DE19607365C2 - Verfahren zum Lenken eines Erdbohrgeräts und ein lenkbares Gerät zum Herstellen einer Erdbohrung - Google Patents
Verfahren zum Lenken eines Erdbohrgeräts und ein lenkbares Gerät zum Herstellen einer ErdbohrungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Lenken eines
Erdbohrgeräts, insbesondere eines im Erdreich drehend
und schiebend sowie gegebenenfalls schlagend bewegten
Bohrgestänges mit einem Bohrkopf, und ein lenkbares Gerät
zum Herstellen einer Erdbohrung.
Bei einem aus der deutschen Patentschrift DE 43 05 423 C2
bekannten Verfahren zum Lenken eines Bohrgerätes weist
der Bohrkopf eine Schrägfläche auf, die ein Ablenken des
Geräts bewirkt, wenn die Drehung des Bohrkopfes unter
brochen wird.
Um die Lage des Bohrkopfes im Erdreich orten zu können,
ist es aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 39 00 122 A1
bekannt, im Bohrkopf ein beispielsweise über Batterien
mit Energie versorgter Sender anzuordnen, der mit Meß
einrichtungen versehen ist, die es ermöglichen zu mes
sen, in welcher Tiefe sich der Bohrkopf befindet, wo er
sich im Erdreich befindet, wie die Neigung des Bohrkop
fes und wie die Verrollung des Bohrkopfes bezüglich sei
ner Achse, d. h. die Winkellage der Schrägfläche bezüg
lich der Längsachse ist. Zusätzlich kann auch noch die
Temperatur des Bohrkopfes festgestellt werden.
Die gemessenen Daten werden von dem im Bohrkopf ange
ordneten Sender zu einem Empfänger an der Erdoberfläche
übertragen und dort angezeigt. Von dort werden die Daten
drahtlos zur Bedienungsperson an einer Dreh- und Vor
schubeinheit gesendet und dort ebenfalls angezeigt.
Anhand dieser Daten läßt sich ein Lenkmanöver auslösen,
indem beispielsweise die Drehung des Bohrgestänges in
einer bestimmten Winkellage der Schrägfläche unterbro
chen wird, die der Lage entspricht, in der die Rich
tungsänderung erfolgen soll. In dieser Lage wird dann
das Bohrgestänge mit dem Bohrkopf nur noch translato
risch bewegt (geschoben oder geschlagen), so daß durch
die Schrägfläche eine Seitenkraft erzeugt wird, die
eine Lenkbewegung bewirkt.
In Fig. 1 ist dargestellt, wie ein Lenkmanöver in her
kömmlicher Weise abläuft, wenn z. B. das Bohrgestänge
entlang einer Straßenbiegung mit beispielsweise 60 m
Kurvenradius geführt werden soll. Eine gerade verlau
fende Bohrung 1 soll von einem Punkt 2 ab, mit einem
vorgegebenen Kurvenradius weitergeführt werden. In der
Position 2 wird aufgrund eines Steuersignals die Dre
hung des Bohrgestänges unterbrochen, so daß der Bohr
kopf während einer Strecke 3 in die gewünschte Richtung
abgelenkt wird, jedoch entspricht diese Ablenkung der
maximal möglichen Ablenkung durch die Schrägfläche am
Bohrkopf, so daß in einer Position 4 durch ein Steuer
signal die Drehung des Bohrgestänges wieder aufgenommen
werden muß, so daß nunmehr wieder eine Strecke 1 mit
einer gerade verlaufenden Bohrung durchlaufen wird.
Durch ein Drehen des Bohrgestänges bzw. des Bohrkopfes
wird nämlich die Wirkung der Schrägfläche am Bohrkopf
neutralisiert. Aus diesem Grunde ist es nach einem
gewissen Weg erneut erforderlich, das Drehen des Bohr
gestänges zu unterbrechen und wieder eine Ablenkung des
Bohrgestänges einzuleiten.
Infolge dieses phasenweisen Stillsetzens des Bohrge
stänges ergibt sich ein zickzackförmiger Verlauf der
Bohrung, der das Bohrgestänge stark beansprucht, da es
der Zickzacklinie folgen muß. Hinzu kommt, daß sich der
Bohrkopf bei längeren Lenkbewegungen, während derer das
Bohrgestänge nicht gedreht wird, im Erdreich fest fressen
kann, so daß sich das Gestänge bei Beendigung der
Lenkbewegung nur noch unter erhöhtem Drehmoment wieder
in Drehung versetzen läßt, wodurch sehr große Spitzen
belastungen auf das Bohrgestänge kommen.
Hieran ändert sich auch nichts, wenn auf das Bohrge
stänge zusätzlich zum statischen Schub, der mittels
einer Dreh- und Vorschubeinheit aufgebracht wird, noch
dynamische Schläge von einem Schlagwerk aufgebracht
werden, das beispielsweise über das Bohrgestänge auf den
Bohrkopf wirkt, oder direkt am Bohrkopf angeordnet ist,
so daß ein Vorschub mit Lenkbewegungen auch in harten,
dichten Böden möglich ist.
Um den Bodenabbau am Bohrkopf zu verbessern, ist es aus
der europäischen Offenlegungsschrift EP 0 195 559 A1 des wei
teren bekannt, dem Bohrkopf über das Bohrgestänge, das
in diesem Ball rohrförmig ist, eine Flüssigkeit, insbe
sondere eine Bentonitsuspension zuzuführen. Diese Flüs
sigkeit tritt aus Düsen am Bohrkopf aus und dient in
Gestalt eines Schneidstrahles zum Lösen des Erdreichs
und/oder auch nur zum besseren Abfördern des abgebauten
Erdreichs sowie zum Kühlen des Bohrkopfs und der
Ortungs- und Sendeeinrichtung.
Statt die Sendermeßdaten drahtlos zu einem Empfänger an
der Erdoberfläche zu übertragen und von dort zur Bedie
nungsperson an der Dreh- und Vorschubeinheit weiter zu
leiten, ist es auch bekannt, die Meßdaten vom Meßsystem
im Bohrkopf, der auch die Energieversorgung des Meßsy
stems enthalten kann, über ein durch das Bohrgestänge
laufendes Kabel zur Dreh- und Vorschubeinheit zu über
tragen und dort anzuzeigen. Diese Übertragungstechnik
mittels eines Kabels wird insbesondere dann eingesetzt,
wenn die Erdoberfläche im Bereich der Bohrtrasse nicht
begehbar ist.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren
zum Lenken eines Erdbohrgerätes und ein entsprechendes lenkbares
Gerät zu schaffen, die ein kontinuierliches Lenken erlauben.
Die Lösung dieses Problems basiert auf dem Gedanken,
den Lenkvortrieb beispielsweise eines Schrägflächenkop
fes nicht, wie bei den bekannten Verfahren eine
bestimmte Zeitspanne andauern zu lassen, sondern auf
kleine Lenkschritte bzw. Lenkimpulse zu verkürzen. Auf
diese Weise ist eine Lenkbewegung bei rotierendem Lenk
kopf, beispielsweise einem Schrägflächenkopf möglich.
Erfindungsgemäß können ein oder mehrere richtungsän
dernde Lenkimpulse stets dann auf einen sich drehenden
Bohrkopf zur Wirkung gebracht werden, wenn die Winkel
lage des Bohrkopfes bezüglich seiner Achse der Lage
entspricht, in der die Richtungsänderung erfolgen soll.
Als Lenkimpulse eignen sich Schlag- oder Schubimpulse
oder Flüssigkeitsimpulse, wenn am Bohrkopf Lenkdüsen
angeordnet sind, wobei ein oder mehrere Flüssigkeitsim
pulse stets dann zur Wirkung gebracht werden, wenn die
Wirkrichtung der Düsen der Lage entspricht, in der die
Richtungsänderung erfolgen soll.
Als Lenkimpulse eignen sich auch Schlagimpulse, wenn am
Bohrkopf Lenkelemente angeordnet sind, wobei ein oder
mehrere Schlagimpulse stets dann auf die Lenkelemente
zur Wirkung gebracht werden, wenn die Winkellage der
Lenkelemente der Lage entspricht in der Richtungsände
rung erfolgen soll.
Umgekehrt ist es auch möglich, bei einem drehend,
schiebend und schlagend angetriebenen Bohrgestänge mit
einem Lenkelemente aufweisenden Bohrkopf, dessen Lage
von außen überwacht wird, eine Richtungsänderung
dadurch zu bewirken, daß die auf den Bohrkopf wirkenden
Schlagimpulse stets dann unterbrochen werden, wenn die
Winkellage des Bohrkopfes bezüglich seiner Achse der
Lage entspricht, in der die Richtungsänderung erfolgen
soll.
Ein Lenken läßt sich auch mittels Flüssigkeitsimpulsen
durchführen, wenn ein im Boden drehend, schiebend und
gegebenenfalls schlagend angetriebenes Bohrgestänge mit
einem Bohrkopf und daran angeordneten Flüssigkeitsdüsen
so angesteuert wird, daß bei Bedarf die aus den Flüs
sigkeitsdüsen austretenden Flüssigkeitsstrahlen stets
dann bereichsweise unterbrochen werden, wenn die Win
kellage des Bohrkopfes bezüglich seiner Achse der Lage
entspricht, in der die Richtungsänderung erfolgen soll.
Die einzelnen Möglichkeiten des erfindungsgemäßen Ver
fahrens haben gemeinsam, daß die Drehung des Bohrge
stänges für einen Lenkvorgang nicht mehr unterbrochen
werden muß, so daß der Schub durch die Dreh- und Vor
schubeinheit bzw. die Schläge einer gegebenenfalls vor
handenen Schlagvorrichtung besser zur Wirkung kommen
und keine Haftreibung auftreten kann. Des weiteren kann
sich der Bohrkopf in der Bohrung auch nicht mehr fest
setzen.
Der Lenkvorgang wird wesentlich vereinfacht, da ohne
die Drehung des Bohrgestänges oder des Bohrkopfes zu
unterbrechen, ein kontinuierliches Lenken möglich ist,
ohne in Lenkphasen arbeiten zu müssen. Hierdurch ist
der Bohrungsverlauf auch in Kurven kontinuierlich, da
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, falls der Lenkvor
gang mittels einer Schlagvorrichtung bewirkt wird, nur
wenige Millimeter bei jedem Schlagzyklus geschoben wer
den, während bei dem bekannten Lenkverfahren stets meh
rere Zentimeter ohne Drehung des Bohrkopfes vorgescho
ben werden müssen.
Des weiteren wird die Bohrleistung erhöht, da die Rota
tion des Gerätes bzw. des Bohrkopfes beim Lenken nicht
unterbrochen zu werden braucht.
Ein lenkbares Gerät zum Herstellen einer Erdbohrung kann erfindungsgemäß ein
Lenkelement am Bohr
kopf, eine Schlagvorrichtung am Bohrkopf oder an der
Dreh- und Vorschubeinheit, Steuerelemente für die
Schlagvorrichtung aufweisen, um stets dann einen Lenk
impuls auf das Lenkelement auszuüben, oder wenn das
Bohrgestänge auch schlagend angetrieben ist, die
Schlagimpulse zu unterbrechen, wenn die Winkellage des
Lenkelementes der Lage entspricht, in der die Rich
tungsänderung erfolgen soll. Bei der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist es sowohl möglich, die Schlagvorrich
tung direkt auf den Bohrkopf oder indirekt über ein
Bohrgestänge auf den Bohrkopf wirken zu lassen.
Das Lenkelement am Bohrkopf kann aus einer Schrägfläche
oder aus einem durch Schlagwirkung seitlich aus dem
Bohrkopf austretendes Lenkelement bestehen. Die Schlag
vorrichtung kann direkt oder indirekt über ein Bohrge
stänge auf das Lenkelement wirken, das senkrecht zur
Bohrachse gerichtete Wirkkräfte hervorrufen sollte, um
den Bohrkopf in eine Kurvenbahn abzulenken.
Bei Verwendung einer direkt auf den Bohrkopf oder das
Lenkelement im Bohrkopf wirkenden Schlagvorrichtung
kann diese aus einem pneumatisch oder hydraulisch ange
triebenen Rammbohrgerät bestehen.
Bei Verwendung einer indirekt über das Bohrgestänge auf
den Bohrkopf oder das Lenkelement im Bohrkopf wirkenden
Schlagvorrichtung kann diese in die Dreh- und Vor
schubeinheit integriert sein. Die Baugröße des Schlag
gerätes ist dann ohne Bedeutung, was bei sehr geringen
Abmessungen des Bohrkopfes wichtig ist. Ebenfalls kann
das Bohrgestänge als Doppelrohrgestänge ausgebildet
sein, so daß sich das äußere Bohrgestänge für den Dreh-
und Vorschubantrieb und das innere Bohrgestänge zur
Übertragung der Schlagimpulse verwenden läßt.
Bei einer Vorrichtung zum Lenken eines im Boden mittels
einer Dreh- und Vorschubeinheit drehend und schiebend
sowie gegebenenfalls mittels einer Schlagvorrichtung
schlagend angetriebenen Bohrgestänges mit einem mit dem
Bohrgestänge drehfest verbundenen Bohrkopf und Flüssig
keitsdüsen am Bohrkopf können Steuerelemente für den
Flüssigkeitsaustritt, wenn die Flüssigkeitsdüsen unsym
metrisch am Bohrkopf angeordnet sind, eine oder mehrere
Flüssigkeitsimpulse auslösen, oder dann, wenn die Flüs
sigkeitsdüsen symmetrisch am Bohrkopf angeordnet sind,
den Flüssigkeitsaustritt aus den Düsen bereichsweise
unterbrechen, wenn die Winkellage des Bohrkopfes der
Lage entspricht, in der die Richtungsänderung erfolgen
soll.
Bei unsymmetrischer Anordnung können die Flüssigkeits
düsen einseitig am Bohrkopf angeordnet sein, insbeson
dere können sie bei einem außermittig wirkenden Bohr
kopf mit einer Schrägfläche an der der Schrägfläche
abgewandten Seite des Bohrkopfes angeordnet sein.
Weist der Bohrkopf gleichmäßig auf dem Bohrkopf ange
ordnete Flüssigkeitsdüsen auf, lassen sich über steuer
bare Ventile die Flüssigkeitsdüsen wahlweise ansteuern.
Die Ventile können außerhalb des Bohrgestänges im
Bereich der Dreh- und Vorschubeinheit angeordnet sein,
erfordern dann jedoch mehrere Flüssigkeitsleitungen von
den Ventilen zu den Flüssigkeitsdüsen. Daher sollten
die Ventile im Bohrkopf in der Nähe der Flüssigkeitsdü
sen angeordnet und zu diesen Ventilen eine Sammellei
tung geführt sein und die Ventile über durch das Bohr
gestänge geführte Steuerleitungen angesteuert werden
oder über die Meßeinrichtung im Bohrkopf angesteuert
werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand mehrerer, in der
Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele des nähe
ren erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Darstellung des Verlaufs einer Erdbohrung
bei einem herkömmlichen und parallel dazu bei
einem erfindungsgemäßen Lenken,
Fig. 2 eine Vorrichtung zum Herstellen einer Erdboh
rung mit Hilfe eines an einem Gestänge ange
ordneten Bohrkopfes,
Fig. 3 eine Vorrichtung zum Herstellen einer Erdboh
rung mit Hilfe eines an einem Bohrgestänge
angeordneten Schlag- oder Impulsschubgerätes,
Fig. 4 eine Schnittdarstellung eines Bohrkopfes,
Fig. 5 einen Winkelgeber zum Steuern der Winkellage
beim Lenken des Bohrgestänges,
Fig. 6 einen außermittig wirkenden Bohrkopf mit Lenk
düsen,
Fig. 7 einen Bohrkopf mit einer Schrägflächendüse,
Fig. 8 einen zentrisch wirkenden Bohrkopf mit außer
mittig wirkenden Lenkdüsen,
Fig. 9 einen Bohrkopf mit gleichmäßig verteilten
Lenkdüsen.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, besteht eine mit dem
bekannten Lenkverfahren hergestellte Erdbohrung aus
einem gerade verlaufenden Teil 1, der in einen gebogen
verlaufenden Teil 3 übergeht, wenn in der Position 2
ein Steuersignal auf eine Dreh- und Vorschubeinheit
gegeben wird, um die Rotation des Bohrgestänges zu
unterbrechen. In der Position 4 beginnt die Rotation
des Bohrgestänges erneut, so daß sich wieder ein gerade
verlaufendes Bohrungsstück 1 anschließt. Um einen Bogen
mit einem vorgebbaren Radius zu bohren, folgen abwech
selnd stets gerade und gebogene Streckenteile aufeinan
der. Der kleinste theoretisch erreichbare Radius wird
erreicht, wenn die Drehung des Bohrgestänges für eine
längere Zeit unterbrochen wird, so daß eine Bohrung mit
dem Radius des Bogenstückes erstellt wird.
Bei einer Kurvenfahrt ohne Rotation des Bohrkopfes tre
ten große Schwierigkeiten auf, da sich dann das Bohrge
stänge und das Gerät nur schiebend durch das Erdreich
bewegen und erhebliche Reibungskräfte auftreten. Diese
Schwierigkeiten werden auch nicht behoben, wenn das
Bohrgestänge zusätzlich schlagend beaufschlagt ist,
vielmehr kann sich der nicht rotierende Bohrkopf im
Erdreich festfressen, so daß eine Wiederaufnahme der
Drehbewegung kaum noch möglich ist, ohne das Bohrge
stänge zu beschädigen.
Demgegenüber ist der Kurvenverlauf einer nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Erdbohrung
kontinuierlich, beispielsweise, wenn eine gerade ver
laufende Bohrung 1 in der Position 2 in einen gebogenen
Verlauf 5 übergeht, der mit konstantem Radius verläuft,
bis ein Steuersignal in der Position 4 den Lenkvorgang
beendet und sich dann wieder eine gerade verlaufende
Bohrung 1 anschließt. Die gebogene Bohrung 5 wird unter
Aufrechterhaltung der Drehung des Bohrgestänges bzw.
des Bohrkopfes hergestellt, so daß die mit dem herkömm
lichen Lenkverfahren verbundenen Schwierigkeiten nicht
auftreten. Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch den
kontinuierlichen Lenkvorgang somit wesentlich gestänge
schonender.
Wie aus der Fig. 2 ersichtlich, soll eine Erdbohrung im
Erdreich 6 mittels eines aus Einzelrohren bestehenden
Bohrgestänges 7 hergestellt werden. Am Ende des Bohrge
stänges 7 befindet sich ein Bohrkopf 8 mit einer
Schrägfläche 9, der mit dem Bohrgestänge 7 vorzugsweise
drehfest verbunden ist. Im Bohrkopf 8 ist ein Sender 10
angeordnet, der drahtlos Daten an einen Empfänger 11
überträgt, die sich auf die Tiefe des Bohrkopfes unter
der Erdoberfläche, den Ort des Bohrkopfes 8 im Erd
reich, seine Neigung, die Winkellage der Lenkfläche 9
bezüglich der Längsachse des Bohrkopfes 8 und gegebe
nenfalls die Temperatur am Bohrkopf 8 beziehen. Die
Funkverbindung zwischen dem Sender 10 und dem Empfänger
11 ist durch die gestrichelte Linie 23 angedeutet.
Eine weitere Funkverbindung 24 übermittelt die vorer
wähnten Daten vom Empfänger 11 auf eine Anzeigevorrich
tung 12 in der Nähe einer am Start 14 angeordneten
schlagenden Dreh- und Vorschubeinheit 15. Diese Dreh-
und Vorschubeinheit 15 weist einen Drehantrieb 16 für
das Bohrgestänge 7, ein das Bohrgestänge 7 beaufschla
gendes Schlagwerk 17 und einen Vorschubantrieb 18 auf.
Das Bohrgestänge 7 ist mit der Dreh- und Vorschubein
heit über einen Bohrgestängenanschluß 19 gekuppelt.
Von der Anzeigevorrichtung 12 führt eine Kabelverbin
dung zu einem Schaltkasten 13 mit Bedienungspult, mit
tels dessen es über eine Kabelverbindung 21, 22 möglich
ist, den Drehantrieb 16, das Schlagwerk 17 und den Vor
schubantrieb 18 anzusteuern.
Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung läßt sich auf
zwei verschiedene Weisen lenken. Wird das Bohrgestänge
7 nur drehend und schiebend durch das Erdreich 6 ge
trieben, entsteht eine gerade Bohrung. Dabei wird die
aufgrund der Lenkfläche 9 am Bohrkopf mögliche Ablen
kung des außermittig wirkenden Bohrkopfes 8 durch die
ständige Drehung des Bohrgestänges 7 neutralisiert.
Eine Lenkbewegung läßt sich durchführen, wenn das
Schlagwerk 17 immer dann in Tätigkeit gesetzt wird,
wenn sich die Lenkfläche 9 in einer Winkellage bezogen
auf die Achse des Bohrgestänges 7 befindet, die der
geforderten Ablenkungsrichtung entspricht. Dies bedeu
tet, daß während der ununterbrochenen Rotation des
Bohrgestänges 7 von Zeit zu Zeit mittels des Schlagwer
kes 17 mindestens ein Schlagimpuls immer dann auf das
Bohrgestänge 7 aufgebracht wird, wenn sich die Lenkflä
che 9 am Bohrkopf in der für die gewünschte Richtungs
änderung notwendigen Winkellage befindet. Der kleinste
Radius läßt sich erzielen, wenn bei jeder Umdrehung des
Bohrgestänges 7 in der kritischen Winkellage mindestens
ein Schlagimpuls aufgegeben wird. Der Bogenradius wird
größer, wenn nur bei jeder zweiten oder jeder dritten
Umdrehung ein Schlagimpuls auf das Bohrgestänge 7 gege
ben wird.
Ein Lenken läßt sich mit der in Fig. 2 dargestellten
Vorrichtung auch in der Weise ausführen, daß das Bohr
gestänge 7 nicht nur ununterbrochen drehend und schie
bend, sondern auch schlagend durch das Erdreich 6 be
wegt wird, wobei in der kritischen Winkellage der Lenk
fläche 9 am Bohrkopf 8 die durch das Schlagwerk 17
erzeugten Schlagimpulse unterbrochen werden, da in die
sem Fall ebenfalls kurzzeitig ein Ablenken in die
gewünschte Richtung eintritt.
Die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung besteht aus
einer Dreh- und Vorschubeinheit 25 mit einem Drehan
trieb 26 und einem Vorschubantrieb 27. Der Bohrkopf mit
der Lenkfläche 9 ist unmittelbar an einer Schlagvor
richtung 28, vorzugsweise in Gestalt eines pneumatisch
oder hydraulisch angetriebenen Rammbohrgeräts, drehfest
angeordnet, und diese Schlagvorrichtung 28 ist mit dem
Bohrgestänge 7 drehfest verbunden.
Im Bohrkopf 8 befindet sich der Sender 10, der über
eine Funkverbindung 23 mit dem Empfänger 11 in Verbin
dung steht, von dem eine Funkverbindung 24 die aufge
nommenen Daten zu der Anzeigevorrichtung 12 überträgt.
Die Anzeigevorrichtung 12 ist, wie bereits beschrieben,
über ein Kabel 20 mit einem Schaltkasten 29, der auch
ein Bedienpult aufweist, verbunden. Vom Schaltkasten 29
verlaufen Kabel 21, 22 zum Drehantrieb 26 und zum Vor
schubantrieb 27. Des weiteren ist vom Schaltkasten 29
eine Energieversorgungsleitung 30 durch den Drehantrieb
26 und das Bohrgestänge 7 zur Schlagvorrichtung 28
geführt. Die Energieversorgungsleitung 30 kann aus
einem Hydraulikschlauch bestehen, wenn die Schlagvor
richtung 28 aus einem hydraulisch betriebenen Schlagge
rät besteht. Parallel zur Energieversorgungsleitung 30
verläuft eine Steuerleitung 31, mit der sich das
Schlaggerät 28 in der beschriebenen Weise in Tätigkeit
setzen und abschalten läßt.
Mit der in Fig. 3 beschriebenen Vorrichtung läßt sich
der Bohrkopf 8 in der gleichen Weise lenken, wie dies
bezüglich der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform
beschrieben wurde.
Ein in Fig. 4 dargestellter Bohrkopf 32 weist an seinem
vorderen Ende eine Bohrkrone 33 auf, die besonders zum
Zertrümmern von Gestein geeignet ist. Flüssigkeitsdüsen
34 am Bohrkopf 32 dienen dazu, den Bodenabbau des Bohr
kopfes während des Bohrvorganges und des Lenkvorganges
zu verbessern, das abgebaute Material abzufördern und
den Bohrkopf zu kühlen.
Im Bohrkopf 32 ist ein Lenkelement 35 angeordnet, das
sich mit einer Keilfläche 37 auf einer Keilfläche 36
des Bohrkopfes 32 so verschieben läßt, daß ein seitli
cher Vorsprung 39 aus dem Bohrkopf 32 austritt. Zu die
sem Zweck ist das Lenkelement 35 mit einem im Bohrge
stänge 7 geführten inneren Gestänge 38 verbunden. Die
ses innere Gestänge 38 wird im Bereich der Dreh- und
Vorschubeinheit 15 von dem Schlagwerk 17 und/oder einem
Vorschubantrieb beaufschlagt, wenn ein Lenkvorgang aus
gelöst werden soll. Infolge der Impulse tritt das Lenk
element 35 vorübergehend seitlich aus dem Bohrkopf 32
aus (gestrichelt gezeichnet) und bewirkt auf diese
Weise einen Lenkimpuls, ähnlich wie dies durch die
Lenkfläche 9 am Bohrkopf 8 in Fig. 2 und 3 bewirkt
wird. Der seitlich austretende Lenkvorsprung 39 kommt
jeweils nur in der Winkellage des Bohrkopfes 32 zur
Wirkung, in der eine Lenkbewegung stattfinden soll. Um
gekehrt ist es auch möglich, einen draußen befindlichen
Lenkvorsprung in einer bestimmten Winkellage einzuzie
hen.
Selbstverständlich kann zusätzlich auch eine Schlagvor
richtung auf den Bohrkopf 32 wirken, um die Abbauwir
kung der Bohrkrone 33 zu verbessern; es ist auch mög
lich, direkt am Bohrkopf 32 eine Schlagvorrichtung
anzuordnen, oder ein Rammbohrgerät im Bereich des Bohr
kopfes 32 zum Betätigen des Lenkelements 35 anzuordnen
und das Schlagwerk 17 an der Dreh- und Vorschubeinheit
15 in Fig. 2 zur schlagenden Beaufschlagung der Bohr
krone 33 über das Bohrgestänge 7 zu verwenden.
In Fig. 5 ist ein Winkelgeber 40 dargestellt, der zur
sinnfälligen Darstellung der Winkellage der Lenkele
mente in der Art eines Ziffernblatts gestaltet ist.
Wird ein Auslöser 48 an dem Winkelgeber 40 auf die
gewünschte Winkelstellung (Uhrzeit) eingestellt, werden
die in Verbindung mit den Fig. 2 bis 4 beschriebenen
Schlagvorrichtungen nur in dieser Winkelstellung ange
steuert und bewirken eine entsprechende Lenkbewegung.
Bei der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform besitzt
ein drehend und schiebend angetriebener Bohrkopf 42
eine Schrägfläche 43 und auf der der Schrägfläche 43
abgewandten Seite des Bohrkopfes 42 angeordnete Flüs
sigkeitsdüsen 44. Diese Flüssigkeitsdüsen 44 werden
über eine Flüssigkeitsleitung 45 mit einer unter hohem
Druck stehenden Flüssigkeit versorgt. Wird die Druck
flüssigkeit stets dann zugeführt, wenn ein Lenkimpuls
erforderlich ist, bzw. wird bei kontinuierlicher Zufüh
rung die Zufuhr kurzzeitig in einer bestimmten Winkel
stellung des Bohrkopfes 42 unterbrochen, entsteht da
durch ein Lenkimpuls, mit dem sich der Radius der Boh
rung einstellen läßt.
Die Ausführungsform gemäß Fig. 7 unterscheidet sich von
der gemäß Fig. 6 nur in den nicht rechtwinklig, sondern
schräg bezüglich der Längsachse des Bohrkopfes 46 ange
ordneten Flüssigkeitsdüsen 48, wovon eine Flüssigkeits
düse auf der Schrägfläche 47 angeordnet ist.
Der in Fig. 8 dargestellte Bohrkopf 49 ist mit einer
zentrisch wirkenden Bohrkrone 50 versehen, und eine
Reihe von Lenkdüsen 51 ist in der Bohrkrone 50 und in
der Mantelfläche des Bohrkopfes 49 angeordnet. Auch bei
diesem Bohrkopf 49 wird ein Lenkimpuls entweder durch
Beaufschlagen der Düsen 51 mit Flüssigkeit in einer
bestimmten Winkelstellung des Bohrkopfes 49 oder durch
Unterbrechen der Flüssigkeitszufuhr in einer bestimmten
Winkelstellung bewirkt, wenn die Flüssigkeitsdüsen 51
im übrigen dauernd mit Flüssigkeit beaufschlagt werden.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 9 sind Flüssigkeits
düsen 54 gleichmäßig auf dem Umfang eines Bohrkopfes 52
mit einer konischen Spitze 53 verteilt. Mehrere in
Längsrichtung des Bohrkopfes 52 fluchtende Flüssig
keitsdüsen 54 sind jeweils über eine Leitung 55 mit
einem ferngesteuerten Ventil 56 verbunden. Eine Sammel
leitung 57 führt zu einer Dreh- und Vorschubeinheit.
Jedes der ferngesteuerten Ventile 56 ist über eine
nicht dargestellte Steuerleitung mit der Steuervorrich
tung der Dreh- und Vorschubeinheit verbunden, so daß
sich eine Reihe von Flüssigkeitsdüsen 54 immer dann im
Sinne einer Beaufschlagung mit Flüssigkeit oder einer
Unterbrechung der Beaufschlagung mit Flüssigkeit an
steuern läßt, wenn eine Lenkbewegung ausgelöst werden
soll. Bei dieser Ausführungsform ergeben sich Lenkim
pulse, nicht nur wie bei den Ausführungsformen gemäß
Fig. 1 bis 8 bei jeweils einer Umdrehung oder weniger
des Bohrgestänges, sondern ein Lenkimpuls läßt sich
jedesmal dann auslösen, wenn eine Reihe von Flüssig
keitsdüsen 54 die richtige Winkelstellung einnimmt. Auf
diese Weise ist ein besonders feinfühliges Lenken des
Bohrgestänges möglich.
Beim Lenken mittels Flüssigkeitsdüsen können am Bohr
kopf sowohl Düsen angeordnet sein, die ständig mit
Flüssigkeit beaufschlagt sind, die somit hinsichtlich
des Lenkverhaltens neutral sind, und es können zusätz
liche Düsen den Flüssigkeitsimpuls zum Lenken hervorru
fen. In diesem Fall können die Düsen über unterschied
liche Rohrleitungen mit Flüssigkeit versorgt werden,
z. B. die Neutraldüsen über ein äußeres Bohrgestänge und
die Lenkdüsen über ein inneres Bohrgestänge. Des weite
ren ist es auch möglich, die Lenkdüsen beim Geradeaus
bohren mit niedrigem Flüssigkeitsdruck und in der vor
gegebenen Winkelstellung mit hohem Druck zu beaufschla
gen. Der Druckimpuls läßt sich auch dadurch hervorru
fen, daß eine ferngesteuerte, impulsartige Quer
schnittsverengung der Flüssigkeitsdüsen herbeigeführt
wird.
Elektromagnetische Schaltventile dienen zum Betätigen
des Schlagwerkzeugs 17 an der Dreh- und Vorschubeinheit
15 bzw. des Rammbohrgeräts 28 sowie für das Beaufschla
gen der Flüssigkeitsdüsen. Es ist jedoch auch möglich,
einen mechanisch angetriebenen Nockenauslöser einzuset
zen, der bei der Dreh- und Vorschubeinheit 15 bzw. 25
am Bohrgestängeanschluß 19 angeschlossen ist. Ein sol
cher Nockenauslöser kann bei vorgegebener Winkelpositi
on einen Schalter für das Schlagwerk 17 oder die
Schlagvorrichtung 28 betätigen. Selbstverständlich kann
ein solcher Nockenauslöser auch vorne am Bohrkopf ange
bracht sein, wenn das Schlagwerk vorne am Bohrgestänge
sitzt. Da zwischen dem Zeitpunkt des Messens der Win
kellage des Bohrkopfes bis zur Wirkung des Lenkimpulses
eine gewisse Verzögerung eintritt, ist es vorteilhaft,
wenn die Steuerung so eingerichtet ist, daß die Impuls
laufzeit berücksichtigt wird.
Dies ist besonders wichtig, wenn die Winkellage des
Bohrkopfes nicht durch einen Sender 10 ermittelt, son
dern durch einen Geber am Bohrgestängeanschluß 19 auf
genommen wird. In diesem Fall muß die Torsion des Bohr
gestänges 7, die sich aufgrund des Drehwiderstandes des
Bohrkopfes und der Reibung des Bohrgestänges 7 in der
Bohrung ergibt, bei entsprechender Länge des Bohrge
stänges 7 berücksichtigt werden. Bei Verwendung eines
Doppelrohrgestänges oder eines Einfachgestänges mit
einem eingeführten Torsionsstab kann es sehr von Vor
teil sein, die Winkellage direkt an der Bohrlafette vom
nicht mit Torsion oder nur wenig mit Torsion beauf
schlagten Bohrgestänge bzw. Torsionsstab abzunehmen. So
ist es sehr einfach über eine Nockensteuerung entspre
chende Impulse aufzubringen.
Claims (15)
1. Verfahren zum Lenken eines Gerätes zum Herstellen
einer Erdbohrung, dadurch gekennzeichnet, daß mit
zeitlichem Abstand voneinander richtungsändernde
Lenkimpulse ausgeübt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß Schlag-, Schub- oder Flüssigkeitsimpulse zur
Wirkung gebracht werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Lenkimpulse durch periodisches Ab- oder Zu
schalten von Flüssigkeitsdüsen erzeugt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß Lenkelemente mit Lenkimpulsen beaufschlagt wer
den.
5. Lenkbares Gerät zum Herstellen einer Erdbohrung mit
- - einem mit einem Bohrgestänge (7) verbundenen Bohrkopf (8, 32),
- - einem Lenkelement (9, 35) am Bohrkopf (8, 32),
- - einer Schlagvorrichtung (17, 28) am Bohrkopf (8, 32) oder einer Dreh- und Vorschubeinheit (15),
- - Steuerelementen (13, 29) für die Schlagvorrich tung (17, 28), um stets dann einen Schlagimpuls auf das Lenkelement (9, 35) auszulösen oder, wenn das Bohrgestänge (7) auch schlagend angetrieben ist, die Schlagimpulse zu unterbrechen, wenn die Winkellage des Lenkelementes (9, 35) der Lage entspricht, in der die Richtungsänderung erfolgen soll.
6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
das Lenkelement aus einer Schrägfläche (9) am
Bohrkopf (8) besteht und die Schlagvorrichtung (17,
28) direkt auf den Bohrkopf (8) oder indirekt über
das Bohrgestänge (7) wirkt.
7. Gerät nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch ein
seitlich aus dem Bohrkopf (32) austretendes
Lenkelement (35) und eine direkt auf das Lenkele
ment (35) oder indirekt über das Bohrgestänge (7,
38) wirkende Schlagvorrichtung oder Schubvorrich
tung.
8. Gerät nach Anspruch 7, ge
kennzeichnet durch ein Rammbohrgerät (28) als
Schlagvorrichtung.
9. Gerät nach Anspruch 2, 5 oder 6, gekennzeichnet
durch eine in die Dreh- und Vorschubeinheit (15)
integrierte Schlagvorrichtung (17).
10. Gerät nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß das Bohrgestänge als Dop
pelrohrgestänge ausgebildet ist und das äußere
Bohrgestänge (7) drehend und schiebend und das in
nere Bohrgestänge (38) schlagend und/oder schiebend
beaufschlagt ist.
11. Lenkbares Gerät zum Herstellen einer Erdbohrung mit
- - einem Bohrkopf (42, 46, 49, 52) am Ende eines Bohrgestänges (7),
- - Flüssigkeitsdüsen (44, 48, 51, 54) am Bohrkopf (42, 46, 49, 52) und
- - Steuerelementen (13, 29, 55) für den Flüssig keitsaustritt, um stets dann, wenn die Flüssig keitsdüsen (44, 48, 51) unsymmetrisch am Bohrkopf (42, 46, 49) angeordnet sind, einen oder mehrere Flüssigkeitsimpulse auszulösen, oder um stets dann, wenn die Flüssigkeitsdüsen (54) symmetrisch am Bohrkopf (52) angeordnet sind, den Flüssig keitsaustritt aus den Düsen (54) bereichsweise zu unterbrechen, wenn die Winkellage des Bohrkopfes (42, 46, 49, 52) der Lage entspricht, in der die Richtungsänderung erfolgen soll.
12. Gerät nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch einen
Bohrkopf (42, 46) mit einseitig angeordneten
Flüssigkeitsdüsen (44, 48).
13. Gerät nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen
außermittig wirkenden Bohrkopf (42) und auf der der
einer Schrägfläche (43) abgewandten Seite des
Bohrkopfes (42) angeordnete Flüssigkeitsdüsen (44).
14. Gerät nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch einen
Bohrkopf (53) mit gleichmäßig auf dem Umfang
angeordneten Flüssigkeitsdüsen (54) und wahlweise
ansteuerbaren Ventilen (55) für die Flüssigkeitsdü
sen (54).
15. Gerät nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine
durch das Bohrgestänge (7) geführte Flüssig
keitsleitung (57) und an den Flüssigkeitsdüsen (54)
angeordnete, wahlweise ansteuerbare Ventile (55).
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