DE10213769A1

DE10213769A1 - Verfahren zur Bestimmung der Position eines Bohrkopfes im Erdreich

Info

Publication number: DE10213769A1
Application number: DE10213769A
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Bayer; Elmar Koch; Meinolf Rameil
Original assignee: Tracto Technik GmbH and Co KG
Current assignee: Tracto Technik GmbH and Co KG
Priority date: 2002-03-27
Filing date: 2002-03-27
Publication date: 2003-10-23
Also published as: AU2003227549A1; WO2003080996A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Bohrkopfes im Erdreich, wobei die Position des Bohrkopfs im Erdreich mittels sich ausbreitender Wellen bestimmt wird, welche von dem Bohrkopf reflektiert werden. Die erfindungsgemäße Ortung des Bohrkopfs ermöglicht eine genaue Lokalisation desselben im Erdreich und ferner besteht die Möglichkeit, diesen in Form eines Raumbildes zu erfassen. Ferner birgt das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, daß neben dem Bohrkopf gleichzeitig auch der Bodenuntergrund erfaßt werden kann und somit etwaige Hindernisse im Bohrtrassenverlauf rechtzeitig erkannt und gegebenenfalls umsteuert werden können.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines Bohrkopfs im Erdreich.
Bei den verschiedensten Bohrvorgängen, wie insbesondere der verlaufsgesteuerten Horizontalbohrtechnik oder der grabenlosen Leitungsverlegung ist es erforderlich, den unterirdisch arbeitenden Bohrkopf zu orten, um seine Position zu bestimmen und um diesen gemäß dem geplanten Bohrtrassenverlauf zu steuern. Die Positionsortung von Bohrköpfen erfolgt im Stand der Technik mittels im Bohrkopf angeordneten Meldequellen, wie beispielsweise Sendern, Erregern oder anders gearteten Signalgebern. Diese Meldequellen werden von der Oberfläche aus oder über Kabelverbindungen im Bohrgestänge mit entsprechenden Empfängergeräten an der Oberfläche geortet.
Nachteilig bei diesen im Stand der Technik bekannten Verfahren ist es, daß für die Meldequelle im Bohrkopf ausreichend Platz zur Aufnahme derselben zur Verfügung gestellt werden muß. Daneben ist es ferner erforderlich, die Meldequelle geschützt und gedämpft zu lagern, um eine ausreichende Funktionalität derselben sicher zu stellen. Dies hat den Nachteil, daß dadurch bedingt die Bohrköpfe entsprechend größer und an diese Anforderungen angepaßt gestaltet werden müssen.
Einbauten in den Bohrkopf haben ferner den Nachteil, daß diese oftmals zu Lasten der Steuerfunktionalität des Bohrkopfs gehen. Des weiteren ist es nachteiliger Weise erforderlich, die Meldequellen mit Energie zu versorgen, wie beispielsweise durch eine Batterie oder eine andere Stromquelle. Auch dafür muß entsprechend Platz im Bohrkopf zur Verfügung gestellt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Bestimmung der Position eines Bohrkopfes im Erdreich zur Verfügung zu stellen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, bei welchem die Position eines Bohrkopfs im Erdreich mittels sich ausbreitender Wellen bestimmt wird. Die erfindungsgemäß von einer auf der Erdoberfläche angeordneten Sendeeinheit ins Erdreich ausgesendeten Wellen werden von dem Bohrkopf reflektiert und können mittels eines Empfängers, welcher vorzugsweise auch auf der Erdoberfläche lokalisiert ist, aufgenommen werden. Die aufgenommenen Daten stehen dann für eine Auswertung zur Verfügung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Ortung des Bohrkopfes mittels Radar, vorzugsweise mittels Impulsradar. Nachfolgend soll die Erfindung für den Einsatz von Radar beschrieben werden, ohne darauf begrenzt zu sein. Als Quelle für die ausgesendeten Radarimpulse dient ein elektromagnetischer Pulser in den oder der Sendeantenne. Die ausgesandten Radarsignale breiten sich im Untergrund wellenartig aus und werden vom Bohrkopf und von Strukturen oder Hindernissen im Erdreich reflektiert. Die reflektierten Wellen werden von einem Radarempfänger wieder aufgenommen. Dieser ist gemäß der bevorzugten Ausführungsform ebenfalls auf der Erdoberfläche lokalisiert. Der Empfänger ist dabei vorzugsweise eine sich auf der Oberfläche befindliche Radarempfangsantenne. Die Empfangsantenne mißt die Laufzeiten und Amplituden der elektrischen Feldstärke. Erfindungsgemäß können Sender und Empfänger zu einer transportablen Funktionseinheit zusammengefaßt werden.
Die durch den Empfänger aufgefangenen Radarsignale können erfindungsgemäß ausgewertet und graphisch dargestellt werden. Dazu kann beispielsweise eine Rechnereinheit als Auswerteinheit verwendet werden. Gegebenenfalls können die aufgefangenen Radarsignale noch verstärkt oder andersartig prozessiert werden, um eine möglichst detailgetreue Darstellung des Bohrkopfes und des umliegenden Erdreichs zu gewährleisten. Es besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit, die Radargramme auf einem an der Rechnereinheit angeschlossenen Monitor zu begutachten und somit auszuwerten. Dies hat den Vorteil, daß nahezu gleichzeitig das gewonnene Radarbild bewertet werden kann und gegebenenfalls steuernd in den Bohrverlauf eingegriffen werden kann.
Durch die erfindungsgemäße Ortung des Bohrkopfes mittels Radar, kann dieser in Form eines Raumbildes erfaßt werden, wobei auch die Tiefenerfassung sowie die Neigungs- und Drehpositionserfassung des Bohrkopfes in vorteilhafter Weise möglich ist. Dadurch ist in vorteilhafter Weise eine qualitativ hochwertige Tiefenauflösung möglich. Dies ermöglicht die genaue Ortung des Bohrkopfes im Raum. Ferner birgt das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, daß neben dem Bohrkopf gleichzeitig auch der Bodenuntergrund erfaßt werden kann. So können gleichzeitig auch andere Elemente und Strukturen im Untergrund, die sich im Umfeld des vorgesehenen Bohrtrassenverlaufs befinden, registriert werden und somit ausgewertet werden. Dadurch lassen sich beispielsweise Hindernisse oder bevorstehende Untergrundsänderungen rechtzeitig erkennen und somit beispielsweise mit den notwendigen Vortriebsparametern angegangen werden. Es ist dadurch möglich, den georteten Bohrkopf gezielt zu steuern und somit auch Hindernisse im unterirdischen Trassenverlauf zu umsteuern oder gezielt zu durchsteuern. So können beispielsweise auch härtere Gesteinslagen lokalisiert werden und ein Bohrtrassenverlauf gewählt werden, welcher diese Gesteinslagen umgeht. Ferner können dadurch Schäden an unterirdischen Infrastruktureinrichtungen, wie beispielsweise an Leitungen, anderen Rohrführungen oder ähnlichem vermieden werden. Dies ist vorteilhaft, da dadurch bauliche Verzögerungen, offene Grabungen und Sachbeschädigungen vermieden werden. Daher findet das erfindungsgemäße Verfahren ein weitreichendes Anwendungsgebiet und ist insbesondere von Vorteil bei der grabenlosen Leitungsverlegung und der verlaufsgesteuerten Horizontalbohrtechnik.
Mit der Erfindung kann in vorteilhafter Weise umgangen werden, eine Meldequelle im Bohrkopf anzuordnen. Dadurch können die mit einer im Bohrkopf angeordneten Meldequelle einhergehenden Nachteile, wie die Baugröße des Bohrkopfs, die schlechtere Steuerbarkeit desselben, der Dämpfungs- und Lagerungsaufwand und die Notwendigkeit für eine interne Energieversorgung vermieden werden. Dies beinhaltet eine kostengünstigere Herstellung des Bohrkopfs sowie eine bessere Steuerbarkeit desselben. Dadurch läßt sich ein Bohrkopf verwenden, der ausschließlich für seine Funktion konstruiert ist und somit wirksamer und effizienter im Erdreich agieren kann.
Die Eindringtiefe des Radars hängt von der Frequenz der jeweils verwendeten Antenne, der physikalischen Parameter des Untergrundes sowie weiteren Bedingungen ab. Mit Antennen verschiedener Frequenzen lassen sich daher erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise unterschiedlich tiefe Auflösungen erreichen. Je nach Wahl der Frequenz lassen sich somit entweder größere Eindringtiefen oder genauere Auflösungen des Erdreichs erzielen. Durch die Wahl unterschiedlicher Antennen kann die Radarfrequenz in vorteilhafter Weise an die Grabentiefe und/oder den Untergrund angepaßt werden. Der erfindungsgemäß vorzugsweise einzusetzende Frequenzbereich liegt bei ca. 200 bis 800 MHz, besonders bevorzugt bei 300 bis 700 MHz.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zu ortende Bohrkopf, beispielsweise ein HDD-Bohrkopf, Materialien auf, welche die von dem Sender ausgesendeten Wellen besonders stark reflektieren. So kann der Bohrkopf im Falle des Einsatzes von Radar dielektrische Materialien aufweisen, was den Vorteil birgt, daß eine besonders gute radarreflektorische Erkennung des Bohrkopfs auch bei problematischen Bodenbeschaffenheiten möglich ist. Selbstverständlich können auch andere Materialien, welche diesen Effekt bewirken, eingesetzt werden.
Erfindungsgemäß können die dielektrischen Materialien an den Außenkanten des Bohrkopfs angeordnet werden. Dadurch wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß die Kontur desselben besonders gut erfaßbar wird. Erfindungsgemäß können die reflektorischen Materialien auch an der Steuerfläche des Bohrkopfs angeordnet werden. Erfindungsgemäß kann der Bohrkopf auch mit entsprechenden Materialien ganz oder teilweise beschichtet sein, oder einzelne Verstärkerelemente aus diesen Materialien aufweisen.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß durch die Radarortung auch die Bentonitspülungen im Boden erkennbar sind. Dies bewirkt in vorteilhafter Weise, daß durch die Radartechnik auch die Aufnahme der Spülungswirkungsgrenzen im Erdreich sichtbar werden. Dadurch ist der Bohrvortriebsprozeß in nahezu allen Details erfaßbar. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, zu überwachen, ob die Bohrparameter optimal gewählt sind. Beispielsweise kann durch die Erfassung der Spülwirkungsgrenzen die Spülflüssigkeitgeschwindigkeit, -zusammensetzung oder -menge reguliert und angepaßt werden.
Auch wenn die Anordnung von Meldequellen, wie oben dargestellt, mit Nachteilen verbunden ist, kann es durchaus vorteilhaft sein, in Kombination mit dem erfindungsgemäße Verfahren eine Meldequelle im Bohrkopf zusätzlich anzuordnen. Dazu kann erfindungsgemäß ein Bohrkopf verwendet werden, welcher einen Wellensender und einen Wellenempfänger aufweist. Diese sind vorzugsweise ein Radarsender bzw. -empfänger, besonders bevorzugt wird Impulsradar eingesetzt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsvariante wird der Wellensender und der Wellenempfänger im vorderen Bereich des Bohrkopfs angeordnet, so daß die Abstrahlung der Wellen, wie beispielsweise Radarimpulse, in Vortriebsrichtung der Bohrung erfolgt. Dies bewirkt in vorteilhafter Weise, daß der vor dem Bohrkopf befindliche Erdbereich bei Bedarf gezielt erfaßt werden kann. Diese Ausführungsvariante bietet den Vorteil, daß sofern mit der Radarmessung von der Oberfläche aus Hindernisstrukturen im Erdreich nicht genau erfaßt oder deren Ausmaße nicht genau genug bestimmt werden können, der zusätzliche Radar im Bohrkopf Informationen liefern kann, um diese Hindernisse genau zu lokalisieren und zu definieren. Durch die gezielte Erfassung der direkt vor dem Bohrkopf liegenden Umgebung wird in vorteilhafter Weise eine höhere Auflösung der Bohrkopfumgebung und damit Erkennungsgenauigkeit des direkt vor dem Bohrkopf liegenden Erdreichs erreicht. So können auch dazu Antennen im höheren Frequenzbereich eingesetzt werden, da eine große Eindringtiefe von mehreren Metern nicht unbedingt erforderlich ist. Bevorzugte Frequenzbereiche für ein Radarsystem innerhalb des Bohrkopfes liegen bei ca. 500 bis 1200 MHz, besonders bevorzugt bei 700 MHz bis 1000 MHz.
Ferner ist es erfindungsgemäß möglich, den Radarsender im Bohrkopf beispielsweise nur dann zu aktivieren, wenn sich aufgrund der Oberflächenradarmessung abzeichnet, daß etwaige Hindernisse im Bohrtrassenverlauf auftauchen, diese jedoch nicht mit hinreichender Genauigkeit durch die Oberflächenradarmessung bestimmt werden können. Dies erfolgt dann in vorteilhafter Weise durch den am Bohrkopf angeordneten Radar. Ferner besteht die Möglichkeit, im Bohrkopf eine Auswerteinheit anzuordnen, welche nur dann Daten an die Oberfläche übertragt, wenn Parameter registriert werden, die auf ein Hindernis hindeuten.
Die Übertragung der durch den Radarempfänger am Bohrkopf empfangenen Daten kann mittels einer im Bohrgestänge geführten Kabelleitung zu einer sich an der Oberfläche befindlichen Speicher- und Auswertungseinheit erfolgen. Die Kabelverlegung im Bohrgestänge bietet den Vorteil, daß diese vor mechanischen Beschädigungen geschützt geführt wird. Das Speicher- und Auswertegerät ist vorzugsweise ein Rechner, welcher die empfangenen Daten speichert und gegebenenfalls prozessiert. Gegebenenfalls kann dieser der gleiche sein, welcher für die Oberflächenmessung verwendet wird. Dadurch kann ein genaues Radargramm der direkten Bohrkopfumgebung erstellt werden.
Ferner besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit, daß die Datenübertragung drahtlos erfolgt.
Die vorliegenden Erfindung soll anhand einer Figur näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt dabei in einer schematischen Darstellung die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In Fig. 1 gezeigt ist eine Lafette 1, welche sich auf der Erdoberfläche 2 befindet. Diese weist einen mit einem Dreh- und Schubantrieb ausgerüsteten Schlitten auf. Über eine Startgrube 3 wurde der Bohrkopf 4 in das Erdreich 5 bereits eingeführt. Der Bohrkopf 4 ist ein lenkbarer Schrägflächenbohrkopf. Auf der Erdoberfläche 2 befindet sich eine Radarsende- und Empfangseinheit 6, welche Radarimpulse 7 ins Erdreich 5 aussendet. Diese werden vom Bohrkopf 4, welcher mit dielektrischen Materialien beschichtet ist, reflektiert und von der Empfangsantenne 8 aufgefangen. Die Sende- und Empfangseinheit 6 ist mobil und kann über die Erdoberfläche 2 bewegt werden. Dadurch ist es möglich, dem Vortrieb des Bohrkopfes 4 genau zu folgen und auch Hindernisse in der näheren Umgebung des Bohrkopfes 4 zu bestimmen und diesen gegebenenfalls so zu steuern, daß er diese umsteuert. Die durch die Empfangsantenne 8 aufgenommenen Daten können in einem nicht dargestellten Speicher- und Auswertgerät weiter verarbeitet werden und in einem Radargramm grafisch dargestellt werden. Dadurch ist es in vorteilhafte Weise möglich, sich ein genaues Bild mit höherer Auflösung von der Lokalisation des Bohrkopfes 4 und der näheren Umgebung zu machen. Sofern der Bohrkopf 4 zusätzlich mit einer Radarsende- und Empfangseinheit ausgestattet ist, kann diese aktiviert werden, sobald aufgrund der von der Oberfläche 2 ausgeführten Messung mittels des Sende- und Empfangsgeräts 6 ein Hindernis in der Nähe des Bohrkopfes 4 geortet wird, welches sich jedoch nicht hinreichend genau darstellen läßt, um eine sichere Umsteuerung zu gewährleisten. Dann kann die Radarsende- und Empfangseinheit am Bohrkopf 4 zum Tragen kommen, um ein genaueres Bild von der unmittelbaren Umgebung des Bohrkopfes zu erzeugen. Diese Ausführungsform hat ferner den Vorteil, daß die Umgebung des Bohrkopfes auch dann bestimmt werden kann, wenn oberflächennah streckenweise Erdschichten auftreten, welche eine Radarmessung von der Erdoberfläche aus behindern bzw. nicht möglich machen. Durch den Einsatz des Radars im Bohrkopf ist auch die Erfassung des Erdreichs in gut leitenden Schichten möglich, da die zu durchdringende Schichtdicke geringer ist, als bei einem Einsatz von der Oberfläche aus.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Umgebungsbereich eines sich im Boden befindlichen Bohrkopfes genau analysiert, wobei die Raumlage, die Neigung und der Drehwinkel des Bohrkopfes bestimmt werden kann und unter Beachtung der durch das Verfahren sichtbaren Untergrundstrukturen ein idealer Pfadweg des Bohrkopfes durch den Untergrund ersteuert werden kann. Dadurch ist das erfindungsgemäße Verfahren den im Stand der Technik bekannten überlegen.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Position eines Bohrkopfes im Erdreich, dadurch gekennzeichnet, daß von einem auf der Erdoberfläche lokalisierten Wellensender Wellen ins Erdreich ausgesendet werden, wobei diese von einem im Erdreich befindlichen Bohrkopf reflektiert werden und von einem Wellenempfänger aufgenommen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wellensender und ein Wellenempfänger auf der Erdoberfläche im Bereich über dem Bohrkopf positioniert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß elektromagnetische Wellen eingesetzt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Impulsradar eingesetzt wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Empfänger aufgenommenen Signale in einer Auswerteinheit ausgewertet werden.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgenommenen Signale in einem Radargramm grafisch dargestellt werden.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgenommen Signale prozessiert werden.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Frequenzbereich gearbeitet wird, der bei ca. 200 bis 800 MHz, vorzugsweise bei 300 bis 700 MHz liegt.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bohrkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 28 eingesetzt wird.

10. Bohrkopf, dadurch gekennzeichnet, daß er zumindest teilweise reflektorische Materialien aufweist, welche die durch einen auf der Erdoberfläche lokalisierten eingesetzten Wellensender ausgesandten Wellen reflektieren.

11. Bohrkopf nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß er zumindest teilweise ein Material aufweist, welches elektromagnetische Wellen reflektiert.

12. Bohrkopf nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß er dielektrische Materialien aufweist.

13. Bohrkopf nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das reflektorische Material an den Außenkanten des Bohrkopfs angeordnet ist.

14. Bohrkopf nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das reflektorische Material an der Steuerfläche des Bohrkopfs angeordnet ist.

15. Bohrkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrkopf eine reflektorische Beschichtung aufweist.

16. Bohrkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß er Verstärkerelemente aufweist, welche aus einem reflektorischen Material gebildet sind.

17. Bohrkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Wellensender und einen Wellenempfänger aufweist.

18. Bohrkopf nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Sender und einen Empfänger für elektromagnetische Wellen aufweist.

19. Bohrkopf nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Sender aufweist, der Radarimpulse aussendet.

20. Bohrkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellensender und der Wellenempfänger im vorderen Bereich des Bohrkopfs angeordnet sind.

21. Bohrkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellensender und der Wellenempfänger im vorderen Bereich des Bohrkopfgehäuses angeordnet sind.

22. Bohrkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellensender derart am Bohrkopf angeordnet ist, daß die Wellen in Vortriebsrichtung des Bohrkopfes ausgesendet werden.

23. Bohrkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Sender mit einer Frequenz zwischen 500 bis 1200 MHz, vorzugsweise 700 bis 1000 MHz, aufweist.

24. Bohrkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß er steuerbar ist.

25. Bohrkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Wellensender und einen Wellenempfänger aufweist, die zu einem Bauteil zusammengefaßt sind.

26. Bohrkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 17 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kabelführung von der Sende- und Empfangseinheit durch das Innere des Bohrkopf hindurch geführt ist.

27. Bohrkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 17 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Energieversorgung aufweist.

28. Bohrkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 17 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrkopf eine Auswerteinheit für die durch den Wellenempfänger empfangenen Daten aufweist.