden.
-
Endseitig ist bei dem Sendergehäuse 13 ein Rückschlagventil 12 angeordnet, so dass sich der Druck im Bohrkanal 6 auch bei einem Gestängewechsel – wenn beispielsweise der Gestängeschuss 15 vom Sendergehäuse 13 getrennt wird – nicht abbauen kann. Bohrfluid kann in Richtung des Bohrkopfes 4 über die Bohrfluidzuleitung 3 fließen und dem Bohrkopf 4 zugeführt werden. Ein Rückfluss durch das Gestänge, insbesondere durch das Sendergehäuse 13, ist über das Rückschlagventil 12 nicht möglich.
