DE112010002712B4

DE112010002712B4 - Führungsvorrichtung für eine bohrvorrichtung

Info

Publication number: DE112010002712B4
Application number: DE112010002712.9T
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Göcke Frank; Joachim Schmidt; Dipl.-Ing. Koch Elmar; Dipl.-Ing. Fischer Sebastian
Original assignee: Tracto Technik GmbH and Co KG
Current assignee: Tracto Technik GmbH and Co KG
Priority date: 2009-06-26
Filing date: 2010-04-15
Publication date: 2020-01-09
Anticipated expiration: 2030-04-16
Also published as: US20120168230A1; US9194185B2; DE102009030865A1; WO2010149238A1; DE112010002712A5

Abstract

Führungsvorrichtung für eine Bohrvorrichtung mit einem Gehäuse mit Ablenkmitteln zur Erzeugung einer Seitenkraft und einer innerhalb des Gehäuses drehbar gelagerten Welle (100), wobei die Welle (100) an einem ersten Ende Anschlussmittel zur Verbindung mit einem Bohrgestänge und an einem zweiten Ende Anschlussmittel zur Verbindung mit einem Bohrkopf (131) aufweist, und wobei Kupplungsmittel zur Verbindung der Welle (100) mit dem Gehäuse vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungsmittel für eine bedarfsweise drehfeste Verbindung ausgestaltet sind zur Neutralisierung der von den Ablenkmitteln bewirkten Ablenkung, wobei die Ablenkmittel in Form eines gebogenen Abschnitts des Gehäuses ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Führungsvorrichtung für eine Bohrvorrichtung sowie eine eine solche Führungsvorrichtung aufweisende Bohrvorrichtung.
Aus dem Stand der Technik sind Bohrvorrichtungen bekannt, mit denen ein Umsteuern der Bohrrichtung während des Einbringens der Bohrung möglich ist.
Beispielsweise sind aus dem Bereich der Horizontalbohrtechnik Bohrvorrichtungen bekannt, bei denen mittels einer an der Erdoberfläche angeordneten Antriebsvorrichtung ein über ein Bohrgestänge mit der Antriebsvorrichtung verbundener Bohrkopf statisch und/oder dynamisch in das Erdreich vorgetrieben wird. Eine Steuerungsfunktion kann bei solchen Bohrvorrichtungen beispielsweise dadurch erzielt werden, dass der Bohrkopf mit einer asymmetrisch abgeschrägten Stirnfläche versehen ist, die bewirkt, dass auf den Bohrkopf bei dessen Vortrieb durch das Erdreich eine Seitenkraft wirkt, die zu einer Ablenkung des Bohrkopfs von der geraden Bohrrichtung führt. Wird ein solcher Schrägbohrkopf ausschließlich statisch oder dynamisch, jedoch nicht rotierend vorgetrieben, führt dies zu einem bogenförmigen Verlauf der Bohrung innerhalb des Erdreichs. Ein geradliniges Bohren ist mit einer solchen Bohrvorrichtung möglich, indem der Schrägbohrkopf nicht nur unter Druckbelastung vorgetrieben, sondern gleichzeitig rotierend angetrieben wird, wodurch die eine Ablenkung bewirkenden Seitenkräfte über dem Verlauf einer vollständigen Umdrehung des Schrägbohrkopfs ausgeglichen werden, so dass sich im Mittel ein geradliniger Bohrverlauf ergibt.
Derartige Bohrvorrichtungen eignen sich gut für ein Bohren in Böden, die gut deformiert werden können, da die Bohrwirkung im Wesentlichen auf einem radialen Verdrängen und Verdichten des Erdreichs beruht. Für einen Einsatz im härteren Erdreich sowie in Gestein sind derartige Bohrvorrichtungen dagegen nicht geeignet, weil hierbei erforderlich ist, das Erdreich bzw. das Gestein abzubauen, das heißt zunächst zu zerkleinern und dann aus dem Bohrloch zu entfernen.
Es gibt im wesentlichen zwei unterschiedliche Bauarten für Bohrvorrichtungen, die sich für ein Bohren in härterem Erdreich sowie in Gestein eignen.
Bohrvorrichtungen gemäß einer ersten dieser Bauarten beruhen auf einem Imloch-Motor, das heißt einem Motor, der im Bereich des Bohrkopfs einer Bohrvorrichtung angeordnet ist und mit diesem durch das Erdreich vorgetrieben wird. Der Imloch-Motor wirkt direkt auf den Bohrkopf und treibt diesen rotierend an. Die für einen Vortrieb des Bohrkopfs erforderlichen Druckkräfte werden dagegen über ein Bohrgestänge von einer an der Erdoberfläche angeordneten Antriebsvorrichtung auf die Bohreinheit, bestehend aus Imloch-Motor und Bohrkopf, übertragen. Als Imloch-Motoren kommen regelmäßig sogenannte „Mud-Motoren“ zum Einsatz. Hierbei handelt es sich um Motoren, die nach dem „Moineau“-Prinzip arbeiten oder auf Turbinen beruhen und hydraulisch angetrieben werden. Regelmäßig ist dabei vorgesehen, die Mud-Motoren über eine Bohrflüssigkeit anzutreiben, die diesen unter hohem Druck durch das hohle Bohrgestänge oder eine sonstige Zuleitung zugeführt wird, und die Bohrflüssigkeit nach dem Entspannen in dem Mud-Motor über entsprechende Auslassöffnungen im Bereich des Bohrkopfs auszubringen, um die Front des Bohrkopfs zu schmieren und zu kühlen und um das abgetragene Erdreich oder Gestein aus dem Bohrloch auszuschwemmen.
Eine Steuerbarkeit kann bei derartigen Bohrvorrichtungen dadurch erreicht werden, dass das Gehäuse des Imloch-Motors oder ein Abschnitt des Gestänges, der vorzugsweise möglichst nah im Bereich des Bohrkopfs gelegen ist, mit Ablenkmitteln versehen ist, die eine Seitenkraft erzeugen, die zu einer entsprechenden Ablenkung von dem geraden Bohrverlauf führt.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, als Ablenkmittel einen sogenannten Ablenkschuh einzusetzen, der einseitig auf dem Gehäuse des Imloch-Motors oder einem Abschnitt des Bohrgestänges befestigt wird und dadurch die seitliche Ablenkung bewirkt. Die gleiche Wirkung kann alternativ auch durch eine entsprechende asymmetrische Ausbildung des Gehäuses des Imloch-Motors oder eines Abschnitts des Bohrgestänges erzielt werden. Als dritte Möglichkeit ist zudem bekannt, das Gehäuse des Imloch-Motors oder einen Abschnitt des Bohrgestänges mit einer Krümmung oder einem winkeligen Verlauf zu versehen, durch den die gewünschte Ablenkung erreicht wird. Zudem ist bekannt, den Bohrkopf selbst so mit der Antriebswelle des Imloch-Motors zu verbinden, dass die Rotationsachse des Bohrkopfs nicht koaxial zu der Längsachse des Imloch-Motors und des sich daran anschließenden Abschnitts des Bohrgestänges ist. Ein geradliniger Bohrverlauf wird mit solchen Bohrvorrichtungen dadurch erzielt, dass das die Ablenkmittel aufweisende Gehäuse des Imloch-Motors bzw. das Gestänge rotierend angetrieben wird, wodurch die Seitenkraftwirkung der Ablenkungsmittel über den Verlauf einer vollständigen Umdrehung ausgeglichen wird. Für ein Umsteuern der Bohrrichtung wird dagegen die Rotation des Gehäuses bzw. des Bohrgestänges unterbrochen, bis die gewünschte neue Bohrrichtung erreicht ist.
Nachteilig an derartigen Bohrvorrichtungen ist, dass diese für den Antrieb der Mud-Motoren große Mengen an Bohrflüssigkeit unter hohem Druck benötigen, was bedingt, dass große und teure Pumpen bereitgestellt werden müssen. Außerdem muss ein ausreichend großer Querschnitt innerhalb des Bohrgestänges bereitgestellt werden, durch den die Bohrflüssigkeit von der an der Oberfläche angeordneten Pumpe zu dem Mud-Motor transportiert werden kann, um zu verhindern, dass die Strömungswiderstände innerhalb des Bohrgestänges einen zu großen Druckverlust bewirken. Hinsichtlich der zu übertragenden Kräfte und Momente muss das Bohrgestänge somit „überdimensioniert“ werden. Ein weiteres Problem besteht darin, dass die Entsorgung der verbrauchten Bohrflüssigkeit aufwendig und damit teuer ist. Da für den Antrieb der Mud-Motoren erheblich mehr Bohrflüssigkeit benötigt wird, als es für ein Kühlen und Schmieren sowie ein Ausschwemmen des Bohrkleins erforderlich wäre, steigen entsprechend auch die Entsorgungskosten für die Bohrflüssigkeit.
Diese Nachteile, die mit auf Imloch-Motoren beruhenden Bohrvorrichtungen für hartes Erdreich und Gestein verbunden sind, haben dazu geführt, dass Bohrvorrichtungen entwickelt wurden, die ohne einen solchen Imloch-Motor auskommen, jedoch weiterhin für ein Bohren im harten Erdreich oder Gestein geeignet sind. Diese Bohrvorrichtungen beruhen auf einem Doppelbohrgestänge. Dieses besteht aus einem Außenrohr, dessen vorderes, dem Bohrgrund zugewandtes Ende regelmäßig mit einer ringförmigen Bohrkrone versehen ist, und einem innerhalb des Außenrohrs rotierbar gelagerten Innengestänge, an dessen vorderem Ende der eigentliche Bohrkopf angeordnet ist. Das Doppelbohrgestänge wird von einer an der Erdoberfläche angeordneten Antriebseinheit sowohl rotierend als auch unter Druckbelastung vorgetrieben. Regelmäßig ist hierbei vorgesehen, den Vorschub für das Außenrohr und das Innengestänge synchron durchzuführen, das Außenrohr und das Innengestänge jedoch unabhängig voneinander rotierend anzutreiben. Das Innengestänge wird dabei mit einer Rotationsfrequenz angetrieben, die hinsichtlich eines möglichst optimalen Abtragens des Erdreichs oder Gesteins ausgelegt ist. Das Außenrohr, das aufgrund seines direkten Kontakts mit der Wandung der bereits erstellten Bohrung einer erheblichen Reibung mit dieser ausgesetzt ist, wird dagegen regelmäßig mit geringeren Drehzahlen angetrieben, um die Reibungsverluste und den dadurch bedingten Verschleiß möglichst gering zu halten. Die Rotation des Außenrohrs dient vielmehr lediglich dazu, die gewünschte Steuerbarkeit der Bohrvorrichtung zu erreichen. Hierzu ist, ähnlich wie bei den Bohrvorrichtungen mit Imloch-Motor, das Außenrohr des Doppelrohrgestänges im Bereich des Bohrkopfs mit Ablenkmitteln versehen, die eine Seitenkraft erzeugen, die dazu führt, das bei einem nicht-rotierenden Außenrohr ein bogenförmiger Bohrverlauf erhalten wird. Für ein Geradeaus-Bohren wird dagegen nach demselben Prinzip wie bei den bereits beschriebenen alternativen Bohrvorrichtungen, das Außenrohr kontinuierlich rotierend angetrieben, wodurch sich im Mittel ein geradliniger Bohrverlauf ergibt. Die Drehzahl des hierfür kontinuierlich rotierend angetriebenen Außenrohrs kann dabei erheblich unterhalb derjenigen liegen, die für das den Bohrkopf tragende Innengestänge sinnvoll ist. Der wesentliche Nachteil derartiger Vorrichtungen mit Doppelbohrgestänge liegt in der aufwendigen und daher teuren Konstruktion des Doppelbohrgestänges selbst.
EP 1 086 291 B1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Richtbohren. Die Vorrichtung weist eine Welle auf, die ein hinteres Ende, das mit einem Bohrsystem verbindbar ist, und ein vorderes Ende, das mit einem Bohrkopf verbindbar ist, umfasst. Ferner weist die Vorrichtung eine Bohrkopfanordnung und ein Führungsgehäuse auf. Die Welle kann gegenüber dem Führungsgehäuse gedreht und longitudinal verschoben werden. Zum Umschalten kann die Bohrkopfanordnung in Längsrichtung relativ zum Führungsgehäuse verschoben werden. Eine Position ist die Schaltposition und die andere Position ist die Bohrposition. Kugelgelenke erlauben es, dass sich das Führungsgehäuse gegenüber der Bohrkopfanordnung relativ zur Längsachse drehen kann, um einen Kurvenverlauf der Bohrung durchzuführen. Die Bohrkopfanordnung verbleibt konzentrisch zur Welle. Ein Steuerbolzen und ein Steuernocken sind vorgesehen, um die Bohrkopfanordnung gegenüber dem Führungsgehäuse Kurven bohren zu lassen. Es wird damit eine Vorrichtung und ein Verfahren beschrieben, bei der bzw. dem zum Richtbohren die relative Lage der Welle zum Führungsgehäuse bezogen auf die Längsachse des Führungsgehäuses den Richtungsbohrprozess bestimmt. Das Führungsgehäuse wird bezogen auf die Längsachse der Welle entsprechend der Richtung verkippt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine konstruktiv einfache Bohrvorrichtung anzugeben, die es ermöglicht, Bohrungen in hartem Erdreich oder Gestein einzubringen.
Diese Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Bohrvorrichtung gemäß Patentanspruch 16 gelöst. Eine hierbei erfindungsgemäß zum Einsatz kommende Führungsvorrichtung ist Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen dieser Führungsvorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
Eine erfindungsgemäße Bohrvorrichtung weist ein Bohrgestänge, einen vorzugsweise für das Bohren in hartem Erdreich oder Gestein ausgelegten Bohrkopf, wie er aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt ist, und eine zwischen dem Bohrgestänge und dem Bohrkopf angeordnete, erfindungsgemäße Führungsvorrichtung auf, die so ausgebildet ist, dass sie die für eine Steuerbarkeit der Bohrvorrichtung erforderliche seitliche Ablenkung erzeugt.
Eine erfindungsgemäße Führungsvorrichtung umfasst ein Gehäuse mit Ablenkmitteln zur Erzeugung einer die Ablenkung bewirkenden Seitenkraft und eine innerhalb des Gehäuses drehbar gelagerte Welle, wobei die Welle an einem ersten Ende Anschlussmittel zur Verbindung mit dem Bohrgestänge und an einem zweiten Ende Anschlussmittel zur Verbindung mit dem Bohrkopf aufweist. Weiterhin ist vorgesehen, dass die Führungsvorrichtung Kupplungsmittel aufweist, durch die bedarfsweise eine drehfeste Verbindung der Welle mit dem Gehäuse erzeugt werden kann.
Die Ablenkmittel der erfindungsgemäßen Führungsvorrichtung werden dadurch ausgebildet, dass ein Abschnitt des Gehäuses gebogen ausgebildet ist.
Die erfindungsgemäße Führungsvorrichtung ermöglicht, den Bohrkopf direkt über ein (vorzugsweise einfaches) Bohrgestänge anzutreiben, so dass sowohl auf einen Imloch-Motor als auch auf ein aufwendiges Doppelbohrgestänge verzichtet werden kann. Die gewünschte Steuerbarkeit der Bohrvorrichtung wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, dass das die Ablenkmittel aufweisende Gehäuse der Führungsvorrichtung bedarfsweise mit der Welle der Führungsvorrichtung drehfest verbunden wird, so dass durch ein gezieltes Mitrotieren des Gehäuses mit der Welle die von den Ablenkmitteln bewirkte Ablenkungswirkung neutralisiert werden kann, um ein Geradeaus-Bohren zu erreichen. Anderenfalls kann die drehfeste Verbindung dann unterbrochen werden, wenn ein Umsteuern der Bohrvorrichtung gewünscht ist, wodurch das dann nicht mehr rotierende Gehäuse der Führungsvorrichtung mit den Ablenkmitteln die gewünschte Ablenkungswirkung erzeugt.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, die Kupplungsmittel hydraulisch zu betätigen, um die bedarfsweise drehfeste Verbindung der Welle mit dem Gehäuse herzustellen bzw. zu lösen. Zur hydraulischen Betätigung kann vorteilhafterweise auf eine Bohrflüssigkeit zurückgegriffen werden, die der Bohrvorrichtung zugeführt wird, um diese insbesondere im Bereich des Bohrkopfs austreten zu lassen, um - wie dies bekannt ist - den Bohrkopf zu schmieren und das von dem Bohrklein abgetragene Erdreich/Gestein durch die Bohrung auszuspülen.
Alternativ besteht selbstverständlich auch die Möglichkeit, die Kupplung pneumatisch, insbesondere mittels Druckluft, zu betätigen.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, die Kupplungsmittel entgegen der Federkraft (mindestens) eines Federelements zu betätigen, wodurch zum einen eine sichere Rückstellung in eine Ausgangsstellung erreicht werden kann und zum anderen - bei einer entsprechenden Auslegung insbesondere des Federelements und insbesondere bei einer hydraulischen Betätigung - das Betätigen der Kupplung von der Höhe des hydraulischen Drucks abhängig gemacht werden kann. Dies ermöglicht beispielsweise, das Betätigen der Kupplung erst bei einem Druck erfolgen zu lassen, der höher ist als der Druck der für ein Ausbringen einer Bohrflüssigkeit in den Bohrgrund erforderlich bzw. vorgesehen ist.
In einer bevorzugten, weil konstruktiv einfachen und wenig Bauraum beanspruchenden Ausführungsform können die Kupplungsmittel eine Kupplungshülse umfassen, die zwischen der Welle und dem Gehäuse angeordnet ist und die zu der Welle und/oder dem Gehäuse zwischen einer ersten und einer zweiten Position verschiebbar ist, wobei die Kupplungshülse in der ersten Position relativ zu der Welle und/oder dem Gehäuse drehbar ist und in der zweiten Position mit der Welle und/oder dem Gehäuse drehfest verbunden ist. Erfindungsgemäß ist nicht erforderlich, dass die Kupplungshülse die Welle vollumfänglich umgreift.
In einer alternativen Ausführungsform kann das drehfeste Verbinden der Welle mit dem Gehäuse der erfindungsgemäßen Führungsvorrichtung auch dadurch bewirkt werden, dass die Welle (oder ein Teil hiervon) in längsaxialer Richtung relativ zu dem Gehäuse oder einem Abschnitt hiervon verschiebbar ist, wobei in einer der Relativpositionen dieser Verschiebung die Kupplungsmittel die drehfeste Verbindung zwischen der Welle und dem Gehäuse bewirken; beispielsweise können die Kupplungsmittel durch ein Kupplungselement der Welle ausgebildet werden, das in ein Kupplungselement des Gehäuses eingreift. In einer zweiten Relativposition dieser Verschiebung kann dann entsprechend vorgesehen sein, dass die Kupplungsmittel keine drehfeste Verbindung zwischen der Welle und dem Gehäuse mehr bewirken; hierbei kann das Kupplungselement der Welle aus dem Eingriff mit dem Kupplungselement des Gehäuses bewegt worden sein. Ein Schalten der Kupplungsmittel durch eine längsaxiale Relativverschiebung der Welle zu dem Gehäuse kann konstruktiv auf einfache Weise realisiert werden.
Bei einer solchen Ausgestaltung der Kupplungsmittel besteht weiterhin die Möglichkeit, ein Schalten der Kupplungsmittel durch eine Veränderung der Höhe der Druckkräfte, die über das Bohrgestänge auf die Welle und den Bohrkopf ausgeübt werden, zu steuern. Hierzu kann vorzugsweise ein Federelement vorgesehen werden, das zwischen dem Gehäuse oder einem Abschnitt hiervon und der Welle angeordnet ist und diese in Richtung einer der Schaltpositionen der Kupplungsmittel beaufschlagt. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um die Schaltposition, bei der eine drehfeste Verbindung der Welle mit dem Gehäuse gegeben ist. Durch die Anordnung des Federelements können über das Bohrgestänge und die Welle Druckkräfte auf den Bohrkopf übertragen werden, die gegebenenfalls zur Erreichung der gewünschten Bohrwirkung ausreichend sind, jedoch nicht so hoch sind, dass sie das Federelement soweit deformieren, dass es zu einem Schalten der Kupplungsmittel führt. Ein solches Schalten der Kupplungsmittel kann dann durch ein gezieltes Erhöhen der Druckkräfte erfolgen.
Selbstverständlich ist es durch eine entsprechende Umkehrung des Prinzips auch möglich, beim Ausüben der für den Bohrvortrieb vorgesehenen Druckkräfte das Federelement soweit zu komprimieren, dass es zu einem Schalten der Kupplungsmittel kommt, und ein Umschalten dadurch vorzusehen, dass die Druckkräfte reduziert oder aufgehoben werden. Das Federelement unterstützt dann die Umschaltung, so dass keine Zugkräfte auf die Welle ausgeübt werden müssen.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Führungsvorrichtung kann vorgesehen sein, mindestens ein gegen die Bohrlochwandung auslenkbares Abstützelement vorzusehen, durch das bedarfsweise die Reibung mit der Bohrlochwandung erhöht werden kann, um zu verhindern, dass sich das Gehäuse der Führungsvorrichtung unbeabsichtigt innerhalb des Bohrlochs dreht.
Vorzugsweise ist die Integration des Abstützelements in die Führungsvorrichtung dabei so verwirklicht, dass das Abstützelement dann ausgelenkt ist, wenn keine drehfeste Verbindung des Gehäuses mit der Welle vorliegt und sich die erfindungsgemäße Bohrvorrichtung im Steuerbetrieb befindet.
Auch das Auslenken des Abstützelements kann vorzugsweise hydraulisch (selbstverständlich ist auch eine pneumatische Auslenkung möglich) und insbesondere mittels einer Bohrflüssigkeit erfolgen. Damit können die gleichen Vorteile wie bei der hydraulischen Betätigung der Kupplungsmittel erreicht werden. Zusätzlich kann durch eine Anpassung des hydraulischen Drucks bzw. bei der Verwendung einer Bohrflüssigkeit der geförderten Menge der Bohrflüssigkeit die Höhe des Anpressdrucks des Abstützelements gesteuert und dadurch an unterschiedliche Bedingungen angepasst werden.
Weiterhin bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das Abstützelement entgegen der Kraft eines Federelements ausgelenkt wird. Wie bei der Betätigung der Kupplungsmittel entgegen der Kraft einer Feder kann dadurch zum einen eine sichere Rückstellung in eine Ausgangsstellung des Abstützelements erreicht werden und zum anderen - bei einer entsprechenden Auslegung insbesondere des Federelements und insbesondere bei einer hydraulischen Betätigung - das Auslenken des Abstützelements von der Höhe des hydraulischen Drucks abhängig gemacht werden. Dies ermöglicht wiederum, das Auslenken des Abstützelements erst bei einem Druck erfolgen zu lassen, der höher ist als der Druck der für ein Ausbringen einer Bohrflüssigkeit in den Bohrgrund erforderlich bzw. vorgesehen ist.
Werden sowohl die Kupplungsmittel als auch das Abstützelement entgegen der Kraft eines Federelements und vorzugsweise mittels des gleichen Fluids (insbesondere mittels einer Bohrflüssigkeit) betätigt, kann weiterhin vorgesehen sein, die Betätigung der Kupplungsmittel bei einem niedrigeren Druck erfolgen zu lassen als das Auslenken des Abstützelements. Da vorzugsweise vorgesehen sein kann, die Kupplung bereits bei einem niedrigen (absoluten) Druck betätigen zu lassen, kann dadurch erreicht werden, dass das Gehäuse mit der Welle mitdrehbar ist und gleichzeitig eine Bohrflüssigkeit ausgebracht wird, ohne dass jedoch das Abstützelement ausgelenkt ist.
Selbstverständlich besteht die Möglichkeit, die Schaltzeitpunkte der Kupplungsmittel und des Abstützelements durch die Verwendung unterschiedlicher Federn z.B. an unterschiedliche Bodenverhältnisse anzupassen.
In einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Führungsvorrichtung kann das Auslenken des Abstützelements durch eine relative Verschiebung der Welle zu dem Gehäuse in längsaxialer Richtung der Führungsvorrichtung erreicht werden. Dies ermöglicht, das Auslenken des Abstützelements in Abstimmung mit dem Schalten der Kupplungsmittel durchzuführen, wenn diese durch ein Verschieben in längsaxialer Richtung betätigt werden. Dies ermöglicht, dass stets dann, wenn die Kupplungselemente der Kupplungsmittel nicht im Eingriff sind und eine Relativdrehung zwischen der Welle und dem Gehäuse der Führungsvorrichtung möglich ist, die Abstützelemente ausgelenkt sind. Dementsprechend sind diese stets dann nicht ausgelenkt, wenn die Kupplungselemente der Kupplungsmittel im Eingriff sind, wobei die drehfeste Verbindung zwischen der Welle und dem Gehäuse erreicht wird.
Eine Möglichkeit, ein Abstützelement auszubilden, das durch eine relative Verschiebung der Welle in Längsrichtung zu dem Gehäuse ausgelenkt wird, besteht darin, dieses als Blattfeder auszubilden, die an einer Seite an dem Gehäuse und an einer gegenüberliegenden Seite zumindest indirekt an der Welle abgestützt ist. Durch die Relativverschiebung der Welle zu dem Gehäuse wird der Abstand zwischen den beiden Anlenkpunkten der Blattfeder verkürzt, wodurch diese, die vorzugsweise bogenförmig radial nach außen vorgespannt ist, nach außen ausgelenkt wird. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, eine entsprechende Auslenkung des Abstützelements durch eine rotatorische Relativbewegung des Gehäuses (oder eines Abschnitts hiervon) zu der Welle (oder eines Abschnitts hiervon) zu bewirken.
In einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass sich die Blattfeder zwischen zwei Abschnitten des Gehäuses, die in längsaxialer Richtung der Führungsvorrichtung relativ zueinander verschiebbar sind, abstützt. Einer dieser zwei Abschnitte des Gehäuses stützt sich dann direkt oder indirekt an der Welle ab, um bei einer Relativverschiebung der Welle zu dem Gehäuse die gewünschte radiale Auslenkung der Blattfeder zu erzielen. Diese Ausführungsform weist den wesentlichen Vorteil auf, dass die Lagerung, die die für die Funktion der erfindungsgemäßen Bohrvorrichtung erforderliche Relativrotation zwischen der Welle und dem Gehäuse ermöglicht, zwischen der Welle und dem entsprechenden Abschnitt des Gehäuses angeordnet werden kann. Im Vergleich zu einer Ausführungsform, bei der sich die Blattfeder direkt an der Lagerung abstützt, kann dies konstruktiv einfacher umsetzbar sein.
In einer weiterhin bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Führungsvorrichtung kann vorgesehen sein, die Welle in einem Abschnitt, der sich innerhalb des Gehäuses erstreckt, teleskopierbar auszubilden. Dadurch wird ermöglicht, das für ein Schalten der Kupplungsmittel und/oder für ein Auslenken der Abschnittselemente vorgesehene Verschieben eines ersten Abschnitts der Welle über die Teleskopierbarkeit der Welle zu bewirken, wodurch der zweite, nicht verschobene Abschnitt der teleskopierbaren Welle nicht zu dem entsprechenden Abschnitt des Gehäuses relativ verschoben wird. Dadurch kann gegebenenfalls die Lagerung dieses nicht verschiebbaren Abschnitts der Welle in dem entsprechenden Abschnitt des Gehäuses erheblich vereinfacht werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Führungsvorrichtung kann vorgesehen sein, das Abstützelement zumindest im ausgelenkten Zustand mittels eines Fluids und wiederum vorzugsweise mittels einer Bohrflüssigkeit (zumindest teilweise) zu unterspülen, um zu verhindern, dass sich ungewollterweise Bohrklein unter das Abstützelement setzt und dadurch ein Einfahren des Abstützelements behindert. Das Eindringen von Bohrklein wird dadurch wirksam verhindert, dass das Fluid der Führungsvorrichtung mit einem Überdruck (gegenüber der Umgebung der Führungsvorrichtung) zugeleitet wird; dieser Überdruck verhindert ein Eindringen des Bohrkleins.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform ist das Abstützelement in einer Führung des Gehäuses gelagert, wobei vorgesehen sein kann, dass sich das Abstützelement im ausgelenkten Zustand zumindest mit seinen Außenkanten noch innerhalb der Führung befindet. Der Spalt, durch den Bohrklein unter das Abstützelement dringen kann, kann dadurch auf ein geringes Maß reduziert werden. Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass ein definierter (kleiner) Teil des Fluids, mit dem das Abstützelement unterspült wird, durch diesen Spalt ausgetragen wird, wodurch wiederum ein Eindringen von Bohrklein verhindert und eine sichere Beweglichkeit des Abstützelements in der Führung gewährleistet werden kann.
Durch eine geeignete Wahl des Querschnitts (bezogen auf die Längsrichtung der Führungsvorrichtung bzw. der Bohrvorrichtung) des Abstützelements können verschiedene Vorteile erreicht werden. Bei einem asymmetrischen Querschnitt kann erreicht werden, dass das Abstützelement eine besonders gute Abstützung des Gehäuses in einer Drehrichtung in Verbindung mit einer leichten Einfahrbarkeit in der anderen Drehrichtung aufweist. Ein symmetrischer Querschnitt kann sich durch eine einfache Einfahrbarkeit in beide Drehrichtung auszeichnen, wobei gegebenenfalls Einbußen bei der Abstützungsfähigkeit in Kauf genommen werden müssen.
Unter „gebogenem Abschnitt“ des Gehäuses wird ein Abschnitt verstanden, bei dem die Längsachse des Abschnitts keine durchgängige Gerade ausbildet, sondern beispielsweise eine konstante Krümmung oder zwei in einem Winkel zueinander angeordnete Abschnitte. Ein solcher gebogener Abschnitt des Gehäuses kann - im Vergleich zu anderen Ablenkmitteln - einfach herstellbar und wartungsarm sein.
Selbstverständlich ist es auch möglich, die Ablenkmittel in Form eines Abschnitts des Gehäuses mit asymmetrischem Querschnitt oder durch das außenseitige Anordnen eines sogenannten Ablenkschuhs auszubilden, wobei die asymmetrische Ausbildung des Gehäuses gegebenenfalls mit einem erhöhten Herstellungsaufwand und die Anordnung eines Ablenkungsschuhs mit einem erhöhten Wartungsaufwand verbunden sein kann.
Der Abschnitt der Welle, der innerhalb des gebogenen Abschnitts des Gehäuses angeordnet ist, ist vorzugsweise biegeflexibel und insbesondere biegeelastisch ausgebildet, so dass dieser die durch die Relativrotation innerhalb des gebogenen Abschnitts des Gehäuses erzeugte Biege-Wechselbelastung mit einer ausreichenden Lebensdauer ertragen kann.
Zur biegeflexiblen Ausbildung des Abschnitts der Welle können sämtliche aus dem Stand der Technik bekannten Maßnahmen herangezogen werden. Hierunter fällt insbesondere ein im Vergleich zu den übrigen Abschnitten der Welle reduzierter Außendurchmesser, durch den das Widerstandsmoment reduziert wird. Um auch über diesen Abschnitt der Welle weiterhin die erforderlichen Druckkräfte und Drehmomente übertragen zu können, kann dabei der reduzierte Außendurchmesser beispielsweise durch eine erhöhte Wandstärke dieses Abschnitt ausgeglichen werden. Ein solcher Abschnitt der Welle wäre biegeelastisch, wenn durch die Biegung eine entsprechende Rückstellwirkung bewirkt würde. Ein biegeflexibler, jedoch nicht biegeelastischer Abschnitts kann durch die Ausbildung einer Gliederwelle erzielt werden. Diese besteht aus einer Vielzahl von gelenkig miteinander verbundenen Gliedern, bei denen die Verbindung so ist, dass die einzelnen kleinen Abschnitte nicht in längsaxialer Richtung zueinander verschoben und nicht gegeneinander (um die Längsachse der Gliederwelle) verdreht werden können, jedoch jeweils um eine Achse, die senkrecht zu der Längsachse der Gliederwelle angeordnet ist, zueinander verschwenkt werden können, wodurch die Biegeflexibilität erreicht wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Führungsvorrichtung kann vorgesehen sein, dass zumindest ein Abschnitt des biegeflexiblen Abschnitts der Welle in einer exzentrischen Bohrung des Gehäuses angeordnet ist. Dadurch kann einseitig in dem Gehäuse Platz für eine relativ große Aufnahme(öffnung) geschaffen werden, die insbesondere der Aufnahme eines Senders (zur Lokalisierung der Bohrvorrichtung im Erdreich und/oder der Verrollung des Gehäuses) dienen kann. Der biegeflexible Abschnitt der Welle ist im montierten Zustand vorzugsweise so innerhalb der Bohrung positioniert, dass dieser bezogen auf das Gehäuse zentrisch angeordnet ist. Die exzentrische Bohrung des Gehäuses muss dazu einen größeren Durchmesser als der Abschnitt des biegeflexiblen Abschnitts der Welle aufweisen, der innerhalb dieser Bohrung angeordnet ist. Dieser größere Durchmesser kann dann eine Montierbarkeit des biegeflexiblen Abschnitts der Welle ermöglichen, beispielsweise wenn dieser als separates Bauteil mit endseitigen Verbindungsmitteln ausgebildet ist, der vorder- und/oder rückseitig mit biegesteifen Abschnitten der Welle verbunden wird. Diese Verbindungsmittel weisen aus konstruktiven oder Haltbarkeitsgründen regelmäßig einen größeren Durchmesser auf, als der Rest des biegeflexiblen Abschnitts, so dass durch den relativ großen Durchmesser der exzentrischen Bohrung eine Montage des biegeflexiblen Abschnitts trotz im Durchmesser größerer Verbindungsmittel möglich ist.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, das die Anschlussmittel für das Bohrgestänge aufweisende Ende der Führungsvorrichtung mit Schneidelementen und/oder einem Aufweitkonus zu versehen, die einen Räumer ausbilden, der die Bohrung beim Zurückziehen der Bohrvorrichtung säubert. Dabei kann vorgesehen sein, die Welle und somit den Räumer mittels des Bohrgestänges zu rotieren, während das Gehäuse der Führungsvorrichtung still steht oder zumindest nicht an die Rotation der Welle gekoppelt ist.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, das die Anschlussmittel für das Bohrgestänge aufweisende Ende der Führungsvorrichtung mit Schneidelementen und/oder einem Aufweitkonus zu versehen, die einen Räumer ausbilden, der die Bohrung beim Zurückziehen der Bohrvorrichtung säubert. Dabei kann vorgesehen sein, die Welle und somit den Räumer mittels des Bohrgestänges zu rotieren, während das Gehäuse der Führungsvorrichtung still steht oder zumindest nicht an die Rotation der Welle gekoppelt ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigt:

1: eine erfindungsgemäße Führungsvorrichtung in einer ersten Ausführungsform in einer Seitenansicht;
2: die Führungsvorrichtung der 1 in einer geschnittenen Seitenansicht entlang der Schnittebene II - II;
3: einen ersten Ausschnitt der 2 in einer vergrößerten Darstellung;
4: einen zweiten Ausschnitt der 2 in einer vergrößerten Darstellung;
5: eine erfindungsgemäße Bohrvorrichtung mit einer Führungsvorrichtung in einer zweiten Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht;
6: eine vergrößerte Darstellung eines Abschnitts der Welle der Führungsvorrichtung der 5 in einer perspektivischen Ansicht;
7: eine vergrößerte Darstellung eines ersten Abschnitts des Gehäuses der Führungsvorrichtung der 5 in einer perspektivischen Ansicht;
8: einen Längsschnitt durch den ersten Abschnitt des Gehäuses und den entsprechenden Abschnitt der Welle in einer ersten Betriebsstellung der Führungsvorrichtung der 5;
9: einen Längsschnitt durch den ersten Abschnitt des Gehäuses und den entsprechenden Abschnitt der Welle in einer zweiten Betriebsstellung der Führungsvorrichtung der 5;
10: einen Teilquerschnitt durch den ersten Abschnitt des Gehäuses der Führungsvorrichtung der 5;
11: einen Längsschnitt durch einen zweiten Abschnitt des Gehäuses und den entsprechenden Abschnitt der Welle in einer ersten Betriebsstellung der Führungsvorrichtung der 5;
12: einen Längsschnitt durch den zweiten Abschnitt des Gehäuses und den entsprechenden Abschnitt der Welle in einer zweiten Betriebsstellung der Führungsvorrichtung der 5;
13: einen Abschnitt der Welle der Führungsvorrichtung der 5 in einer perspektivischen Ansicht;
14: eine Kupplungshülse der Führungsvorrichtung der 5 in einer perspektivischen Ansicht;
15: einen Längsschnitt durch einen dritten Abschnitt des Gehäuses und den entsprechenden Abschnitt der Welle der Führungsvorrichtung der 5;
16: einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Führungsvorrichtung mit asymmetrischen Klemmleisten; und
17: einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Führungsvorrichtung mit symmetrischen Klemmleisten.

Die 1 bis 4 zeigen eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Führungsvorrichtung. Die Führungsvorrichtung umfasst ein mehrteiliges Gehäuse und eine ebenfalls mehrteilige, rotierbar innerhalb des Gehäuses gelagerte Welle. Vorder- und endseitig ist die Welle jeweils mit einem Innengewinde 1, 2 versehen, in das ein entsprechendes Außengewinde eines nicht dargestellten Bohrkopfs (vorderseitig) und ein entsprechendes Außengewinde eines nicht dargestellten Bohrgestänges (endseitig) eingeschraubt werden kann. Die Welle besteht aus insgesamt sieben Abschnitten, die über Schraubverbindungen miteinander verbunden sind. Ein erster Abschnitt 3 der Welle weist einseitig das bereits beschriebene Innengewinde zur Verbindung mit dem Bohrgestänge und an dem gegenüberliegenden Ende ebenfalls ein Innengewinde auf, in das ein Außengewinde des zweiten Abschnitts 4 der Welle eingeschraubt werden kann. An dem dem Außengewinde gegenüberliegenden Ende ist der zweite Abschnitt 4 der Welle innerhalb einer Führungsbuchse 5 des dritten Abschnitts 6 der Welle in längsaxialer Richtung verschiebbar geführt, wobei die Führung so ausgebildet ist, dass ein Drehmoment zwischen dem zweiten und dem dritten Abschnitt der Welle übertragen werden kann. Der dritte Abschnitt 6 der Welle ist mit dem vierten Abschnitt 7 der Welle wiederum über eine Schraubverbindung verbunden. Eine ebensolche Verbindung besteht zwischen dem vierten 7 und dem fünften Abschnitt 8, dem fünften 8 und dem sechsten Abschnitt 9, und dem sechsten 9 und dem siebten Abschnitt 10 der Welle.
Das Gehäuse besteht aus insgesamt acht Abschnitten, die auf unterschiedliche Art und Weise miteinander verbunden sind. Der erste Abschnitt 11 des Gehäuses stützt sich über ein Axiallager 12 in längsaxialer Richtung an dem ersten Abschnitt 3 der Welle ab. Der erste Abschnitt 11 des Gehäuses ist als Führungsbuchse ausgebildet, auf der der zweite Abschnitt 13 des Gehäuses in längsaxialer Richtung verschiebbar angeordnet ist. In einem von dem ersten und dem zweiten Abschnitt des Gehäuses ausgebildeten ringförmigen Raum befindet sich eine Tellerfederpackung 14, die durch ein Verschieben des ersten 11 gegenüber dem zweiten Abschnitt 13 des Gehäuses in einer Richtung, bei der sich diese aufeinander zu bewegen, komprimiert wird. Der dritte Abschnitt 15 des Gehäuses ist so angeordnet, dass sowohl der erste 11 als auch der zweite Abschnitt 13 des Gehäuses relativ zu diesem in längsaxialer Richtung verschoben werden können.
Eine Verbindung zwischen dem dritten 15 und dem zweiten Abschnitt 13 des Gehäuses erfolgt über insgesamt 5 Blattfedern 16, die bogenförmig nach außen vorgespannt sind und jeweils endseitig um einen Befestigungsstift 17 des zweiten 13 und des dritten Abschnitts 15 des Gehäuses gewickelt sind. Bei einer Relativverschiebung des zweiten 13 gegenüber dem dritten Abschnitt 15 des Gehäuses, bei der diese aufeinander zu bewegt werden, werden die Blattfedern 16 radial nach außen ausgelenkt, wodurch diese gegen die das Gehäuse umgebende Bohrlochwandung gedrückt werden.
Der vierte Abschnitt 18 des Gehäuses ist über eine Schraubverbindung mit dem dritten Abschnitt 15 verbunden. Eine entsprechende Verbindung ist zwischen dem vierten 18 und dem fünften Abschnitt 19 des Gehäuses vorgesehen.
In den fünften Abschnitt 19 des Gehäuses ist eine Vertiefung 20 integriert, die der Aufnahme eines Verrollungssensors (nicht dargestellt) dient. Über den Verrollungssensor soll der Rollwinkel bestimmt werden, den das Gehäuse innerhalb des Erdreichs einnimmt. Die konstruktive Ausgestaltung und die Funktionsweise derartiger Verrollungssensoren sind im Stand der Technik hinreichend bekannt. Die Vertiefung 20 zur Aufnahme des Verrollungssensors wird über einen Deckel 21 verschlossen, der über Schrauben 22 an dem Gehäuse fixiert wird.
An den fünften Abschnitt 19 schließt sich ein sechster Abschnitt 23 des Gehäuses an, der mit diesem verschweißt ist. Die Verbindung zwischen dem fünften 19 und dem sechsten Abschnitt 23 ist winkelig ausgebildet, so dass die Längsachse des fünften 19 und die Längsachse des sechsten Abschnitts 23 des Gehäuses nicht koaxial bzw. parallel sind, sondern einen (kleinen spitzen) Winkel einschließen. Der fünfte 19 und der sechste Abschnitt 23 des Gehäuses bilden zusammen einen „gebogenen Abschnitt“ aus, über den eine Seitenkraft erzeugt wird, die zu einer für eine Steuerung der Bohrvorrichtung genutzten Ablenkung führt.
Der sechste 23 und der sich daran anschließende siebte Abschnitt 24 des Gehäuses sind wiederum über eine Schraubverbindung miteinander verbunden. Gleiches gilt für die Verbindung zwischen dem siebten 24 und dem achten Abschnitt 25 des Gehäuses.
Die Funktionsweise der in den 1 bis 4 dargestellten Führungsvorrichtung ist folgendermaßen. Über ein mit dem ersten Abschnitt 3 der Welle verbundenes Bohrgestänge und die Welle selbst wird ein an dem siebten Abschnitt 9 der Welle befestigter Bohrkopf rotierend angetrieben und mit den für ein Vortrieb im Erdreich oder Gestein erforderlichen Druckkräften belastet. Die von der mehrteiligen Welle übertragenen Druckkräfte führen dazu, dass zwei zylindrische Schraubenfedern 26, über die sich der zweite Abschnitt 4 der Welle an dem dritten Abschnitt 6 der Welle abstützt, komprimiert werden, wodurch es zu einer Relativverschiebung dieser zwei Abschnitte der Welle zueinander kommt. Diese Relativverschiebung bewirkt, dass an dem zweiten Abschnitt 4 der Welle angeordnete Mitnehmer 27 aus einem Kontakt mit korrespondierenden Mitnehmern 28, die innenseitig an dem vierten Abschnitt 18 des Gehäuses vorgesehen sind, gebracht werden. Diese Mitnehmer 27, 28 des zweiten Abschnitts 4 der Welle bzw. des vierten Abschnitts 18 des Gehäuses dienen dazu, eine Rotation der Welle auf das Gehäuse zu übertragen, wenn die Welle mit keinen oder lediglich geringen Druckkräften belastet wird. Sobald die Mitnehmer 27, 28 der Welle bzw. des Gehäuses aus ihrem Eingriff gebracht worden sind, besteht keine drehfeste Verbindung zwischen der Welle und dem Gehäuse mehr, so dass die Welle und der daran befestigte Bohrkopf rotierend angetrieben werden können, ohne dass es zu einer entsprechenden Rotation des Gehäuses kommt.
Durch die Relativverschiebung des ersten 3 und zweiten Abschnitts 4 der Welle zu den übrigen Abschnitten der Welle bzw. zu dem dritten bis achten Abschnitt des Gehäuses werden zudem die Blattfedern 16 ausgelenkt. Entgegen der Rückstellkräfte der Tellerfederpackung 14 wird der in längsaxialer Richtung an dem ersten Abschnitt der Welle abgestützte erste Abschnitt 11 des Gehäuses in Richtung des Bohrkopfs verschoben. Die dadurch erhöhte Vorspannung der Tellerfederpackung bewirkt wiederum ein Verschieben des zweiten Abschnitts 13 des Gehäuses in Richtung des Bohrkopfs. Dadurch wird der Abstand zwischen dem zweiten 13 und dem dritten Abschnitt 15 des Gehäuses verringert, wodurch die bogenförmig vorgespannten Blattfedern 16 radial nach außen ausgelenkt werden.
Wie bereits beschrieben wurde, wird der Bohrkopf im Bohrbetrieb über die Welle der Führungsvorrichtung und das Bohrgestänge rotierend angetrieben und mit einer Druckkraft belastet, die dazu führt, dass die zylindrischen Schraubenfedern 26, die den zweiten 4 und den dritten Abschnitt 6 der Welle gegeneinander abstützen, soweit komprimiert werden, dass die Mitnehmer 27, 28 sich nicht mehr im Eingriff befinden. Dadurch wird die Rotation der Welle nicht auf das Gehäuse übertragen und es folgt ein Vortrieb der Bohrvorrichtung in einem bogenförmigen Verlauf durch das Erdreich oder Gestein. Für ein Geradeaus-Bohren wird die Rotation bereits nach einem kurzen Bohrfortschritt unterbrochen und die Druckbelastung auf den Bohrkopf soweit reduziert, dass durch die Rückstellkräfte der zylindrischen Schraubenfedern 26 die Mitnehmer 27 des zweiten Abschnitts 4 der Welle in Eingriff mit den Mitnehmern 28 des vierten Abschnitts 18 des Gehäuses gebracht werden. Die Welle kann mittels der nicht dargestellten Antriebsvorrichtung daraufhin um einen definierten Winkel (beispielsweise 90°) rotiert werden, wobei das Gehäuse durch den Eingriff der Mitnehmer mitrotiert wird. Daraufhin werden die Druckkräfte auf den Bohrkopf wieder erhöht, wodurch die von den Mitnehmern 27, 28 ausgebildeten Kupplungsmittel gelöst werden. Der Bohrkopf kann daraufhin wieder rotierend um eine geringe Distanz vorgetrieben werden, ohne dass das Gehäuse mitrotiert wird. Daraufhin folgt eine erneute Unterbrechung des Bohrvortriebs und ein erneutes Rotieren des Gehäuses um weitere 90°. Diese zyklische Vorgehensweise wird entsprechend fortgesetzt. Die Abweichungen von dem geraden Bohrverlauf, die sich jeweils während des Bohrvortriebs ergeben, werden durch das zyklische Mitrotieren des Gehäuses ausgeglichen; dadurch ergibt sich ein im Mittel gerader Bohrverlauf.
Sofern eine Umsteuerung der Bohrrichtung vorgesehen ist, wird das Gehäuse durch ein Schließen der Kupplungsmittel an die Rotation der Welle gekoppelt und bezüglich seines gebogenen Abschnitts in eine definierte, der neuen Bohrrichtung entsprechenden Position gebracht, die über den Verrollungssensor kontrolliert werden kann. Daraufhin werden die Kupplungsmittel wieder gelöst und die Bohrvorrichtung durch einen rotierenden Antrieb des Bohrkopfs soweit vorgetrieben, bis die gewünschte neue Bohrrichtung erreicht ist.
Die einzelnen Abschnitte der Welle, mit Ausnahme des vierten Abschnitts 7, sind jeweils mit einer zentralen Bohrung versehen. Diese dienen dazu, eine Bohrflüssigkeit, die über ein ebenfalls hohles Bohrgestänge zugeführt werden kann, bis zu dem Bohrkopf zu leiten, wo diese durch entsprechende Öffnungen in das Erdreich ausgebracht werden kann. Die Bohrflüssigkeit dient hauptsächlich dazu, den Bohrkopf zu kühlen, den Kontakt des Bohrkopfs mit dem Bohrgrund zu schmieren und das abgetragene Bohrklein durch den ringförmigen Spalt zwischen der Führungsvorrichtung beziehungsweise dem Bohrgestänge und der Bohrlochwandung auszuschwemmen. Der vierte Abschnitt 7 der Welle ist nicht mit einer zentralen Durchgangsbohrung versehen, sondern als Vollwelle ausgebildet. In diesem Bereich der Führungsvorrichtung wird die Bohrflüssigkeit durch einen zwischen dem vierten Abschnitt 7 der Welle und dem fünften 19 beziehungsweise sechsten Abschnitt 23 des Gehäuses ausgebildeten ringförmigen Spalt 30 geführt. Der dritte 6 und der fünfte Abschnitt 8 der Welle sind hierfür mit mehreren Querbohrungen 29 versehen, über die die Bohrflüssigkeit von der zentralen Bohrung in den ringförmigen Spalt 30 überführt werden kann.
Die besondere Ausbildung des vierten Abschnitts 7 der Welle dient dazu, diesen biegeelastisch auszubilden, so dass dieser die durch den bogenförmigen Verlauf des Gehäuses beim Übergang von dem fünften 19 zu dem sechsten Abschnitt 23 des Gehäuses und die Relativrotation der Welle zu dem Gehäuse bedingte Biegewechselbelastung in ausreichendem Maße ertragen kann. Hierzu ist der vierte Abschnitt 7 der Welle mit einem reduzierten Außendurchmesser ausgebildet, durch den im Vergleich zu den Querschnitten der übrigen Abschnitten der Welle ein reduziertes Widerstandsmoment erreicht wird.
In einer alternativen, in den Figuren nicht dargestellten Ausführungsform kann vorgesehen sein, einen geradlinigen Bohrvortrieb dadurch zu erreichen, dass durch ein Schließen der Kupplungsmittel die Rotation der Welle permanent (d.h. solange geradeaus gebohrt werden soll) auf das Gehäuse übertragen wird. Dann wird lediglich zum Umsteuern der Bohrrichtung die Rotation der Welle und des damit gekoppelten Gehäuses in der definierten Ausrichtung unterbrochen und die Kupplungsmittel gelöst. Daraufhin werden ausschließlich die Welle und der Bohrkopf solange rotierend angetrieben, bis die gewünschte neue Bohrrichtung erreicht wurde. Gegenüber der anhand der 1 bis 4 beschriebenen Ausführungsform weist diese alternative Ausführungsform den Nachteil auf, dass durch die Mitnahme des Gehäuses durch die Welle während des Geradeausbohrens, wobei hohe Drehzahlen des Bohrkopfs erforderlich sind, große Relativgeschwindigkeiten zwischen dem Gehäuse und der Bohrlochwandung vorliegen, die zu einem erheblichen Verschleiß führen können. Gegebenenfalls ist es jedoch möglich, durch eine entsprechende Ausgestaltung und/oder das Vorsehen reibungsmindernder Zusätze den dadurch bedingten Verschleiß auf ein tolerierbares Maß zu senken.
Die 5 bis 15 zeigen eine erfindungsgemäße Führungsvorrichtung in einer zweiten Ausführungsform mit einem daran befestigten Bohrkopf. Diese Führungsvorrichtung unterscheidet sich in den nachfolgend beschriebenen Ausgestaltungen und Funktionen von der bereits beschriebenen ersten Ausführungsform.
Die Führungsvorrichtung umfasst wiederum eine mehrteilige Welle 100, die sich durch ein ebenfalls mehrteiliges Gehäuse erstreckt. Am hinteren Ende der Welle 100 ist ein Innengewinde 101 vorgesehen, das der Verbindung mit einem nicht dargestellten Bohrgestänge dient. Das vordere Ende der Welle 100 ist ebenfalls mit einem Innengewinde versehen, in das ein Bohrkopf 131, der als sogenannter Rollenbohrkopf ausgebildet ist, eingeschraubt ist.
Der hinterste Abschnitt der Welle 100 ist mit einem konischen Aufweitelement 132 versehen (vgl. auch 6), das zusätzlich mit einer Vielzahl von stiftförmigen Schneidelementen 133 versetzt ist. Diese sind in Gruppen von drei angeordnet, wobei die drei Schneidelemente 133 jeder Gruppe schräg (bezogen auf die Längsachse der Führungsvorrichtung) hintereinander positioniert sind. Das konische Aufweitelement 132 und die Schneidelemente 133 bilden zusammen einen rückseitigen Räumer aus, der dazu dient, die Bohrung beim Zurückziehen der Bohrvorrichtung zu säubern. Dadurch, dass der Räumer an der Welle 100 befestigt ist, kann dieser - zusammen mit der Welle - durch das Bohrgestänge während des Zurückziehens rotierend angetrieben werden, ohne dass das Gehäuse der Führungsvorrichtung mitrotiert wird.
In den sich an den Räumer anschließenden ersten Abschnitt 111 des Gehäuses (Klemmeinheit) sind insgesamt 5 Abstützelemente integriert, die als hydraulisch betätigte Klemmleisten 134 ausgebildet sind. Details zu diesen Klemmleisten 134 sowie zu deren Integration in die Führungsvorrichtung sind in den 7 bis 10 dargestellt.
Die Klemmleisten 134 weisen einen asymmetrischen Querschnitt (bezogen auf die Längsachse der Führungsvorrichtung) auf, dessen Funktion noch erläutert werden wird.
Jede der Klemmleisten 134 ist in einer eigenen Vertiefung des ersten Gehäuseabschnitts 111 angeordnet, in der diese vollständig versenkbar ist (vgl. 8). Jede der Klemmleisten 134 ist über Bolzen 135 mit insgesamt fünf Kolben 136 verbunden, die in entsprechend in dem ersten Gehäuseabschnitt 111 ausgeformten Zylindern beweglich gelagert sind. Die Unterseiten der Kolben 135 sind einer gemeinsamen (für alle Klemmleisten 134) Druckkammer 137 zugewandt, durch die Bohrflüssigkeit, die der Bohrvorrichtung zugeführt wird, geleitet wird. Die Druckkammer 137 ist ein Zwischenraum, der zwischen der Innenseite des ersten Gehäuseabschnitts 111 und dem entsprechenden Abschnitt der Welle 100 gebildet ist. Dieser Abschnitt der Welle 100 ist dazu mit einem verringerten Durchmesser ausgebildet. Die Bohrflüssigkeit wird der Druckkammer über eine schräge Abzweigung von einer zentralen Bohrung der Welle 100 zu- bzw. auf über eine entsprechende schräge Abzweigung wieder abgeführt. Dichtringe 138 zu beiden Seiten der Druckkammer 137 verhindern dabei ein ungewolltes Austreten der Bohrflüssigkeit. Die Unterseiten der Kolben 135 werden demnach mit dem Druck der Bohrflüssigkeit beaufschlagt. Dieser Druck erzeugt eine Kraft, die - eine ausreichende Höhe vorausgesetzt - ein Ausfahren der Klemmleisten 134 bis zu der in der 9 dargestellten Endlage bewirkt. Das Ausfahren der Klemmleisten 134 erfolgt dabei entgegen der Kraft von zwei Tellerfederpackungen 139 (je Klemmleiste), deren Vorspannung der Auslenkbewegung der Klemmleiste entgegenwirkt.
In dem Teilquerschnitt der 10 ist erkennbar, dass über jeweils einen Kanal 140 eine Verbindung zwischen der Druckkammer und jedem der Freiräume 141, der zwischen dem Grund jeder der Vertiefungen und der Unterseite der entsprechenden Klemmleiste 134 gebildet ist. Das Volumen dieser Freiräume 141 ändert sich in Abhängigkeit von der jeweiligen Auslenkung der Klemmleisten 134. Über die Kanäle 140 (zu jeder Klemmleiste existieren zwei Kanäle 140) wird ein Teil der Bohrflüssigkeit auch in die Freiräume 141 geleitet. Durch den relativ hohen Druck der Bohrflüssigkeit wird so verhindert, dass Bohrklein oder sonstige Verschmutzungen durch den zwischen den Klemmleisten 134 in den Rändern der Vertiefungen ausgebildeten Spalten eindringt; dadurch könnte ansonsten die Bewegung der Klemmleisten 134 behindert werden. Zudem wird durch eine entsprechend tolerante Fertigung der Klemmleisten 134 bzw. der Vertiefungen erreicht, dass ein kleiner Teil der den Freiraum 141 durchströmenden Bohrflüssigkeit durch den Spalt zwischen den Klemmleisten 134 und der jeweiligen Vertiefung austritt; diese „Leckage“ von Bohrflüssigkeit verhindert ebenfalls ein Eindringen von Verschmutzungen und schmiert zudem die Bewegung der Klemmleisten 134 in den Vertiefungen.
In den sich an den ersten Abschnitt anschließenden zweiten Gehäuseabschnitt 113 (Kupplungsgehäuse) sind Kupplungsmittel integriert, mittels denen bedarfsweise eine drehfeste Verbindung zwischen der Welle 100 und dem Gehäuse hergestellt werden kann. Die Kupplungsmittel umfassen eine Kupplungshülse 142, die zwischen dem Gehäuse und der Welle 100 angeordnet ist und zwischen einer ersten und einer zweiten Position in längsaxialer Richtung zu sowohl dem Gehäuse als auch der Welle 100 verschiebbar ist. Die Kupplungshülse 142 weist auf ihrem Umfang in regelmäßiger Teilung insgesamt acht Radialbohrungen 143 auf, die der Aufnahme jeweils einer (Stahl-)Kugel 144 dienen, über die eine drehfeste Verbindung zwischen der Kupplungshülse 142 und der Welle 100 herstellbar ist. Die Kugeln 144 werden im montierten Zustand der Kupplungshülse 142 über einen Distanzring 145 in eine komplexe Nut 146 in der Außenseite der Welle 100 (vgl. 13) gedrückt. Diese Nut 146 ist zum einen umlaufend ausgebildet und weist zum anderen insgesamt acht längsaxial ausgerichtete Fortsätze auf, in die die Kugeln durch ein Verschieben der Kupplungshülse 142 auf der Welle 100 eingerückt werden können. Wenn die Kugeln 144 in die Fortsätze eingerückt sind (erste Position - vgl. 11), verhindern diese eine Drehung der Kupplungshülse 142 relativ zu der Welle 100. Das Einrücken der Kugeln 144 wird durch eine vorgespannte zylindrische Schraubenfeder 147 bewirkt, die sich über einen Adapterring 148 an dem vorderen Ende der Kupplungshülse 142 abstützt.
Das Verschieben der Kupplungshülse 142 von der ersten Position in die zweite Position (vgl. 12) erfolgt über den Druck der Bohrflüssigkeit entgegen der Kraft der Schraubenfeder 147. Die Bohrflüssigkeit wird hierzu über zwei Querbohrungen 149 von der zentralen Bohrung 150 in der Welle 100 in einen Ringraum 151 geführt, der zwischen einem Abschnitt der Innenseite des Gehäuses und der hinteren Endfläche der Kupplungshülse 142 ausgebildet ist. In der zweiten Position der Kupplungshülse 142 befinden sich die Kugeln 144 in dem umlaufenden Teil der Nut 146, so dass diese eine Relativdrehung zwischen der Kupplungshülse 142 und der Welle 100 nicht verhindern.
Der vordere Abschnitt der Kupplungshülse 142 ist (in längsaxialer Richtung) verschiebbar in einer Mitnehmerhülse 152 geführt, die über Schrauben 153 mit dem Gehäuse fest verbunden ist. Die Mitnehmerhülse 152 bildet in einem Abschnitt ein Innen-Sechskantprofil und die Kupplungshülse 142 in einem Abschnitt ein Außen-Sechskantprofil (vgl. 14) aus. Die Sechskantprofil-Abschnitte der Kupplungs- 142 und der Mitnehmerhülse 152 greifen in den beiden Betriebspositionen der Kupplungshülse 142 ineinander, so dass zwischen der Kupplungshülse 142 und dem Gehäuse (über die Mitnehmerhülse 152) eine drehfeste Verbindung gegeben ist. In der ersten Betriebsposition der Kupplungshülse 142, in der über die Kugeln 144 auch eine drehfeste Verbindung zwischen der Kupplungshülse 142 und der Welle 100 gegeben ist, wird somit eine Drehung der mit dem Bohrgestänge verbundenen Welle 100 auf das Gehäuse übertragen.
An den zweiten Gehäuseabschnitt 113 schließt sich ein dritter Gehäuseabschnitt 115 (Sendergehäuse) an, in den zum einen ein biegeflexibler Abschnitt 107 der Welle und zum anderen eine Vertiefung 120 zur Aufnahme eines Verrollungssensors 123 integriert ist. Die 15 zeigt einen Längsschnitt durch den entsprechenden Abschnitt der Führungsvorrichtung. Die Vertiefung für den Verrollungssensor 123 ist so tief ausgeführt, dass diese sowohl den Verrollungssensor 123 selbst als auch einen Deckel 121, mit dem die Vertiefung 120 nach außen verschlossen wird, aufnehmen kann. Ein überstehender Deckel, der zu einer Verengung in der Bohrung führen würde, kann dadurch vermieden werden. Dadurch, dass sich die Vertiefung 120 für den Verrollungssensor 123 bis tief in das Gehäuse erstreckt, ist der biegeflexible Abschnitt 107 der Welle 100, dessen Abmessungen im Wesentlichen von den erforderlichen Biege- und Torsionseigenschaften abhängen und somit nicht beliebig veränderbar sind, nur durch eine dünne Wand von dem Verrollungssensor 123 getrennt.
Der biegeflexible Abschnitt 107 der Welle 100 weist an seinen beiden Ende jeweils ein Außengewinde auf, über die dieser mit den benachbarten Abschnitten der Welle 100, die vergleichsweise biegesteif ausgebildet sind, verschraubt ist. Aus Haltbarkeitsgründen muss der Durchmesser dieser Gewindeenden größer sein als der mittlere Teil des biegeflexiblen Abschnitts. Dies erfordert einen entsprechend großen Durchmesser der in dem Gehäuse zur Aufnahme des biegeflexiblen Abschnitts 107 vorgesehenen Längsbohrung 154, um den biegeflexiblen Abschnitt 107 montieren zu können. Eine zentrische Anordnung dieser Längsbohrung 154 hätte zu einer Überschneidung mit der Vertiefung 120 für den Verrollungssensor 123 geführt, so dass die Längsbohrung 154 leicht exzentrisch angeordnet ist. Der biegeflexible Abschnitt 107 der Welle 100 ist im montierten Zustand jedoch zentrisch innerhalb des Gehäuses angeordnet.
Die Verbindung zwischen dem dritten 115 und einem vierten Abschnitt 118 des Gehäuses ist winkelig ausgeführt, wie es sich aus der 15 ergibt. Dadurch kann - wie bei der Ausführungsform gemäß den 1 bis 4 - die gewünschte Steuerbarkeit der Bohrvorrichtung erreicht werden.
In den sich an den vierten Abschnitt 118 anschließenden fünften Abschnitt 119 des Gehäuses (vordere Lagereinheit) ist eine Lagerung für die Welle integriert, die so ausgelegt ist, dass sie die teils erheblichen Biegemomente, die von dem benachbarten Bohrkopf 131 auf die Welle 100 übertragen werden, abstützen kann.
Die 16 und 17 zeigen exemplarisch unterschiedliche Querschnitte für die Klemmleisten 234, 334, wie sie bei der Führungsvorrichtung gemäß den 5 bis 15 eingesetzt werden können. Die 16 zeigt (wie auch die 5 und 7) Klemmleisten 234, die einen asymmetrischen Querschnitt aufweisen. Durch einen solchen Querschnitt kann in einer Drehrichtung eine besonders gute Abstützung des Gehäuses in der Bohrlochwandung erreicht werden, während in der entgegengesetzten Drehrichtung das Einfahren der Klemmleisten 234 unterstützt wird. Die in der 17 dargestellten Klemmleisten 334 weisen einen symmetrischen Querschnitt auf, bei dem die Einfahrbarkeit der Klemmleisten in beiden Drehrichtungen leicht möglich ist.

Claims

Führungsvorrichtung für eine Bohrvorrichtung mit einem Gehäuse mit Ablenkmitteln zur Erzeugung einer Seitenkraft und einer innerhalb des Gehäuses drehbar gelagerten Welle (100), wobei die Welle (100) an einem ersten Ende Anschlussmittel zur Verbindung mit einem Bohrgestänge und an einem zweiten Ende Anschlussmittel zur Verbindung mit einem Bohrkopf (131) aufweist, und wobei Kupplungsmittel zur Verbindung der Welle (100) mit dem Gehäuse vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungsmittel für eine bedarfsweise drehfeste Verbindung ausgestaltet sind zur Neutralisierung der von den Ablenkmitteln bewirkten Ablenkung, wobei die Ablenkmittel in Form eines gebogenen Abschnitts des Gehäuses ausgebildet sind.
Führungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch hydraulisch, vorzugsweise mittels einer Bohrspülung betätigte Kupplungsmittel.
Führungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungsmittel entgegen der Kraft eines Federelements betätigt werden.
Führungsvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zwischen der Welle (100) und dem Gehäuse angeordnete Kupplungshülse (142), die zu der Welle (100) und/oder dem Gehäuse zwischen einer ersten und einer zweiten Position in längsaxialer Richtung verschiebbar ist, wobei die Kupplungshülse (142) in der ersten Position mit der Welle (100) und/oder dem Gehäuse drehfest verbunden ist und die Kupplungshülse (142) in der zweiten Position relativ zu der Welle (100) und/oder dem Gehäuse drehbar ist.
Führungsvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens ein gegen eine Bohrlochwandung auslenkbares Abstützelement.
Führungsvorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstützelement hydraulisch, vorzugsweise mittels einer Bohrspülung ausgelenkt wird.
Führungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstützelement entgegen der Kraft eines Federelements ausgelenkt wird.
Führungsvorrichtung gemäß Anspruch 3 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungsmittel und das Abstützelement mittels des gleichen Mediums gesteuert werden, wobei die Steuerung der Kupplungsmittel bei einem niedrigeren Druck erfolgt als die des Abstützelements.
Führungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstützelement zumindest im ausgelenkten Zustand mittels eines Fluids, vorzugsweise mittels der Bohrflüssigkeit unterspült wird.
Führungsvorrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstützelement auch im ausgelenkten Zustand in einer Führung des Gehäuses angeordnet ist und dass ein definierter Teil des Fluids durch den zwischen dem Abstützelement und der Führung ausgebildeten Spalt ausgetragen wird.
Führungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstützelement einen asymmetrischen Querschnitt aufweist.
Führungsvorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Abschnitt (107) der Welle (100), der innerhalb des gebogenen Abschnitts verläuft, biegeflexibel ausgebildet ist.
Führungsvorrichtung gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Abschnitt des biegeflexiblen Abschnitts (107) der Welle (100) in einer exzentrischen Längsbohrung (154) angeordnet ist.
Führungsvorrichtung gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der exzentrischen Längsbohrung (154) eine Aufnahme für einen Sender in das Gehäuse integriert ist.
Führungsvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Anschlussmittel zur Verbindung mit dem Bohrgestänge aufweisende Ende der Welle (100) mit Schneidelementen (133) besetzt ist.
Bohrvorrichtung mit einem Bohrgestänge, einem Bohrkopf (131) und einer Führungsvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.