DE102018003401A1

DE102018003401A1 - Bohrkopf für Erdbohrungen, Bohrvorrichtung für Erdbohrungen aufweisend den Bohrkopf, Verfahren zum Erfassen von Objekten während einer Erdbohrung

Info

Publication number: DE102018003401A1
Application number: DE102018003401.2A
Authority: DE
Inventors: Manfred Schauerte; Devis Dei; Guido Manacorda
Original assignee: Tracto Technik GmbH and Co KG; Osys Tech Ltd; Osys Technology Ltd; Florence Eng Srl; Florence Engineering Srl; IDS Georadar SRL
Current assignee: Tracto Technik GmbH and Co KG; Osys Tech Ltd; Osys Technology Ltd; Florence Eng Srl; Florence Engineering Srl; IDS Georadar SRL
Priority date: 2017-04-26
Filing date: 2018-04-25
Publication date: 2018-10-31
Also published as: GB2561986A8; US20180313205A1; GB2561986A; GB201806734D0; JP2018184828A

Abstract

Bohrkopf für Erdbohrungen, insbesondere für eine Horizontalbohrvorrichtung, aufweisend ein Gehäuse, einen Sender zum Erzeugen eines Funksignals, eine Antenne und einen Empfänger zum Empfangen eines reflektierten Funksignals, wobei die Antenneneinheit sowohl dafür ausgelegt ist, ein Funksignal in die Erde zu übertragen, als auch ein reflektierte Funksignal zu empfangen

Description

Die Erfindung betrifft einen Bohrkopf, und im Besonderen einen Bohrkopf für eine Horizontalbohrvorrichtung, eine Bohrvorrichtung für Erdbohrungen, insbesondere eine Horizontalbohrvorrichtung, umfassend den Bohrkopf und ein Verfahren zum Erfassen von Objekten während einer Erdbohrung.
Hindernisse vor dem Bohrkopf einer Bohrvorrichtung für Erdbohrungen stellen ein Problem bei der Horizontalbohrtechnik dar. Derartige Hindernisse umfassen zum Beispiel harte Gesteinsbrocken, welche durch die verwendeten Bohrvorrichtungen oftmals nicht zerkleinert werden können. Des Weiteren können sich in Bereichen nahe der Erdoberfläche Wasser-, Gas-, Telefon- oder Stromleitungen befinden, und diese sollten während des Bohrens nicht beschädigt oder zerstört werden.
Dieses Problem führte zur Entwicklung lenkbarer Horizontalbohrvorrichtungen. Solche Bohrvorrichtungen, genannt HDD (Horizontal-Richtbohrvorrichtungen), machen es möglich, um Hindernisse herum zu navigieren. Nach dem Stand der Technik ist ferner bekannt, Hindernisse vor dem Erdbohren mithilfe einer Georadaruntersuchung zu erkennen, um das Umfahren von Hindernissen angesichts dieser Lagebestimmung zu ermöglichen.
Hindernisse in der Erde werden durch die Radareinheit normalerweise verlässlich entdeckt, indem elektromagnetische Wellen, welche von der Radareinheit ausgestrahlt werden, von durch Abschnitte der Hindernisse verursachten elektrischen Störstellen reflektiert, und an der Radareinheit wieder empfangen werden. Durch Analysieren der empfangenen elektromagnetischen Wellen ist es u.a. möglich, die Position, d.h. die Richtung des Hindernisses in Bezug auf den Bohrkopf, sowie den Abstand von diesem zu bestimmen, und diese für eine Kurskorrektur der Bohrvorrichtung zu verwenden.
US 6 755 263 B2 offenbart Abtast-Systeme und Verfahren zum Erfassen einer unterirdischen Bohrvorrichtung in Verbindung mit einem oberirdischen Ortungsgerät. Die Systeme und Verfahren umfassen das Aussenden eines Radarsondensignals von der unterirdischen Bohrvorrichtung. Ein Radarechosignal wird an der unterirdischen Bohrvorrichtung empfangen. Das Radarechosignal wird an der unterirdischen Bohrvorrichtung verarbeitet, um Sensordaten zu produzieren. Die Sensordaten werden in einer für den Empfang durch das oberirdische Ortungsgerät geeigneten Form übertragen.
Der Einbau einer Radareinheit in eine Horizontalbohrvorrichtung stellt jedoch ein großes Problem dar. Da die Radareinheit normalerweise dazu verwendet wird, den Bereich vor dem Bohrkopf zu überwachen, ist es sinnvoll, die Radareinheit im Bohrkopf anzuordnen, um zu vermeiden, dass die Horizontalbohrvorrichtung selbst die elektromagnetischen Wellen beeinflusst. Ferner ist der Bohrkopf rauen Umgebungseinflüssen ausgesetzt, sodass elektronische Vorrichtungen im Bohrkopf starker Abnutzung und/oder Beschädigung ausgesetzt sein können. In einer Horizontalbohrvorrichtung stellt der Bohrkopf eine Komponente dar, die der stärksten Beanspruchung ausgesetzt ist, da er die statischen und dynamischen (wenn eine Schlagbohrvorrichtung eingebunden ist) Bohrkräfte, welche durch eine Antriebseinheit der Horizontalbohrvorrichtung erzeugt werden, auf die Erde überträgt. Ferner ist der Raum im Bohrkopf begrenzt.
Ausgehend vom Stand der Technik basiert die Erfindung auf der Aufgabe, eine vorteilhafte Möglichkeit bereitzustellen, eine Radareinheit in einen Bohrkopf zu integrieren, welche mindestens einen der obengenannten Nachteile löst oder vermindert.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand gemäß der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Der Kerngedanke der Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass nur eine Antenneneinheit verwendet werden kann, um vor dem Bohrkopf oder seitlichen neben dem Bohrkopf vorhandene Hindernisse zu erfassen. Die Anzahl der Komponenten in dem Bohrkopf wird verringert und auch der Raum, der bereitgestellt werden muss für die zur Erkennung von Hindernissen in dem Pfad des Bohrkopfs notwendigen Komponenten.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das reflektierte Funksignal oberirdisch verarbeitet werden, und diese Verarbeitung des reflektierten Funksignals erfolgt oberirdisch. Folglich muss im Bohrkopf keine Verarbeitung erfolgen, sondern lediglich die Übertragung des reflektierten Funksignals - welches der Bohrkopf empfängt muss stattfinden. Somit kann die Anzahl elektronischer Komponenten im Bohrkopf weiter verringert sein und die elektronischen Komponenten im Bohrkopf können weniger komplex sein. Ein Bohrkopf für Erdbohrungen gemäß der Erfindung, insbesondere für eine Horizontalbohrvorrichtung, kann somit einen Empfänger aufweisen, der derart ausgelegt ist, dass das reflektierte Funksignal unverarbeitet an eine oberirdische Vorrichtung übertragen werden kann.
Eine Horizontalbohrvorrichtung, die für Horizontalrichtbohrung (HDD) verwendet werden kann, umfasst gemäß der Erfindung eine Vorrichtung zum grabenlosen Bohren eines Loches in die Erde oder den Boden. Es kann ein Bohrkopf verwendet werden, der gelenkt werden kann. Der Zweck des Bohrens des Lochs im Boden kann die Verlegung eines unterirdischen Rohres, einer Leitung oder eines Kabels entlang des zu bohrenden Lochs sein. Das Rohr kann aus einem Material wie zum Beispiel einem Polymer, zum Beispiel PVC, Polyethylen und/oder Polypropylen, Grauguss und/oder Stahl bestehen. Das Rohr kann während oder nach dem Bohren des Lochs durch das gebohrte Loch gezogen werden.
Der Begriff „Gehäuse“ gemäß der Erfindung umfasst einen Raum, der zumindest teilweise von einem Abschnitt einer Außenkontur des Bohrkopfs umgeben ist.
Ein „Sender“ gemäß der Erfindung umfasst einen Impulsgeber, der funktionell mit der Antenne gekoppelt ist, um elektromagnetische Wellen, d.h., das Funksignal, auszusenden. Radar, insbesondere für die Erdbohrung, ist ein in den Grund eindringendes Bodenradar, bei dem es sich um eine sensible Technik zur Erfassung auch kleinster Änderungen der Dielektrizitätskonstante des Untergrunds handelt. Durch Verwendung von Radar können Bilder erzeugt werden, welche ein hohes Maß an Details enthalten. Der Hauptzweck der Verwendung von Radar bei der Horizontalrichtbohrung ist die Erkennung von Hindernissen vor dem Bohrkopf oder seitlich des Bohrkopfs. Sender und Empfänger können Elemente eines Objekt-/-Hindernis-Erfassungssystems bilden. Der Sender kann in einer Ausführungsform eine Antenne und Schaltungskomponenten aufweisen, welche zur Erzeugung des Funksignals verwendet werden.
Der Bohrkopf kann eine einzelne Antenne sowohl für Sendung als auch für Empfang des Funksignals aufweisen. Jedoch kann/können auch eine zusätzliche Antenne oder zusätzliche Antennen für unterschiedliche Zwecke, zum Beispiel Senden und/oder Empfangen von Lokalisierungsinformationen und/oder Kontroll- oder Lenkinformationen und/oder Befehle, bereitgestellt sein. Es ist möglich, eine einzelne Antenneneinheit zu verwenden, die eine einzige Antenne zum Senden des Signals und eine einzige Antenne zum Empfangen des Signals aufweist. Die Antenne oder Antennen sind vorzugsweise innerhalb des Bohrkopfs oder auf seiner Oberfläche in einer formangeglichenen Konfiguration angeordnet. Falls eine Antenne innerhalb des Bohrkopfs angeordnet ist, weist mindestens ein Abschnitt des Bohrkopfs ein nichtmetallisches Material auf, vorzugsweise hartes ein dielektrisches Material, insbesondere POM, oder ein für Radarwellen durchsichtiges Material, welches eine Übertragung vom Bohrkopf in die Erde erlaubt.
Ein „Empfänger“ gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung, welche dafür ausgelegt ist, elektromagnetische Wellen zu empfangen, insbesondere das zuvor gesendete Funksignal, das von einem Objekt reflektiert wird.
Der Begriff dass der „Empfänger derart ausgelegt ist, dass das reflektierte Funksignal unverarbeitet oberirdisch übertragen wird“ umfasst, dass das empfangene reflektierte Funksignal durch den Empfänger selbst gesendet werden kann, das heißt, der Empfänger kann ein Sendemittel aufweisen, oder der Empfänger ist funktionell mit einem Sendemittel verbunden, welches das durch den Empfänger empfangene reflektierte Funksignal sendet.
Der Begriff „unverarbeitet“ umfasst, dass das durch den Empfänger empfangene und zu einer oberirdischen Vorrichtung übertragene reflektierte Funksignal ohne Auswertung des Signals übertragen wird. Das durch den Empfänger empfangene „Rohsignal“ kann zu einer oberirdischen Vorrichtung übertragen werden. Das Übertragen eines empfangenen Funksignal „unverarbeitet“ umfasst, dass das Funksignal zum Zweck der Übertragung zwar moduliert, und/oder verstärkt werden kann, dass jedoch keinerlei Informationen hinsichtlich des Zwecks der Erfassung eines Hindernisses erlangt wurden, d.h. im Bohrkopf findet keine Auswertung des empfangenen Funksignals zum Zweck der Erfassung eines Hindernisses statt. Die Auswertung des empfangenen Funksignals erfolgt oberirdisch. Die oberirdische Vorrichtung kann ferner eine Anzeigeeinheit aufweisen oder mit einer solchen verbunden sein, um Informationen über ein Hindernis, das sich im Boden befindet und durch die Radareinheit erfasst wurde, anzuzeigen, insbesondere einen Abstand, eine Lage (d.h. eine Richtung im Verhältnis zur Bohrvorrichtung), Größe und Form. Des Weiteren kann die oberirdische Vorrichtung eine Steuereinheit umfassen oder mit einer solchen verbunden sein, welche automatisch eine Kurskorrektur für den Bohrkopf der Bohrvorrichtung vornehmen kann, um eine Kollision mit dem erfassten Hindernis zu vermeiden.
Der Begriff „oberirdische Vorrichtung“ umfasst, dass die entsprechende Vorrichtung über der Erde oder dem Boden angeordnet sein kann. Er kann aber auch umfassen, dass die Vorrichtung in einer Bodenausschachtung angeordnet ist, im Speziellen in einer Startgrube oder einem Zielschacht, die bei der HDD verwendet werden. Die „oberirdische Vorrichtung“ unterscheidet sich vom Bohrkopf und dem Bohrstrang. Die „oberirdische Vorrichtung“ ist außerhalb des zu bohrenden Lochs angeordnet.
Der Begriff „Bohrkopf“ gemäß der Erfindung umfasst einen sogenannten lenkbaren Bohrkopf aufweisend eine Stirnseite, die mindestens in manchen Bereichen im Verhältnis zu ihrer eigenen Längsachse, und somit im Verhältnis zur Bohrrichtung, abgeschrägt ist. Die abgeschrägte Fläche bewirkt eine Ablenkungskraft, die während des Vortriebs zur Seite hin ausgerichtet ist und zu einem gekrümmten Bohrverlauf führt, wenn der Bohrkopf feststehend betrieben wird, d.h. nicht rotiert. Eine Bohrung in einer geraden Linie ist mit einem solchen gesteuerten Bohrkopf möglich, indem der Bohrkopf sowohl in Schubrichtung betrieben wird, als auch rotiert, sodass sich die Ablenkungskräfte über eine vollständige Umdrehung ausgleichen.
Die Erfindung berücksichtigt ausdrücklich das reflektierte Funksignal, es können jedoch auch Signale berücksichtigt werden, die abgelenkt/gebeugt sind, d.h. das gebeugte Funksignal, sodass Signale berücksichtigt werden, die durch nicht reflektierende unterirdische Hindernisse verursacht werden. Somit umfasst der Begriff „reflektiertes Funksignal“ das Signal, das durch den Empfänger empfangen wird, und zwar unabhängig davon, ob das empfangene Signal ein reflektiertes Funksignal oder ein gebeugtes Funksignal ist.
Die elektronischen und/oder elektrischen Komponenten im Bohrkopf können durch eine Batterie oder einen Akkumulator gespeist sein. Das Bereitstellen einer Batterie oder eines Akkumulators im Bohrkopf ermöglicht eine unabhängige Stromversorgung für die elektrischen/elektronischen Komponenten im Bohrkopf. Die elektronischen und/oder elektrischen Komponenten im Bohrkopf können auch von der Oberfläche über ein Kabel in der Bohrstange gespeist sein.
Die Polarität des durch die Stromversorgung bereitgestellten Stroms kann verändert werden oder unterschiedlich sein, sodass der Strom für die Versorgung der elektronischen und/oder elektrischen Komponenten auf ein geeignetes Polaritätsschema eingestellt werden oder gewechselt werden kann, um irgendeine elektrolytische Korrosion im Bohrstrang hintanzuhalten.
Das verwendete Radar kann auf einem direkten Digitalsynthesizer (DDS) basieren. Ein DDS ist Art eines Frequenzsynthesizers, der zur Schaffung beliebiger Wellenformen aus einem einzigen Referenztakt mit fester Frequenz verwendet werden kann. Eine DDS-Schaltung, die verwendet sein kann, kann (a) einen Phasenakkumulator, (b) einen Speicher, (c) einen DA-Wandler und (d) Mittel zum Umwandeln eines analogen periodischen Signals in analoge Impulse aufweisen. Der Phasenakkumulator kann numerisch gesteuert sein und kann eine vorher festgelegte Eingangszähldauer und Eingangstaktfrequenz aufweisen, und kann ein phasenmoduliertes, periodisches Ausgangsdigitalsignal aufweisen. Der Speicher kann als ein ROM (Nur-Lese-Speicher) für die Phasen-/Amplituden-Umwandlung des phasenmodulierten periodischen Digitalsignals ausgeführt sein, und ein amplitudenmoduliertes periodisches Digitalsignal bereitstellen. Der DA-Wandler kann das amplitudenmodulierte periodische Digitalsignal in ein quantisiertes analoges periodisches Signal umwandeln. Vorzugsweise weisen die Mittel zum Umwandeln einen Vergleicher auf, der den „Nulldurchgang“ des analogen periodischen Signals ermittelt und Treiberimpulse für jeden der „Nulldurchgänge“ erzeugt. Vorteilhafterweise ist dem Vergleicher vorgelagert ein Filter bereitgestellt, um das quantisierte analoge periodische Signal in ein sinusförmiges Signal umzuwandeln.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Empfänger mit einem Signalübermittler gekoppelt, und der Signalübermittler ist dafür ausgelegt, das durch den Empfänger empfangene reflektierte Funksignal unverarbeitet zu einer oberirdischen Vorrichtung zu übertragen. Somit kann der Empfänger zum Empfangen des reflektierten Funksignals eine getrennte Einheit zusätzlich zum Empfänger sein. Es ist jedoch auch möglich, dass der Empfänger zum Empfangen des reflektierten Funksignals dafür ausgelegt ist, das reflektierte Funksignal selbst zu übertragen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Empfänger zum Empfangen der reflektierten Funksignale und/oder der Signalübermittler dafür ausgelegt, das unverarbeitete reflektierte Funksignal drahtlos zu übertragen. Somit ist die oberirdische Vorrichtung dafür ausgelegt, das reflektierte Funksignal drahtlos zu empfangen. Aufgrund der drahtlosen Übertragung ist kein Kabel erforderlich, durch welches das unverarbeitete Funksignal zur oberirdischen Vorrichtung übertragen werden kann. Die unverarbeiteten Funksignale können über elektromagnetische Wellen übertragen werden, die moduliert sein können. Somit werden modulierte elektromagnetische Wellen verwendet, um das unverarbeitete Funksignal zur oberirdischen Vorrichtung zu übertragen. Nach der Demodulation der elektromagnetischen Wellen, die durch die oberirdische Vorrichtung empfangen wurden, können die unverarbeiteten Daten verwendet werden, um die Informationen zu visualisieren und/oder ein Warnsignal zu erzeugen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Empfänger mit einem Kabel oder Draht gekoppelt, welches mit einem Verbindungselement für die Übertragung des reflektierten Funksignal zu einem Verbindungselement eines Bohrstangensegments, das mit dem Bohrkopf verbunden werden kann, verbunden ist. Durch Bereitstellen eines Kabels oder Drahtes zur Übertragung ist das Risiko von Störungen verringert, die durch einen Einfluss auf die zur drahtlosen Übertragung verwendeten elektromagnetischen Wellen möglich sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Bohrkopf eine Lageerfassungsvorrichtung auf, und der Empfänger ist dafür ausgelegt, Daten der Lageerfassungsvorrichtung zusammen mit dem reflektierten Funksignal zu einer oberirdischen Vorrichtung zu übertragen. Die Daten des Hinderniserfassungssystems können mit den Daten der Lageerfassungsvorrichtung synchronisiert werden. Es kann möglich sein, die Daten der Hinderniserfassungsvorrichtung mit den Lageinformationen in Beziehung zu setzen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Empfänger dafür ausgelegt, das reflektierte Funksignal und die Daten der Lageerfassungsvorrichtung durch getrennte Multitonmodulation (DMM) zu übertragen. Das reflektierte Funksignal, das durch die Antenne empfangen wurde, wird zunächst als Rohdaten in einem Verstärker verstärkt. Vom Verstärker gelangen die Signale dann über eine Ethernet-Schnittstelle (bei der es sich um eine Vierdrahtschnittstelle handelt) zu einem DMM-Modem im Bohrkopf, welches aus der Vierdrahtschnittstelle eine Zweidrahtschnittstelle macht. Dann werden die Signale über einen sogenannten „Inliner“ in der Bohrstange oder dem Innenrohr einer Bohrstange, welche zwei Rohre (ein Außenrohr und ein Innenrohr) aufweist und die Bohrstange oder das entsprechende Außenrohr und die Bohrstange zur oberirdischen Vorrichtung, d.h. der Bohrvorrichtung, übertragen. Die oberirische Vorrichtung kann das übertragene Signal über einen Gleitring abgreifen. Ein sogenanntes „In-Cab-Modem“ macht aus der Zweidrahtschnittstelle wieder eine Vierdrahtschnittstelle (Ethernet). Über ein kommerzielles Ethernet-Netzwerkkabel gelangen die Rohdaten dann zur Auswertung zu einem Computer an der Bohrvorrichtung.
Der Begriff „Ethernet“ umfasst die Möglichkeit, dass eine Kommunikation über Ethernet den Datenstrom in kürzere Stücke, sogenannte Rahmen, aufteilt. Jeder Rahmen kann Quell- und Zieladressen und Fehlerüberprüfungsdaten enthalten. Der Inhalt des Rahmens bietet die Möglichkeit, dass ein beschädigter Rahmen erkannt und verworfen und/oder neuübertragen und/oder korrigiert werden kann.
Durch Verwendung der diskreten Multitonmodulation kann ein Signal in Frequenzbänder getrennt werden. Schnelle Fourier-Transformations-(FFT)-Algorithmen können für Modulation und Demodulation verwendet werden.
Es kann vorgesehen sein, dass die verwendete Technik anpassungsfähig sein kann, indem die bevorzugtesten Töne mit einer Geschwindigkeit verwendet werden, um optimalen Durchsatz aufrechtzuerhalten. Der Datenstrom kann einen Fehlererkennungs- und Korrektur-„Overhead“ umfassen, um die Datenqualität sicherzustellen.
Ferner stellt die Erfindung eine Bohrvorrichtung für Erdbohrungen bereit, insbesondere eine Horizontalbohrvorrichtung, wobei die Bohrvorrichtung den obenerwähnten Bohrkopf und eine oberirdische Vorrichtung aufweist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die oberirdische Vorrichtung dafür ausgelegt, den Bohrkopf zu lenken. Es wird möglich, den Bohrkopf zu lenken und als Reaktion auf in die oberirdische Vorrichtung eingegebene Befehle oder Anweisungen ein Loch in die Erde zu bohren. Der Bohrkopf kann die Befehle/Anweisungen empfangen, oder die Bohrvorrichtung wird als Reaktion auf die oberirdische Vorrichtung betrieben.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die oberirdische Vorrichtung dafür ausgelegt, das reflektierte Funksignal und/oder die Daten einer Lageerfassungsvorrichtung zu visualisieren. Die oberirdische Vorrichtung kann eine Anzeige oder einen Monitor aufweisen, um die durch das Hinderniserfassungssystem (reflektiertes Funksignal) sowie die Lageerfassungsvorrichtung empfangenen Informationen zu visualisieren.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die oberirdische Vorrichtung dafür ausgelegt, den Bohrkopf als Reaktion auf das reflektierte Funksignal und/oder die Daten einer Lageerfassungsvorrichtung zu lenken. Die Steuerung des Bohrkopfs oder der Bohrvorrichtung kann eine automatische Steuerung sein, sodass der Bohrkopf unter Berücksichtigung der durch das reflektierte Funksignal (die Hinderniserfassungsvorrichtung) erlangten Informationen entlang eines vorher bestimmten Pfades gelenkt wird. Nach Umgehung des erkannten Hindernisses kann der Bohrkopf hinter dem Hindernis wieder auf seinen vorbestimmten Pfad zurückgelenkt werden.
Ferner stellt die Erfindung ein Verfahren bereit zur Erfassung von Objekten während einer Erdbohrung, das Verfahren umfassend die Schritte: Übertragen eines Funksignals von einem Bohrkopf und Empfangen eines reflektierten Funksignals mittels eines Empfängers im Bohrkopf unter Verwendung derselben Antenne. Also wird nur eine einzige Antenne zum Übertragen des Funksignals in die Erde und auch zum Empfangen des reflektierten Funksignals verwendet.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner den Schritt des Übertragens des empfangenen reflektierten Funksignals unverarbeitet zu einer oberirdischen Vorrichtung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren den Schritt des Übertragens des empfangenen reflektierten Funksignals über ein Kabel durch den Bohrkopf und Bohrstangensegmente, die mit dem Bohrkopf verbunden sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren den Schritt des Übertragens des reflektierten Funksignals zusammen mit Daten einer Lageerfassungsvorrichtung, insbesondere durch getrennte Multitonmodulation.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren den Schritt des Lenkens des Bohrkopfes als Reaktion auf das reflektierte Funksignal.
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
In den Zeichnungen zeigt:

1 eine Horizontalbohrvorrichtung mit einem Bohrkopf gemäß der Erfindung,
2 eine weitere Ausführungsform einer Horizontalbohrvorrichtung mit einem Bohrkopf gemäß der Erfindung,
3 eine erste Ausführungsform eines Bohrkopfs gemäß der Erfindung,
4 eine zweite Ausführungsform eines Bohrkopfs gemäß der Erfindung, und
5 ein Ablaufdiagramm, welches den Fluss von Daten, Signalen und Strom beschreibt.

1 zeigt mithilfe einer vereinfachten Illustration die Anwendung einer lenkbaren Horizontalbohrvorrichtung, die auch als eine HDD-Bohrvorrichtung bezeichnet wird. HDD ist eine Abkürzung für „Horizontalrichtbohrung“. Die Horizontalbohrvorrichtung weist einen Bohrkopf 1 auf, bei dem es sich um einen Bohrkopf 1 gemäß der Erfindung handelt. Der Bohrkopf 1 ist am vorderen Ende einer Bohrstange 2 befestigt, wobei die Bohrstange 2 eine Mehrzahl von Stangenabschnitten 3 aufweist, die über Schraubgewinde miteinander verbunden sind. Das hintere Ende der Bohrstange 2 ist mit einer Antriebseinheit 4 verbunden, durch welche Kräfte in Längsrichtung der Bohrstange 2 sowie ein Drehmoment zur Bohrstange 2 übertragen werden können. Mit Hilfe der Antriebseinheit 4 kann die Bohrstange 2, an welcher der Bohrkopf 1 angebracht ist, in Schubrichtung und Zugrichtung angetrieben sowie rotiert werden.
In der Horizontalbohrvorrichtung von 1 ist die Antriebseinheit 4 feststehend auf der Erdoberfläche angeordnet und somit oberirdisch. Der Bohrvorgang startet somit von der Erdoberfläche aus, wobei anfangs schräg in den Boden gebohrt wird, und nach Erreichen der gewünschten Tiefe die Bohrrichtung verändert wird, bis sie die Horizontale erreicht, und dann die Bohrung im Wesentlichen in der Horizontalen fortgesetzt wird.
Abweichungen vom geradlinigen Bohrverlauf können notwendig werden, wenn die Bohrung auf Hindernisse (nicht abgebildet) in der Erde trifft, die nicht durchbohrt werden können (z.B. Grundgestein) oder nicht durchbohrt werden dürfen (z.B. Strom-, Gas- oder Wasserleitungen). Um solche Hindernisse im Boden zu erkennen, ist der Bohrkopf mit einer Radareinheit versehen, die elektromagnetische Wellen aussendet und diese Wellen empfängt, nachdem sie von einem elektrisch leitenden Objekt reflektiert worden sind, wodurch es möglich ist, Abstand, Form, Größe und Lage des Objekts zu berechnen. Die Radareinheit ist in 3 und 4 ausführlicher beschrieben.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform, in welcher die Antriebseinheit 4 in einer Startgrube 5 angeordnet ist. Gemäß dem Verständnis der vorliegenden Erfindung ist die Antriebseinheit 4 eine oberirdische Vorrichtung.
3 und 4 zeigen zwei Ausführungsformen eines Bohrkopfs 1 gemäß der Erfindung mit einer Radareinheit zur Verwendung in einer Horizontalbohrvorrichtung gemäß 1 und 2.
Die Bohrköpfe 1 von 2 und 3 weisen einen zylindrischen Schaft auf, der an seinem hinteren Ende in Bohrrichtung mit einem Verriegelungssystem ausgebildet ist, durch welches er am vorderen Ende der Bohrstange 2 gesichert werden kann. Am vorderen Ende des Bohrkopfs 1 ist eine Bohrkopfvorderseite bereitgestellt, die eine für maximalen Vorschub ausgebildete Form aufweist. Zu diesem Zweck weist die Bohrkopfvorderseite verschiedene Hartmetallelemente auf, die eine gute Schneidwirkung in der Erde aufweisen und darüber hinaus extrem verschleißfest sind. Eine abgeschrägte Fläche erzeugt während des Vorschubs in der Erde eine seitlich gerichtete Ablenkung, welche eine Lenkbarkeit der Horizontalbohrvorrichtung ermöglicht. Zusätzlich können in der abgeschrägten Fläche zwei Düsen zur Bentonitspülung integriert sein, durch welche Bentonit, das über eine externe Zuführung (nicht abgebildet) und über das Innere der hohlen Bohrstange 2 zum Bohrkopf 1 geleitet wird, unter hohem Druck aus dem Bohrkopf austritt und den Bohrvorschub durch die hydraulische Schneidwirkung einerseits und eine Aufweichung der Erde vor dem Bohrkopf 1 andererseits verbessert.
Die Radareinheit ist im zylindrischen Schaft des Bohrkopfs 1 angeordnet und weist einen Sender 6 zur Erzeugung eines elektrischen Impulses und zum Aussenden elektromagnetischer Wellen (reflektiertes Funksignal über Antenne 7) sowie einen Empfänger 8 zum Empfangen der reflektierten elektromagnetischen Wellen auf. Das reflektierte Funksignal wird unverarbeitet zur Antriebseinheit 4 übertragen. Die Antriebseinheit 4 weist eine Auswerteeinheit auf, welche eine Anzeigevorrichtung aufweist, die Informationen über Abstand, Lage, Größe und Form von in der Erde vorhandenen Hindernissen anzeigen kann. Die Auswerteeinheit ist ferner mit einer Steuereinheit verbunden, welche das Navigieren rund um die Hindernisse durch den entsprechenden Betrieb der Antriebseinheit 4 ermöglicht.
Die Radareinheit, insbesondere die Antenne 7, sendet die elektromagnetischen Wellen in einer definierten Richtung aus, wobei der Bereich des Gehäuses des Bohrkopfs 1, aus dem die elektromagnetischen Wellen austreten, durch eine Platte, die aus Oxidkeramik, einem dielektrischen Material, gefertigt ist, abgedeckt sein kann. Im Gegensatz dazu kann der Rest des Gehäuses des Bohrkopfs 1 aus Stahl, und somit elektrisch leitendem Material, gefertigt sein. Die Platte aus einem für Radarwellen transparenten Material kann einen ausreichenden Durchgang der elektromagnetischen Wellen durch das Gehäuse des Bohrkopfs 1 sicherstellen, um somit eine Überwachung der Erde vor dem und/oder seitlich des Bohrkopfs 1 zu ermöglichen.
Die in 3 und 4 abgebildeten Bohrköpfe 1 sind im Wesentlichen aus drei Teilen gebildet, welche ein Schaftende zur Befestigung am vorderen Ende der Bohrstange 2, die Bohrkopfvorderseite, deren Form für optimales Bohren gestaltet ist, sowie ein Radargehäuse, das zwischen diesen Komponenten des Bohrkopfs 1 angeordnet ist, und einen Abschnitt des Schafts des Bohrkopfs 1 bildet, aufweisen. Die Verbindung zwischen den drei Teilen des Bohrkopfs 1 ist durch ein Schnellverschlusssystem mit Verriegelungselementen ausgeführt. Die dreiteilige Gestaltung des Bohrkopfs 1 erlaubt die optionale Installation der Radareinheit, sodass die Bohrkopfvorderseite auch direkt mit dem Schaftende verbunden sein kann. Abhängig vom Boden, in dem die Bohrung stattfindet, kann es Situationen geben, in welchen keine Radarüberwachung erforderlich ist, und da die Radareinheit auch ziemlich teuer ist, dient die optionale Installation der Radareinheit nur dazu, die Wirksamkeit zu verbessern, da in manchen Fällen weniger Radareinheiten als Bohrköpfe gekauft werden können.
Die Übertragung des über die Antenne 7 durch den Empfänger 8 empfangenen unverarbeiteten Funksignals zur Bohreinheit 4 gemäß der Ausführungsform, die in 3 gezeigt ist, erfolgt durch ein Kabel 9, das mit dem Empfänger 8 gekoppelt ist und zur Kontaktfläche führt, die mit dem vorderen Ende der Bohrstange 2 in Kontakt tritt. In der Bohrstange 2 (jedem Abschnitt 3 der Bohrstange) ist ein Kabel bereitgestellt, um einen elektrischen Kontakt vom Empfänger 8 zur Bohreinheit 4 zu schaffen.
Die Übertragung des über die Antenne 7 durch den Empfänger 8 empfangenen unverarbeiteten Funksignals zur Bohreinheit 4 gemäß der Ausführungsform, die in 4 gezeigt ist, erfolgt drahtlos. Der Empfänger 8 überträgt das empfangene reflektierte Funksignal zur Bohreinheit 4. Der Empfänger 8 weist einen Signalübermittler 10 auf, um das reflektierte Funksignal zur Bohreinheit 4 zu übertragen.
5 beschreibt den Fluss von Signalen, Daten und Strom gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 5 beschreibt ein beispielhaftes System-Ablaufdiagramm. 5 zeigt schematisch die Komponenten des Bohrkopfs 1. Die Komponenten des Bohrkopfs 1 sind mit einer gestrichelten Linie eingekreist. Jedoch kann auch eine an den Bohrkopf 1 angrenzende Bohrstange die mit 21a und 21b bezeichneten Komponenten aufweisen.
Gemäß 5 weist der Bohrkopf 1 Tx/Rx-Elektronik 31, Elektronik 21a und Elektronik 21b auf. Tx/Rx-Elektronik 31 ist dafür ausgelegt, einen elektrischen Impuls zu erzeugen und elektromagnetische Wellen auszusenden, die durch den Tx-Impuls angezeigt sind. Ferner werden die durch das Rx-Signal angezeigten empfangenen elektromagnetischen Wellen durch die Tx-Rx-Elektronik 31 empfangen.
Die Tx/Rx-Elektronik 31 ist durch eine Steuereinheit 22, die in der Elektronik 21a enthalten ist, mit Strom versorgt. Ferner sendet die Steuereinheit 22 Zeitdaten zur Tx/Rx-Elektronik 31, auf Basis derer die Tx/Rx-Elektronik 31 den elektrischen Impuls erzeugt und eine elektromagnetische Welle ausgesendet wird. Zusätzlich empfängt die Steuereinheit die Roh-Radardaten in der Form des durch die Tx-/Rx-Elektronik 31 empfangenen Signals. Die Daten können unverarbeitet gesendet werden.
Die Steuereinheit 22 ist beschrieben als ausgelegt auf die bidirektionale Kommunikation mit der Radarmodem-Schnittstelle 23. Die Steuereinheit 22 ist dafür ausgelegt, Konfigurations- und/oder Statusdaten von der und zur Radarmodem-Schnittstelle 23 zu empfangen beziehungsweise zu senden.
Ein Lagesensor 24 ist bereitgestellt, der als Teil der Bohrkopfelektronik 21a angeordnet ist. Der Lagesensor 24 kann Strom von der Steuereinheit 22 empfangen. Die Steuereinheit kann mit dem Lagesensor 24 verbunden sein, sodass das durch den Lagesensor 24 erzeugte Signal durch die Steuereinheit 22 empfangen werden kann. Der Lagesensor 24 kann den Rollwinkel des Bohrkopfs 1 ermitteln. Der Rollwinkel kann einem Winkel entsprechen, um den der Bohrkopf 1 rund um die Längsachse des Bohrkopfs 1 gedreht ist. Die Steuereinheit 22 kann ein Signal empfangen, das dem Rollwinkel des Bohrkopfs 1 entspricht.
Die Steuereinheit 22 kann die empfangenen Radardaten unverarbeitet zusammen mit Informationen über den Rollwinkel des Bohrkopfs 1 senden. Die entsprechenden Informationen der Radardaten zusammen mit dem Rollwinkel werden als „gekennzeichnete Radardaten“ (tagged radar data) bezeichnet und zu einer Radarmodem-Schnittstelle 23 gesendet.
Die gekennzeichneten Radardaten werden von der Radarmodem-Schnittstelle 23 der Elektronik 21a über eine Ethernetverbindung 26 zu einer Frequenzspreizungs-Modemschnittstelle 35 der Elektronik 21b gesendet. Die Ethernetverbindung 26 schafft eine bidirektionale Kommunikation zwischen der Radarmodem-Schnittstelle 23 und der Frequenzspreizungs-Modemschnittstelle 25.
Die Steuereinheit 22 ist über eine Stromumwandlungs- und Überwachungseinheit 27 mit Strom versorgt. Die Stromumwandlungs- und Überwachungseinheit 27 dient als Spannungsversorgung für die Frequenzspreizungs-Modemschnittstelle 25. Ferner stellt die Stromumwandlungs- und Überwachungseinheit 27 Bohrstrangstatusdaten für die Frequenzspreizungs-Modemschnittstelle 25 bereit.
Die Frequenzspreizungs-Modemschnittstelle 25 stellt Frequenzspreizungsdaten bereit, die über den Bohrstrang zur Bohreinheit 4, welche das Bohren steuert, gesendet werden können. Der Bohrstrang dient in einer Richtung zur Bereitstellung von Strom und auf bidirektionale Weise für die Signale der Radardaten. Die Frequenzspreizungsdaten können durch einen Gleitring 28 vom Bohrstrang zu einer Anzeige und/oder Steuerung abgegriffen werden, um die Informationen der Radardaten und den Rollwinkel zu visualisieren. In der Steuerung können die Radardaten basierend auf dem Rohsignal und dem entsprechenden, damit zusammenhängenden Rollwinkel verarbeitet werden. Auf einer entsprechenden Vorrichtung 42 kann ein Bild gezeigt werden, das die Position von unterirdischen Hindernissen abbildet. Zusätzlich oder alternativ dazu ist es möglich, dass durch eine Steuerung 42 ein Alarmsignal erzeugt werden kann, falls der Bohrkopf 1 in Gefahr gerät, ein Hindernis zu berühren, falls sich der Bohrkopf 1 weiter in die aktuelle Richtung des Bohrkopfs 1 bewegt.
Über den Gleitring 28 ist es möglich, das Signal in Bezug auf die Radardaten und/oder den Strom in den Bohrstrang einzuspeisen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6755263 B2 [0005]

Claims

Bohrkopf (1) für Erdbohrungen, insbesondere für eine Horizontalbohrvorrichtung, aufweisend ein Gehäuse, einen Sender (6) zum Erzeugen eines Funksignals, eine Antenne (7) und einen Empfänger (8) zum Empfangen eines reflektierten Funksignals, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenneneinheit (7) ausgelegt ist, sowohl ein Funksignal in die Erde zu senden, als auch ein reflektiertes Funksignal zu empfangen, die Antenneneinheit (7) ist ausgestaltet, Signale betreffend Hindernisse vor und seitlich des Bohrkopfs (1) zu empfangen.
Bohrkopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (8) derart ausgelegt ist, dass das reflektierte Funksignal unverarbeitet zu einer oberirdischen Vorrichtung übertragen werden kann.
Bohrkopf (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (8) mit einem Signalübermittler (10) gekoppelt ist, und der Signalübermittler (10) dafür ausgelegt ist, das durch den Empfänger (8) empfangene reflektierte Funksignal unverarbeitet zu einer oberirdischen Vorrichtung zu übertragen.
Bohrkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die oberirdische Vorrichtung dafür ausgelegt ist, das unverarbeitete reflektierte Funksignal drahtlos zu empfangen.
Bohrkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (8) mit einem Kabel oder Draht (9) gekoppelt ist, das/der mit einem Verbindungselement zur Übertragung des reflektierten Funksignals zu einem Verbindungselement eines mit dem Bohrkopf (1) verbindbaren Bohrstangensegments, verbunden ist.
Bohrkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Bohrkopf (1) eine Lageerfassungsvorrichtung aufweist und der Empfänger (8) dafür ausgelegt ist, Daten der Lageerfassungsvorrichtung zusammen mit dem reflektierten Funksignal zu einer oberirdischen Vorrichtung zu übertragen.
Bohrkopf (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (8) dafür ausgelegt ist, das reflektierte Funksignal und die Daten der Lageerfassungsvorrichtung durch diskrete Multitonmodulation zu übertragen.
Bohrvorrichtung für Erdbohrungen, insbesondere eine Horizontalbohrvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrvorrichtung den Bohrkopf (1) nach Anspruch 1 bis 7 und eine oberirdische Vorrichtung aufweist.
Bohrvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die oberirdische Vorrichtung dafür ausgelegt ist, den Bohrkopf (1) zu lenken.
Bohrvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die oberirdische Vorrichtung dafür ausgelegt ist, das reflektierte Funksignal und/oder die Daten einer Lageerfassungsvorrichtung zu visualisieren.
Bohrvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die oberirdische Vorrichtung dafür ausgelegt ist, den Bohrkopf (1) in Reaktion auf das reflektierte Funksignal und/oder die Daten einer Lageerfassungsvorrichtung zu lenken.
Verfahren zur Erfassung von Objekten während einer Erdbohrung umfassend die Schritte: Übertragen eines Funksignals von einem Bohrkopf (1) und Empfangen eines reflektierten Funksignals über einen Empfänger (8) im Bohrkopf (1), gekennzeichnet durch Übertragen des Funksignals in die Erde und Empfangen des reflektierten Funksignals durch dieselbe Antenneneinheit (7), welche Hindernisse vor und seitlich des Bohrkopfs (1) erfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch Übertragen des empfangenen reflektierten Funksignals unverarbeitet zu einer oberirdischen Vorrichtung, wobei das empfangende reflektierte Funksignal (a) über ein einen Draht (9) durch den Bohrkopf (1) und Bohrstangensegmente, die mit dem Bohrkopf (1) verbunden sind.
Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch Übertragen des empfangenen reflektierten Funksignals unverarbeitet zu einer oberirdischen Vorrichtung, wobei das empfangene reflektierte Funksignal kabellos vom Bohrkopf (1) zur oberirdischen Vorrichtung (4) übertragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, gekennzeichnet durch Übertragen des reflektierten Funksignals zusammen mit Daten einer Lageerfassungsvorrichtung, insbesondere durch diskrete Multitonmodulation.