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Die Erfindung betrffit eine Vorrichtung
zum Einlegen und Entnehmen von Bohrgestängen in und aus Horizontalbohranlagen
zum Bohren von im wesentlichen horizontal verlaufenden Bohrungen
im Erdreich, Gestein oder Fels mit einem an einem Bohrmast verschiebbar
angeordneten Schlitten und einem am Schlitten angeordneten Bohrkopf
für Bohrgestänge. Derartige
Horizontalbohranlagen werden dazu benutzt, um Produktrohre, beispielsweise
Kommunikationsleitungen, Gasleitungen, Wasserleitungen, Ölleitungen
oder dergleichen unterirdisch in unzugänglichem Gelände zu verlegen,
beispielsweise beim Verlegen von Produktrohren, die Bahntrassen, Autobahnen,
Flüsse
usw. unterqueren. Der Verlauf der Horizontalbohrungen läßt sich
steuern und erlaubt das Erstellen von im wesentlichen horizontal verlaufenden
Bohrungen von großer
Länge.
Hierdurch wird das Verlegen von Produktrohren vereinfacht und werden
die Verlegekosten vermindert.
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Sollen Produktrohre mit großem Durchmesser
verlegt werden, wird mittels der Horizontalbohranlage zunächst eine
Pilotbohrung mit gesteuertem Verlauf hergestellt, die anschließend mittels
eines Aufweitkopfes, der an das Bohrgestänge angebracht wird, durch
Zurückziehen
des Bohrgestänges
mittels der Horizontalbohranlage aufgeweitet wird, wonach das zu
verlegende Produktrohr in die Bohrung eingezogen wird.
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Die bekannten Horizontalbohranlagen
können
stationär
oder selbstfahrend auf einem Fahrwerk, beispielsweise einem Raupenunterwagen
angeordnet sein, auf dem ein in horizontaler Lage winkeleinstellbarer
Bohrmast angeordnet ist. Auf dem Bohrmast ist ein Schlitten mittels
einer Hydraulik- Kolben-Zylindereinheit verschiebbar, der den Bohrkopf
trägt.
Mit dem Bohrkopf werden die einzelnen Bohrgestänge und untereinander mittels
Schraubverbindungen gekuppelt. Die Verschiebung der Schlitten läßt sich
auch mittels eines Zahnstangen- oder Kettentriebs bewirken.
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Wenn der Bohrkopf beim Abbohren des Bohrgestänges bis
zum vorderen Ende des Bohrmastes vorgefahren ist, muß die Schraubverbindung zwischen
dem Bohrkopf und dem Bohrgestänge
gelöst
werden, und der Bohrkopf wird an das hintere Ende des Bohrmastes
zurückgefahren,
um ein weiteres Bohrgestänge
mit dem Ende des im Boden befindlichen Bohrgestänges und dem Bohrkopf zu verschrauben,
wonach der Bohrvorgang erneut wieder aufgenommen wird.
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Beim Zurückziehen des Bohrgestänges, insbesondere
beim Herstellen einer aufgeweiteten Bohrung mittels eines Räumkopfes,
läuft der
Vorgang umgekehrt ab, das heißt,
wenn der Bohrkopf mit dem Bohrgestänge bis an das hintere Ende
des Bohrmastes zurückgefahren
ist, muß das
aus der Bohrung herausgefahrene Bohrgestänge abgeschraubt und abgelegt
werden, wonach der Bohrkopf an das vordere Ende des Bohrmastes vorfährt und
mit dem noch in der Bohrung befindenden Bohrgestänge verschraubt wird, um den
Ausziehvorgang zu wiederholen.
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Zum Einlegen und Entnehmen von Bohrgestängen in
und aus Horizontalbohranlagen werden üblicherweise Hydraulikkräne eingesetzt,
die entweder an die Horizontalbohranlage herangefahren werden oder
mit dieser fest verbunden sind. Um die Handhabung der Rohre zu erleichtern,
ist an der Horizontalbohranlage häufig auch ein Bohrgestängekasten
angeordnet, der mit dem Bohrmast verbunden sein kann und sich dann
auf die gleiche Neigung mit dem Bohrmast einstellt, oder der neben
der Horizontalbohranlage auf dem Boden steht. Die einzelnen Bohrgestänge werden
mittels eines Greifers am Kran etwa im Schwerpunkt ergriffen und
müssen dann
freischwebend mit ihrer Gewindemuffe in den Bereich des Bohrkopfes
und mit ihrem Gewindeende in den Bereich der entsprechenden Gewindemuffe
eines bereits in den Boden abgebohrten Bohrgestänges gebracht werden.
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Es liegt auf der Hand, daß diese
Bohrgestänge,
die eine Länge
bis zu 9,6 m aufweisen können und
ein großes
Gewicht aufweisen, schwer zu dirigieren sind. Während des Einlegens stellen
die freischwebenden Bohrgestänge
somit eine erhebliche Unfallgefahr für das Bedienungspersonal dar.
Des weiteren ist das Einlegen und Entnehmen von Bohrgestängen mit
einem Zeitverlust verbunden, da ein Bohrgestänge grundsätzlich erst vom Kran aus dem Bohrgestängekasten
aufgenommen werden kann, wenn der jeweilige Arbeitsgang des Abbohrens
bzw. Ausziehens des Bohrgestänges
beendet ist, da es nicht zulässig
ist, ein freischwebendes Bohrgestänge während des Arbeitens der Horizontalbohranlage
im Arbeitsbereich zu halten.
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Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine
Vorrichtung zum Einlegen und Entnehmen von Bohrgestängen in
und aus Horizontalbohranlagen zur Verfügung zu stellen, die die Nachteile
des Standes der Technik vermeidet, keine Schwierigkeiten beim Einlegen
und Entnehmen des Bohrgestänges bereitet,
eine verminderte Unfallgefahr darstellt, ein beschleunigtes Einlegen
und Entnehmen von Bohrgestängen
in eine und aus einer Horizontalbohranlage sowie Aufnehmen aus einem
und Ablegen in einen Bohrgestängevorrat
gewährleistet.
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Ausgehend von dieser Problemstellung
wird eine Vorrichtung zum Einlegen und Entnehmen von Bohrgestängen in
und aus Horizontalbohranlagen vorgeschlagen, die erfindungsgemäß parallele,
seitlich am Bohrmast beabstandet angeordnete, aus einer Aufnahmestellung
für ein
Bohrgestänge
aus einem auf parallelen Trägern
angeordneten Bohrgestängevorrat
in eine Einlege- und Entnahmestellung in die und aus der Horizontalbohranlage
schwenkbare Bohrgestängegreifer aufweist.
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Die Erfindung geht von der Überlegung
aus, daß die
Handhabung eines freischwebenden Bohrgestänges große Probleme bereitet und daß es daher
notwendig ist, das Bohrgestänge
mittels eines Greifers so starr zu greifen, daß sich das Bohrgestänge nur
durch die Steuerung des Greifers in vorgegebenen Bahnen bewegt und
sich die Bohrgestängeenden
ohne Zutun einer Bedienungsperson genau fluchtend zu dem Bohrkopf
und dem Bohrgestängeende,
mit dem das angehobene Bohrgestänge
zu verbinden ist, automatisch positionieren lassen.
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Mittels dieser parallelen, seitlich
am Bohrmast beabstandet angeordneten Bohrgestängegreifer läßt sich
das Bohrgestänge
von dem Bohrgestängevorrat,
der parallel zum Bohrmast auf den Trägern angeordnet ist, aufnehmen
und auch wieder darauf zurücklegen.
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Die Träger für den Bohrgestängevorrat
können
vorzugsweise unter einem geringen Winkel zum Bohrmast hin geneigt
sein und an ihren Enden den Rollweg der Bohrgestänge begrenzende Anschläge aufweisen.
Auf diese Weise liegt stets ein Bohrgestänge an den bohrmastseitigen
Anschlägen
der Träger
an.
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Wenn die Schwenkbewegung der Bohrgestängegreifer
ausreicht, um den Weg zwischen der Bohrgestängeaufnahmestellung von den
Trägern
zur Bohrgestängeeinlege-
und -entnahmestellung in der Horizontalbohranlage zu überbrücken, lassen
sich die Bohrgestängegreifer
so im Bereich der an den bohrmastseitigen Enden der Träger angeordneten Anschläge anlenken,
daß sie
ein Bohrgestänge
bei der Bewegung aus der Aufnahmestellung in die Einlegestellung
und aus der Entnahmestellung zurück auf
die Träger über diese
Anschläge
hinüberheben.
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Wenn andererseits der Weg zwischen
der Bohrgestängeaufnahmestellung
zur Bohrgestängeeinlege- und -entnahmestellung
im wesentlichen dadurch überbrückt wird,
daß die
schwenkbaren Bohrgestängegreifer
an Tragbalken in Führungen
zwischen der Aufnahmestellung und der Einlege- und Entnahmestellung verschiebbar sind,
ist kein Hinüberheben über die
bohrmastseitigen Anschläge
erforderlich, vielmehr können
diese Anschläge
gegen Federkraft versenkbar ausgebildet sein, so daß sie beim
Vorfahren der ein Bohrgestänge
haltenden Bohrgestängegreifer
aus der Aufnahmestellung in die Einlegestellung durch das von dem
Bohrgestängegreifern
gehaltene Bohrgestänge
heruntergedrückt
werden, unmittelbar nach Passieren des Bohrgestänges jedoch wieder hochfahren
und die nachrollenden Bohrgestänge
des Bohrgestängevorrats auf
den Trägern
halten. Bei der umgekehrten Bewegung von der Entnahmestellung in
die Ablagestellung auf den Trägern
werden diese gegen Federkraft versenkbaren Anschläge in gleicher
Weise betätigt.
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Um Toleranzen und Änderungen
im Betrieb der Horizontalbohranlage ausgleichen zu können und
ein Bohrgestänge
stets genau fluchtend zum Bohrkopf und dem Ende eines noch in der
Bohrung befindlichen Bohrgestänges
positionieren zu können, sind
die Führungen
für die
Tragbalken der Bohrgestängegreifer
vorzugsweise neigungseinstellbar an am Bohrmast befestigten Konsolen
angeordnet.
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Vorzugsweise können die Träger an seitlichen Konsolen
der Führungen
für die
Tragbalken der Bohrgestängegreifer angeordnet sein,
so daß sich
die Bohrgestängegreifer
bis in den Bereich neben den Trägern
bewegen lassen.
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Der auf den Trägern angeordnete Bohrgestängevorrat
läßt sich
in der Weise ausbilden, daß die
an den dem Bohrmast abgewandten Enden der Träger angeordneten Anschläge unter
etwa 45° geneigte
Rampen bilden und in etwa senkrechter Stäbe übergehen, zu denen parallel
ebensolche Stäbe
im Abstand etwa des Bohrgestängedurchmessers
angeordnet sind, zwischen denen sich eine Anzahl der Bohrgestänge zu einem
senkrechten Bohrgestängevorrat
stapeln läßt.
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Auf den Trägern selbst liegen dann jeweils mindestens
zwei Bohrgestänge
nebeneinander, und das durch die parallelen Stäbe gebildete Magazin läßt sich
von unten durch Einschieben von aus der Horizontalbohranlage entnommenen
Bohrgestängen mittels
der Bohrgestängegreifer
füllen,
indem ein von den Greifern auf die Träger gelegtes Bohrgestänge das
davor liegende Bohrgestänge
entlang den Rampen hochdrückt.
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Eine vergrößerte Ausführungsform eines Bohrgestängemagazins
kann aus mehreren etwa senkrecht zu den Trägern und zueinander parallelen Stäben, die
etwa mit dem Abstand des Bohrgestängedurchmessers zueinander
angeordnet sind, bestehen, zwischen denen sich eine Anzahl der Bohrgestänge zu einem
senkrechten Bohrgestängevorrat stapeln
läßt, wobei
sich Schieber gesteuert in eine Bohrgestängedurchlaßstellung absenken und in eine Bohrgestängesperrstellung
anheben lassen und in der angehobenen Stellung etwa unter 45° geneigte Rampen
zum Umleiten der Bohrgestänge
in senkrechte Bohrgestängevorräte bilden.
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Die Schieber werden so angesteuert,
daß sich
die Bohrgestänge
nacheinander aus den senkrechten Bohrgestängestapeln entnehmen und auch wieder
darin zurück
legen lassen, wobei die Rohre beim Entnehmen durch die Schwerkraft
in den Bereich der Bohrgestängegreifer
gelangen, sich beim Zurücklegen
jedoch durch die Rampen an den Schiebern in die einzelnen senkrechten
Bohrgestängestapel
leiten lassen.
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Vorzugsweise können die Bohrgestängegreifer
als Zangen mit schwenkbaren Backen ausgebildet sein, von denen die
eine Backe am bohrmastseitigen Ende der Tragbalken schwenkbar und
die andere Backe an der ersten Backe schwenkbar gelagert ist.
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Die Steuerung der Bewegungen der
Bohrgestängegreifer,
der Tragbalken in den Führungen,
der senkrechten Stäbe
und der Hebevorrichtungen erfolgt vorzugsweise durch Hydraulik-Kolben-Zylinder-Einheiten.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand
eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des Näheren erläutert. In
der Zeichnung zeigen:
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1 eine
schematische Seitenansicht einer Horizontalbohranlage mit der Vorrichtung
zum Einlegen und Entnehmen von Bohrgestängen,
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2 eine
Draufsicht auf die Horizontalbohranlage gemäß 1,
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3 eine
vergrößerte Seitenansicht
einer ersten Ausführungsform
der Vorrichtung zum Einlegen und Entnehmen von Bohrgestängen in
der Bohrgestängeaufnahmestellung,
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4 eine
Seitenansicht der Vorrichtung gemäß 3 in einer Stellung nach dem Ergreifen
eines Bohrgestänges
durch den Bohrgestängegreifer,
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5 eine
Seitenansicht der Vorrichtung mit dem Bohrgestängegreifer in der Bohrgestängeaufnahmestellung
und der Bohrgestängeeinlege-
und -entnahmestellung in die und aus der Horizontalbohranlage,
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6 eine
Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß 3 bis 5,
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7 eine
Seitenansicht einer Vorrichtung mit einer zweiten Ausführungsform eines
Bohrgestängemaganzins
in der Bohrgestängeaufnahmestellung
aus dem Bohrgestängemagazin
des Bohrgestängegreifers,
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8 eine
Seitenansicht einer Vorrichtung mit einer dritten Ausführungsform
eines vollständig gefüllten Bohrgestängemaganzins
in der Bohrgestängeaufnahmestellung
aus dem Bohrgestängemagazin
des Bohrgestängegreifers,
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9 eine
Seitenansicht der Vorrichtung mit dem Bohrgestängemagazin gemäß 8 in der teilweise entleerten
Stellung und
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10 eine
Seitenansicht der Vorrichtung mit dem Bohrgestängemagazin gemäß 9 in der fast vollständig entleerten
Stellung.
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Eine in den 1 und 2 dargestellte
Horizontalbohranlage 1 weist einen Raupenunterwagen 2,
einen darauf neigungsveränderlich
angeordneten Bohrmast 3 mit einem verfahrbaren Schlitten 4 auf. Der
Schlitten 4 trägt
einen Bohrkopf 5. Am Boden läßt sich der Bohrmast 3 mittels
einer Ankerplatte 6 abstützen. Im Bereich der Ankerplatte 6,
ist am Bohrmast 3 eine Klemmvorrichtung 7 angeordnet,
die dazu dient, ein mit dem Bohrkopf 5 und/oder mit dem Ende
eines bereits in den Boden abgebohrten Bohrgestänges zu verbindendes Bohrgestänge 22 zu
halten. Diese Klemmvorrichtung 7 dient des weiteren dazu,
ein aus einer Bohrung herausgezogenes Bohrgestänge 22 vom Ende eines
noch in der Bohrung befindlichen Bohrgestänges zu lösen.
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Bei der in 3 bis 6 dargestellten
Ausführungsform
des Bohrgestängegreifers
sind am Bohrmast 3 beabstandete Konsolenträger 8 befestigt,
an denen mittels Schwenkgelenken 9 Konsolenarme 10 schwenkbar
angeordnet sind. Mittels Bohrungen 11 für nicht dargestellte Verriegelungsbolzen
lassen sich die Konsolenarme 10 in einer Stellung senkrecht
zum Bohrmast 3 sowie in einer angeklappten, zum Bohrmast 3 parallelen
Stellung verriegeln.
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An jedem Konsolenarm 10 ist
ein Führungsrohr 12 über Tragwinkel 13 und
ein Schwenkgelenk 14 angelenkt. Mittels eines dazu etwa
parallel angeordneten Spannschlosses 15 läßt sich
die Neigung des Führungsrohrs 12 bezüglich des
Konsolenarms 10 einstellen.
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Im Führungsrohr 12 ist
ein Tragbalken 17 verschiebbar geführt. Die Verschiebung wird
mittels einer über
eine Konsole 16 am Führungsrohr 12 und über eine
weitere Konsole 18 am Träger 17 angelenkten
Hydraulik-Kolben-Zylinder-Einheit 19 bewirkt.
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Am bohrmastseitigen Ende des Tragbalkens 17 ist
eine erste Backe 20 einer einen Bohrgestängegreifer
bildenden Zange im Schwenkgelenk 21 angelenkt. Diese erste
Backe läßt sich
bezüglich
des Tragbalkens 17 mittels einer Hydraulik-Kolben-Zylinder-Einheit 23 schwenken.
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An dieser ersten Backe 20 ist
eine zweite Backe 24 in einem Schwenkgelenk 25 angelenkt,
die sich mittels einer weiteren Hydraulik-Kolben-Zylinder-Einheit 26 öffnen und
schließen
läßt.
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Die Neigung des Führungsrohrs 12 und
des Tragbalkens 17 wird mittels des Spannschlosses 15 so
eingestellt, daß ein
von der Zange 20, 24 ergriffenen Bohrgestänge 22 in
der Bohrgestängeeinlegestellung
in die Horizontalbohranlage 1 genau fluchtend zu dem Bohrkopf 5 und
einem bereits im Boden abgebohrten Bohrgestänge zu liegen kommt. Mittels seitlicher
Konsolen 40 sind an den Führungsrohren 12 Träger 27 für einen
Bohrgestängevorrat 30 befestigt.
Die Neigung der Träger 27 ist
so eingestellt, daß die
Bohrgestänge 22 des
Bohrgestängevorrats
stets an einem gegen Federkraft versenkbaren Anschlag 29 anliegen.
Am entgegengesetzten Ende der Träger 27 ist
ein fester Anschlag 28 angeordnet. Das der Zange 20, 24 nächstgelegene
Bohrgestänge 22 des auf den
Trägern 27 abgelegten
Bohrgestängevorrats 30 rollt
in die geöffnete
Zange 20, 24 und wird durch Betätigen der
Hydraulik-Kolben-Zylinder-Einheit 26 zwischen den Backen 20, 24 eingeklemmt.
Danach wird die Zange 20, 24 durch Betätigen der
Hydraulik-Kolben-Zylinder-Einheit 23 in eine Bohrgestängeeinlegestellung
um das Schwenkgelenk 21 geschwenkt, wobei gleichzeitig
oder danach die Tragbalken 17 durch Betätigen der Hydraulik-Kolben-Zylinder-Einheit 19 soweit
verschoben werden, daß das von
den Zangen 20, 24 ergriffene Bohrgestänge 22 genau
fluchtend zum Bohrkopf 5 und zur Klemmvorrichtung 7 zu
liegen kommt und sich das Bohrgestänge 22 mit dem Ende
eines bereits in den Boden abgebohrten Bohrgestänges sowie mit dem Bohrkopf 5 verschrauben
läßt. Beim
Schwanken der Zangen 20, 24 und/oder beim Verschieben
der Tragbalken 17 wird der versenkbare Anschlag 29 durch
das jeweils transportierte Bohrgestänge 22 heruntergedrückt, ohne
den Bewegungsablauf zu behindern.
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Zum Entnehmen eines Bohrgestänges 22 läuft der
Bewegungsvorgang umgekehrt ab.
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Da der Bohrgestängevorrat 30 auf den
Trägern 27 parallel
zum Bohrmast 3 abgelegt ist, jeweils ein Bohrgestänge 22 von
mindestens zwei Zangen 20, 24 parallel zum Bohrmast 3 in
die Bohrgestängeeinlege-
oder -entnahmestellung bewegt wird, ergeben sich keinerlei Schwierigkeiten
beim Einlegen und Entnehmen des Bohrgestänges, die Unfallgefahr ist vermindert
und ist ein beschleunigtes Einlegen und Entnehmen von Bohrgestängen 22 gewährleistet.
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Das Bohrgestänge 22 ist zwischen
der Bohrgestängeaufnahmestellung
und der Bohrgestängeeinlege- oder- entnahmestellung
formschlüssig
gehalten und geführt,
so daß kein
unfallträchtiges
freies Schwingen des Bohrgestänges 22 eintreten
kann.
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Die in 7 dargestellte
Ausführungsform zeigt
ein vergrößertes Bohrgestängemagazin
aus einem waagerechten Bohrgestängevorrat 30 und
einem senkrechten Bohrgestängevorrat 34.
Der Bohrgestängevorrat 34 ist
zwischen Stäben 31 und
dazu um etwa den Bohrgestängedurchmesser
beabstandeten Stäben 32 angeordnet.
Der waagerechte Bohrgestängevorrat 30 ist
durch zu den Trägern 27 parallele
Stäbe 35 geführt. Am
Ende des Trägers 27 ist eine
etwa unter 45° geneigte
Rampe 33 vorgesehen. Wird, wie mit Bezug auf die 3 bis 5 dargestellt, nacheinander ein Bohrgestänge 22 entnommen,
rollen die Bohrgestänge
des waagerechten Bohrgestängevorrats 30 gegen
den versenkbaren Anschlag 29, und ein Bohrgestänge 22 aus
dem Bohrgestängevorrat 34 rückt nach.
Somit wird zunächst
der senkrechte Bohrgestängevorrat 34 entleert,
danach der waagerechte Bohrgestängevorrat 30.
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Beim Füllen des Bohrgestängemaganzins werden
die Bohrgestänge 22 einzeln
mittels der Zange 20, 24 zwischen die Träger 27 und
die Stäbe 35 geschoben,
bis sie auf die Rampen 33 treffen. Die Rampen 33 lenken
die Bohrgestänge 22 dann
in den senkrechten Bohrgestängevorrat 34.
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Die 9 bis 10 stellen ein weiter vergrößertes Bohrgestängemagazin 37 mit
drei senkrechten Bohrgestängevorräten dar.
Zwischen den einzelnen, senkrechten Bohrgestängevorräten sind im wesentlichen senkrechte
Stäbe 31 und
dazu parallele Stäbe 36, 32 angeordnet.
Die Stäbe 31 weisen
wie in 7 dargestellt,
die etwa unter 45° geneigten
Rampen 33 auf. Außerdem
sind im Bereich der ersten beiden senkrechten Bohrgestängevorräte etwa
unter 45° geneigt
bewegliche, mittels Kolben-Zylinder-Einheiten 39 bewegliche
Schieber 38 vorgesehen.
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Beim in 8 bis 10 dargestellten
Entleeren des Bohrgestängemagazins 37 werden
zunächst
die der Zange 20, 24 benachbarten Bohrgestänge 22 entnommen
bis der senkrechte Bohrgestängevorrat zwischen
den Stäben 32, 36 entleert
ist. Danach werden die dem Bohrgestängegreifer 20, 24 benachbarten
Schieber 38 mittels der Kolben-Zylinder-Einheit 39 in
die n 9 dargestellte
Stellung zurückgezogen,
bis sich dieser senkrechte Bohrgestängevorrat entleert ist und
so fort, bis auch der den Stäben 31 benachbarte
Bohrgestängevorrat
entleert ist.
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Zum Füllen des Bohrgestängemagazins 37 mit
aus der Horizontalbohranlage 1 entnommenen Bohrgestängen 22 werden
zunächst
sämtliche Schieber 38 vorgeschoben,
um den den Stäben 31 benachbarten
Bohrgestängevorrat
entlang der Rampen 33 aufzufüllen. Hierfür dient die in 7 bis 10 dargestellte
Rampe 33, die in diesem Bereich feststehen kann, während entsprechende
Rampen zwischen den senkrecht beweglichen Stäben 36 steuerbar versenkbar
sein müssen
und durch die Schieber 38 gebildet werden, um das aufeinanderfolgende Füllen der
parallen, senkrechten Bohrgestängevorräte zu ermöglichen.