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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Rohrverbindungen, Bohrstränge, Bohrmaschinen und
Verfahren zum Bohren horizontaler Bohrlöcher.
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Das
U.S. Patent US-A-3.065.807 offenbart eine Rohrverbindung zur Verwendung
in Bohrsträngen
in Drehbohranwendungen, wobei die Rohrverbindung folgendes umfasst:
ein
elongiertes, röhrenförmiges, äußeres Element
mit einem entsprechenden Gewindestiftende und einem Kastenende;
ein
elongiertes inneres Element mit einem Stiftende und einem Kastenende
mit komplementären,
zusammenpassenden Oberflächen,
wobei das Stiftende verschiebbar in dem Kastenende eines ähnlich geformten
inneren Elements aufgenommen und frei aus diesem entfernt werden
kann;
wobei das innere Element allgemein koaxial in dem röhrenförmigen äußeren Element
angeordnet ist, um dazwischen einen ringförmigen Zwischenraum zu definieren.
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Vorgesehen
ist gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Rohrverbindung zur Verwendung in Bohrsträngen in
Drehbohranwendungen, wobei die Rohrverbindung dadurch gekennzeichnet
ist, dass:
die genannten komplementären, zusammenpassenden Oberflächen eine
Drehmoment übertragende Konfiguration
aufweisen, die bei einer verschiebbaren Aufnahme in dem Kastenende
eines anderen derartigen inneren Elements eine relative Rotation
eines Stiftendes eines derartigen inneren Elements verhindert.
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Vorzugsweise
ist das Kastenende des inneren Elements in dem Kastenende des äußeren Elements
positioniert, wobei die innere Oberfläche des äußeren Elements einen ringförmigen Ansatz
an dem Kastenende des äußeren Elements
bildet, und wobei das Kastenende des inneren Elements einen Ansatz
bildet, wobei der Ansatz des inneren Elements so bemessen ist, dass
er eine axiale Bewegung des inneren Elements in dem äußeren Element in
Richtung der Stiftende der inneren und äußeren Elemente einschränkt.
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Vorgesehen
ist gemäß der vorliegenden
Erfindung ferner ein Bohrstrang, der eine Mehrzahl von Rohrverbindungen
gemäß den vorstehenden
Ansprüchen
umfasst, wobei die benachbarten inneren Elemente Stiftende an Kastenende
verbunden werden, und wobei die benachbarten röhrenförmigen äußeren Ende ebenfalls Stiftende
an Kastenende verbunden werden, wodurch ein Durchgang entlang des Bohrstrangs
gebildet wird.
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Vorgesehen
ist gemäß der vorliegenden
Erfindung ferner eine horizontale Bohrmaschine, welche den vorstehend
genannten Bohrstrang umfasst.
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Vorzugsweise
umfasst die horizontale Bohrmaschine ferner folgendes:
einen
Rahmen;
eine Rotationsmaschine, die an dem Rahmen getragen
wird;
einen direktionalen Bohrkopf, der an einem distalen Ende
des Bohrstrangs angebracht ist, wobei das proximate Ende des Bohrstrangs
funktionsfähig
mit der Rotationsmaschine verbunden ist, um die Rotation des Bohrstrangs
anzutreiben.
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In
einem Ausführungsbeispiel
umfasst die Rotationsmaschine ferner folgendes:
eine Schlitteneinheit,
die an dem Rahmen getragen wird;
eine Innenelement-Antriebsgruppe
zum Antreiben der Mehrzahl von inneren Elementen, die den Bohrstrang
umfassen, wobei die Innenelement-Antriebsgruppe an der Schlitteneinheit getragen
wird und einen Innenelement-Antriebsmotor umfasst, eine Innenspindel
und ein Drehmoment übertragendes
Element zur Übertragung
von Drehmoment von dem Innenelement-Antriebsmotor auf die Innenspindel,
wobei die Innenspindel an dem proximalen Ende des Bohrstrangs mit
dem Innenelement verbunden ist;
eine Außenelement-Antriebsgruppe zum
Antreiben der Mehrzahl von äußeren Elementen,
die den Bohrstrang umfassen, wobei die Außenelement-Antriebsgruppe an
der Schlitteneinheit getragen wird und einen Außenelement-Antriebsmotor, eine äußere Spindel
und ein Drehmoment übertragendes
Element umfasst, zur Übertragung
von Drehmoment von dem Außenelement-Antriebsmotor auf
die äußere Spindel,
wobei die äußere Spindel
an dem proximalen Ende des Bohrstrangs mit dem äußeren Element verbunden werden
kann; und
eine Vorbelastungseinheit, die an dem Schlitten getragen
wird und einen im Wesentlichen gleichzeitigen, verschiebbaren, Drehmoment übertragenden Eingriff
des inneren Elements einer Rohrverbindung, die an der Bohrmaschine
bestückt
ist, mit der Rotationsmaschine und mit dem inneren Element an dem proximalen
Ende des Bohrstrangs zu erzwingen.
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Vorgesehen
ist gemäß der vorliegenden
Erfindung schließlich
ein Verfahren zur Erzeugung direktionaler Bohrlöcher unter Verwendung einer
Bohrmaschine und einer Rohrverbindung gemäß den vorstehenden Ausführungen,
wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
gleichzeitiges
Drehen und axiales Vorschieben eines Bohrkopfes zur Erzeugung eines
Bohrlochs durch den Vorschub der Bohrmaschine, während Drehmoment auf den Bohrkopf
ausgeübt
wird, und wobei in der Folge neue Rohrverbindungen dem Doppelelement-Bohrstrang
hinzugefügt
werden,
gekennzeichnet durch die Verbindung jedes äußeren Elements
der zusätzlichen
Rohrverbindung mit einem anderen der äußeren Elemente einer benachbarten
Rohrverbindung im Wesentlichen gleichzeitig zu der Verbindung jedes
inneren Elements der zusätzlichen
Rohrverbindung in verschiebbarem, Drehmoment übertragendem Eingriff mit einem
anderen der inneren Elemente einer benachbarten Rohrverbindung.
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Vorzugsweise
umfasst das Verfahren ferner den folgenden Schritt umfasst: Trennen
der Verbindungen der Rohrverbindung durch Umkehr des Verfahrens
zur Herstellung von Verbindungen der Rohrverbindung.
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Nachstehend
wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
beispielhaft ausschließlich
in Bezug auf die Abbildungen der 1 bis 5 der beigefügten Zeichnungen
beschrieben. In den Zeichnungen zeigen.
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1 eine Seitenansicht im
teilweisen Querschnitt einer Bohrmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2 eine auseinandergezogene
Seitenansicht im teilweisen Querschnitt einer Rohrverbindung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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3 eine Querschnittsansicht
entlang der Linie 3-3 aus 1;
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4 eine Querschnittsansicht
entlang der Linie 4-4 aus 1;
und
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5 eine Querschnittsansicht
entlang der Linie 5-5 aus 1.
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Horizontalbohrmaschinen
haben mittlerweile Techniken zum Gräben ziehen zum Verlegen von
unterirdischen Versorgungsleitungen und zu Verlegen anderer Leitungen
unter der Erde ersetzt. Es stehen verschiedene Systeme zum direktionalen
bzw. lenkbaren Bohren zur Verfügung.
Beim Bohren in Erdreich ist zum Beispiel eine Maschine mit einer
einzelnen Bohrstange mit einer Bohrerspitze mit schräger Fläche ideal
geeignet. Das Bohrloch wird gebohrt, während sich die Bohrstange dreht.
Das Lenken bzw. die Steuerung erfolgt, wenn die Bohrerspitze mit schräger Fläche ohne
Rotation der Bohrstange vorgeschoben wird; die schräge Fläche sticht
bzw. dringt einfach in das Erdreich ein, was eine Ablenkung der Bohrerspitze
bewirkt, wodurch der Winkel der Achse verändert wird.
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Diese
Technologie ist bei steinigen Bedingungen allerdings nicht wirksam,
da die Bohrerspitze mit schräger
Fläche
nicht durch Stein vorgeschoben werden kann. Bei Bohranwendungen
in Stein werden somit Bohrstrangsysteme mit zwei Elementen bevorzugt.
Bohrstränge
aus zwei Elementen umfassen eine Mehrzahl von Rohrverbindungen,
die jeweils ein inneres Element umfassen, das innerhalb eines äußeren Rohrs
bzw. Elements getragen wird. Das innere Element des Bohrgestänges treibt
konstant die Rotation des Bohrkopfes zum Bohren der Formation an,
und das äußere Element
des Bohrgestänges
wird selektiv gedreht, um den Lenkmechanismus auszurichten, um die
Richtung des Bohrlochs zu ändern, während die
sich drehende Bohrerspitze weiter bohrt. Ein derartiges System wird
in der U.S. Patentanmeldung 08/215.649 (mittlerweile als U.S. Patent erteilt
unter der Nummer US-A-5.490.569), eingereicht am 22. März 1994
unter dem Titel "Directional Boring
Head With Deflection Shoe" beschrieben, dessen
Inhalt hierin durch Verweis enthalten ist.
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Bei
herkömmlichen
Bohrstrangsystemen weisen die Enden des inneren Elements und der äußeren Elemente
eines Bohrstrangs aus zwei Elementen Gewinde auf. Somit ist das
Bilden von Rohrverbindungen und das Lösen von Rohrverbindungen in Bohrstrangsystemen
aus zwei Elementen zeitaufwändiger,
wobei zwei Rohrverbindungen an Stelle von einer für jede Verbindung
erforderlich sind. Wenn dem Bohrstrang eine herkömmliche Rohrverbindung aus
zwei Elementen hinzugefügt
wird, wird zuerst eine Verbindung mit dem inneren Element der Rohrverbindung
und dann mit dem äußeren Element
hergestellt. Die Spindel der Bohrmaschine wird über ein Gewinde mit dem ersten
Ende des inneren Elements einer neuen Rohrverbindung verbunden,
die dem Bohrstrang hinzugefügt
werden soll. Das innere Element der neuen Rohrverbindung wird danach
an dem Ende des Bohrstrangs über
ein Gewinde mit dem inneren Element verbunden. Danach muss die Spindel von
dem inneren Element entfernt werden, bevor das äußere Element angeschraubt wird,
um eine Drehmomentaufnahme durch das äußere Element zu verhindern.
Das äußere Element
wird danach auf die gleiche Art und Weise an den Bohrstrang geschraubt. Nachdem
die inneren und äußeren Elemente
an den Bohrstrang geschraubt worden sind, kann das Bohren fortgesetzt
werden. Während
herkömmliche Rohrverbindungen
aus zwei Elementen zwar effektiv sind, sind sie gleichzeitig ineffizient,
da für
die Montage und die Demontage der Rohrverbindungen viel Zeit aufgebracht
wird.
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Die
vorliegende Erfindung verringert die erforderliche Zeit für eine Herstellung
und ein Lösen von
Anschlüssen
von Rohrverbindungen erheblich. Vorgesehen ist gemäß der vorliegenden
Erfindung in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine "Gleitsitzverbindung" von zwei Elementen
an jedem Ende des inneren Elements sowie eine Schraubverbindung
an jedem Ende des äußeren Rohrelements.
Bei dem inneren Element kann es sich um eine Stange mit röhrenförmigem Querschnitt
oder um eine solide Stange handeln. Dies ermöglicht die Verbindung der inneren
und äußeren Elemente
mit einer ähnlichen Rohrverbindung
in einem Schritt, sodass das nicht zuerst erste innere Ende über eine
Schraubverbindung verbunden werden muss und danach die äußeren Elemente
in einer Reihe von Schritten. Diese Verbindung in einer Aktion wird
dadurch erreicht, dass die Enden der inneren Elemente in einer geometrischen
Form ohne Gewinde gestaltet werden, was eine axiale Gleit- bzw.
Schiebeverbindung eines ähnliches
Verbindungsglieds ermöglicht,
so dass eine verbinderlose, Drehmoment übertragende Gleitsitzverbindung
gebildet wird, während
die äußeren Elemente
der Verbindungen über
Gewinde bzw. durch Schrauben verbunden werden. Diese Gleitsitzverbindung
in einer Aktion reduziert erheblich die erforderliche Zeit für die Herstellung
und das Lösen
von Rohrverbindungsanschlüssen
und senkt ferner die mit einem bestimmten Bohrvorgang verbundenen Betriebskosten.
Diese und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus
der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele deutlich.
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In
der Folge wird allgemein Bezug auf die Zeichnungen genommen, und
im Besonderen in Bezug auf die Abbildung aus 1 ist darin eine Horizontalbohrmaschine 10 mit
einer Konstruktion gemäß der vorliegenden
Erfindung dargestellt. Die Horizontalbohrmaschine 10 umfasst
einen Rahmen 12, eine Rotationsmaschine 14, die
auch als Drehwerkzeugkopf bezeichnet wird, die bzw. der an dem Rahmen
getragen wird, einen Bohrstrang bzw. ein Bohrgestänge 16 und
einen direktionalen Bohrkopf 18.
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Bei
dem direktionalen Bohrkopf 18 kann es sich um jeden für die Bohrbedingungen
geeigneten Bohrkopf handeln, abhängig
davon, ob es sich um hartes oder weiches Erdreich oder etwa um Stein handelt.
Der in der U.S. Patentanmeldung 08/215.649 (mittlerweile erteilt
als das U.S. Patent US-A-5.490.569) beschriebene Bohrkopf eignet
sich besonders zur Verwendung in Verbindung mit der Horizontalbohrmaschine 10 gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Der
Bohrstrang 16 weist ein erstes Ende 20 und ein
zweites Ende 22 auf. Das erste Ende 20 des Bohrstrangs 16 kann
funktionsfähig
mit der Rotationsmaschine 14 verbunden werden, um die Rotation des
Bohrstrangs anzutreiben. Das zweite Ende 22 des Bohrstrangs 16 kann
funktionsfähig
mit dem direktionalen Bohrkopf 18 verbunden werden. Der Bohrstrang 16 umfasst
eine Mehrzahl von miteinander verbindbaren Rohrverbindungen 24 aus
zwei Elementen. Der hierin verwendete Begriff "Rohrverbindung" betrifft einen einer Mehrzahl von Abschnitten
eines Bohrgestänges
und/oder einer Bohrstange, die gemeinsam den Bohrstrang 16 bilden.
Jede Rohrverbindung 24 weist ein äußeres Element 26 und
ein inneres Element 28 auf, die nachstehend im Text jeweils
näher beschrieben
werden.
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Gemäß der bevorzugten
Ausführung
der vorliegenden Erfindung umfasst die Rotationsmaschine 14 zwei
unabhängige
Antriebselemente zum unabhängigen
Antreiben der Mehrzahl der äußeren Elemente 26 und
der inneren Elemente 28, welche den Bohrstrang 16 umfassen.
Die Rotationsmaschine umfasst somit vorzugsweise einen an dem Rahmen 12 getragenen
Schlitten 34, eine Antriebsgruppe 36 des äußeren Elements
zum Antreiben der Mehrzahl äußerer Elemente 26,
eine Antriebsgruppe 38 des inneren Elements, die auch als
Innenelement-Antriebswellengruppe
bezeichnet wird, zum Antreiben der Mehrzahl von inneren Elementen 28,
und eine Vorbelastungseinheit 40 zum Erzwingen eines Eingriffs
der inneren Elemente.
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In
weiterem Bezug auf die Abbildung aus 1 wird
die Außenelement-Antriebsgruppe 36 an dem
Schlitten 34 getragen und umfasst einen Außenelement-Antriebsmotor 44,
eine äußere Spindel 46 und
ein Drehmoment übertragendes
Element 48. Der Außenelement-Antriebsmotor 44 übermittelt
Drehmoment über
das Drehmoment übertragende
Element 48 auf die äußere Spindel 46.
Hiermit wird festgestellt, dass jede Einrichtung zur Drehmomentübertragung
von dem Außenelement-Antriebsmotor 44 auf
die äußere Spindel 46 verwendet
werden kann. In der Abbildung aus 1 ist
zu diesem Zweck eine Kettenantriebseinheit mit oberen und unteren
Zähnen
abgebildet. Die äußere Spindel 46 kann
an dem ersten Ende 20 des Bohrstrangs 16 über Gewinde mit
dem äußeren Element 26 verbunden
werden. Die äußere Spindel 46 überträgt Drehmoment
auf die Mehrzahl von äußeren Elementen 26,
welche den Bohrstrang 16 umfassen. Die äußere Spindel 46 wird an
dem Schlitten durch ein Paar konischer Kugellager 50 gelagert,
die durch eine Halteeinrichtung 52 an der Verwendungsposition
gehalten werden.
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In
weiterem Bezug auf die Abbildung aus 1 wird
die Innenelement-Antriebsgruppe 38 an dem Schlitten 34 getragen
und umfasst einen Innenelement-Antriebsmotor 56, eine innere
Spindel 58, die auch als Antriebswellenspindel bezeichnet
wird, und ein Drehmoment übertragendes
Element 60. Der Innenelement-Antriebsmotor 56 kann
an einem Schlitzten 34 getragen werden, wobei ein verschiebbarer
Befestigungsträger 62 an
einem Gleitelement 64 mit einer rechteckigen Gleitdurchführung 66 getragen
werden kann. Der Innenelement-Antriebsmotor 56 überträgt Drehmoment über das
Drehmomentübertragungselement 60 auf
die innere Spindel 58. Die Abbildung aus 1 zeigt eine Keilwellenkopplungseinheit,
welche den Innenelement-Antriebsmotor 56 mit
der inneren Spindel 58 koppelt. Hiermit wird festgestellt,
dass jede Einrichtung ausreichend ist, die in der Lage ist, Drehmoment
von dem Innenelement-Antriebsmotor 56 auf die innere Spindel 58 zu übertragen.
Die innere Spindel 58 kann an dem ersten Ende 20 des
Bohrstrangs 16 auf eine nachstehend im Text beschriebene
Art und Weise mit dem Innenelement 28 verbunden werden.
Die Mehrzahl der inneren Elemente 28, welche den Bohrstrang 16 umfassen, übertragen
Drehmoment von der inneren Spindel 58 auf den direktionalen
Bohrkopf 18 an dem zweiten Ende 22 des Bohrstrangs.
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Die
Vorbelastungseinheit 40 wird an dem Wagen 34 getragen
und eignet sich dazu, eine Verbindung des inneren Elements 28 mit
der inneren Spindel 58 und mit dem inneren Element an dem
ersten Ende 20 des Bohrstrangs 16 zu erzwingen.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
umfasst die Vorbelastungseinheit 40 eine Anordnung von
Zugfedern 68, die an dem verschiebbaren Befestigungsträger 62 getragen
werden, und die Gleitdurchführung 66.
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In
weiterem Bezug auf die Abbildung aus 1 empfängt ein
in der äußeren Spindel 46 ausgebildetes
Fluiddrehgelenk 70 Bohrfluid von einer nicht abgebildeten
Fluidquelle. Bohrfluid wird auf eine nachstehend im Text beschriebene
Art und Weise zu dem direktionalen Bohrkopf 18 befördert. Das
Bohrfluid schmiert und kühlt
den direktionalen Bohrkopf 18, befördert Schnittgut von dem Bohrloch
und unterstützt
die Stabilisierung des Bohrlochs, indem ein Kollabieren des Erdreichs
um das Bohrloch herum verhindert wird.
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In
folgendem Bezug auf die Abbildung aus 2 veranschaulicht
diese die bevorzugte Rohrverbindung zur Verwendung mit der Bohrmaschine 10. Die
Abbildung aus 2 zeigt
eine gemäß der vorliegenden
Erfindung gestaltete Rohrverbindung aus zwei Elementen, die allgemein
mit der Bezugsziffer 24 bezeichnet ist. Die Rohrverbindung
umfasst ein elongiertes, röhrenförmiges äußeres Element 26 und ein
elongiertes inneres Element 28, das auch als Antriebswellenelement
bezeichnet wird. Jedes Element ist unabhängig in der Lage Drehmoment
zur Verwendung im Bohrloch während
dem Bohrvorgang zu übertragen.
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Das äußere Element 26 ist
röhrenförmig und weist
eine innere Oberfläche 80 und
eine äußere Oberfläche 82 auf.
Das äußere Element 26 umfasst ein
Stiftende 84 und ein Kastenende 86. Das Stiftende 84 und
das Kastenende 86 weisen zusammenpassende Gewinde auf.
Das heißt,
das Stiftende 84 ist mit konischen externen Gewinden 85 versehen, und
das Kastenende 86 ist mit konischen internen Gewinden 87 versehen.
Das Kastenende 86 des äußeren Elements 26 kann
somit mit dem Stiftende 84 einer entsprechenden Rohrverbindung 24 verbunden werden.
In ähnlicher
Weise kann das Stiftende 84 des äußeren Elements 26 mit
dem Kastenende 86 einer entsprechenden Rohrverbindung verbunden
werden.
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Die
Außendurchmesser
des Stiftendes 84 und des Kastenendes 86 des äußeren Elements 26 können größer sein
als der Außendurchmesser
des zentralen Körperteilstücks des äußeren Elements. Das
Kastenende 86 des äußeren Elements 26 bildet einen
vergrößerten Innenraum 88 für einen
nachstehend im Text beschriebenen Zweck.
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In
weiterem Bezug auf die Abbildung aus 2 ist
das innere Element 28 gereckt. Der Außendurchmesser des inneren
Elements 28 ist kleiner als der kleinste Innendurchmesser
des äußeren Elements 26.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist
das innere Element 28 integral ausgebildet und umfasst
eine solide bzw. massive Stange. Hiermit wird allerdings festgestellt,
dass in bestimmten Fällen ein
röhrenförmiges inneres
Element 28 ausreichend ist. Das Kastenende 96 des
inneren Elements 28 kann an das innere Element hartgelötet, geschmiedet
oder geschweißt
oder auf andere geeignete Art und Weise an diesem angebracht werden.
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Wie
dies vorstehend bereits beschrieben worden ist, liegt ein Vorteil
der vorliegenden Erfindung in der Gleitsitzverbindung in einer Aktion
zwischen den inneren Elementen 28 entsprechender Rohrverbindungen 24.
Zu diesem Zweck ist das innere Element 28 mit einem geometrisch
geformten Stiftende 94 und mit einem Kastenende 96 versehen, das
eine Aussparung in einer geometrischen Form bildet, die der Form
des Stiftendes des inneren Elements entspricht. Die hierin verwendete
Phrase "geometrisch
geformt" bezeichnet
jede Konfiguration, die eine gleitfähige Aufnahme des Stiftendes 94 in dem
Kastenende 96 ermöglicht,
wobei sie jedoch bei einer Verbindung auf diese Weise eine Rotation
des Stiftendes im Verhältnis
zu dem Kastenende verhindert. Dabei wird ein verbinderloser Eingriff
in einer Aktion vorgesehen, der Drehmoment von einem Verbindungsglied
auf das nächste über die
gesamte Länge
des Bohrstrangs 16 bis hin zu dem direktionalen Bohrkopf 18 übertragen
kann. Der hierin verwendete Begriff "verbinderlos" betrifft das Fehlen einer Klinke oder
einer anderen Befestigungseinrichtung, die erforderlich wäre, um das
Stiftende 94 des Innenelements 28 in dem Kastenende 96 eines ähnlichen inneren
Elements zu halten.
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Ein
Sechseck ist eine bevorzugte geometrische Form für das Stiftende 94 und
das Kastenende 96 des Innenelements 28. Verwendet
werden kann jede geometrische Form, die eine verbinderlose Gleitsitzverbindung
in einer Aktion zwischen den Innenelementen 28 ermöglicht.
Hiermit wird jedoch festgestellt, dass "geometrisch geformt" im Sinne der vorliegenden Anmeldung
keine absolut runde Form einschließt, da diese keine Drehmomentübertragung von
einem Verbindungsglied auf das nächste
zulassen würde.
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Wie
dies in den Abbildungen der 2 und 3 dargestellt ist, ist das
Innenelement 28 allgemein koaxial in dem äußeren Element 26 angeordnet.
Die Anordnung des Innenelements 28 in dem äußeren Element 26 erzeugt
einen ringförmigen
Raum 98 zwischen dem inneren Element und der inneren Oberfläche 80 des äußeren Elements.
Die Abbildung aus 3 zeigt
im Querschnitt entlang der Linie 3-3 aus 1 die Anordnung des Innenelements 28 in
dem äußeren Element 26 und
den dazwischen erzeugten ringförmigen
Raum 98.
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Eine
Reihe verbundener Innenelemente 28 und Außenelemente 26 erzeugt
somit einen Durchgang, der sich über
die Länge
des Bohrstrangs 16 erstreckt. Hiermit wird festgestellt,
dass Bohrfluid durch das Fluiddrehgelenk 70 in den Bohrstrang 16 eindringen
kann, wie dies in der Abbildung aus 1 dargestellt
ist, und wobei das Fluid entlang der Länge des Bohrstrangs 16 durch
den ringförmigen
Raum 98 zwischen verbundenen Innenelementen 28 und
Außenelementen 26 zu
dem direktionalen Bohrkopf 18 fließen kann. Die in der Abbildung
aus 1 veranschaulichte
Dichtung 100, die durch die Halteeinrichtung 102 an
der Verwendungsposition gehalten wird, verhindert das Freisetzen
von Bohrfluid aus dem ringförmigen Raum 98 sowie
das Eindringen von Verunreinigungen in den ringförmigen Raum.
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In
den Fällen,
in denen das Innenelement 28 röhrenförmig ist, kann Fluid alternativ
durch einen durch eine verbundene Reihe von röhrenförmigen Innenelementen gebildeten
Durchgang zu dem direktionalen Bohrkopf 18 verlaufen. Somit
kann ein röhrenförmiges inneres
Element 28 verwendet werden, wenn es wünschenswert ist, mehr als eine
Art von Bohrfluid zu befördern.
Ein röhrenförmiges inneres Element 28 kann
auch dann verwendet werden, wenn es wünschenswert ist, Bohrfluid
durch den durch verbundene röhrenförmige innere
Elemente gebildeten Durchgang zu befördern anstatt durch den ringförmigen Durchgang 98,
der zwischen den verbundenen inneren Elementen 28 und äußeren Elementen 26 ausgebildet
ist. Die Position der Dichtung 100 wird abhängig von
dem Durchgang angepasst, durch den Bohrfluid verläuft.
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In
erneutem Bezug auf die Abbildung aus 2 ist
das Kastenende 96 des inneren Elements 28 in dem
Kastenelement 86 des äußeren Elements 26 angeordnet.
Somit wird deutlich, warum das Kastenende 86 des äußeren Elements 26 einen
vergrößerten Innenraum 88 bildet,
um das Kastenende 96 des Innenelements 28 aufzunehmen.
Diese Anordnung erleichtert die Verbindung in einer Aktion der Rohrverbindung 24 mit
dem Bohrstrang 16 und der Rotationsmaschine 14.
Die Abbildung aus 4 zeigt
im Querschnitt die Anordnung des Kastenendes 96 des Innenelements 28 in
dem Kastenende 86 des äußeren Elements 26.
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Wünschenswert
ist eine Konstruktion der Rohrverbindung 24 aus zwei Elementen,
so dass das innere Element 28 verschiebbar in das äußere Element
eingeführt
und aus diesem entfernt werden kann. Dies ermöglicht eine einfache Instandsetzung und
bei Bedarf einen Austausch des inneren Elements. In der zusammengesetzten
Rohrverbindung muss die Längsbewegung
des inneren Elements 28 in dem äußeren Element 26 jedoch
beschränkt
werden. Demgemäß sind Anlaufvorrichtungen
in der Rohrverbindung 24 vorgesehen.
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Zur
Begrenzung der Bewegung in die Richtung X bildet die innere Oberfläche 80 des äußeren Elements 26 in
erneutem Bezug auf die Abbildung aus 2 einen
ringförmigen
Ansatz 104 an dem Kastenende 86. Darüber hinaus
bildet das Kastenende 96 des inneren Elements 28 einen
Ansatz 106, der größer ist
als der ringförmige
Ansatz 104. Wenn das innere Element 28 somit in
die Richtung X bewegt wird, stößt der Ansatz 106 an
den ringförmigen
Ansatz 104 an, wodurch eine weitere Bewegung in diese Richtung
verhindert wird.
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Die
Längsbewegung
des inneren Elements in die Richtung der Kastenenden 84 und 94,
welche in der Abbildung aus 2 als
die Richtung Y bezeichnet ist, wird durch das Vorsehen eines radial vorstehenden
ringförmigen
Anlaufelements beschränkt.
Das Stiftende 94 des Innenelements 28 erstreckt
sich über
ein Stück über das
Stiftende 84 des äußeren Elements 26 hinaus.
Ein radial vorstehendes, ringförmiges
Anlaufelement ist nahe dem Stiftende 94 des Innenelements 28 hinter
dem Stiftende 84 des äußeren Elements 26 angeordnet.
Wie dies in der auseinandergezogenen Ansicht aus 2 dargestellt ist, umfasst das radial
vorstehende, ringförmige
Anlaufelement vorzugsweise einen Kragen 108 und eine Stellschraube
bzw. einen Stift 110. Die Abbildung aus 5 zeigt im Querschnitt die Interaktion des
Kragens 108 und der Stellschraube 110 mit dem inneren
Element 28. Wenn das innere Element 28 in die
Richtung Y bewegt wird, stößt der Anlaufkragen 108 an
das Stiftende 84 des äußeren Elements 26 an und
wirkt einer weiteren Bewegung entgegen.
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Wie
dies in der Abbildung aus 2 dargestellt
ist, ist es wünschenswert,
dass die äußere Oberfläche 82 des äußeren Elements 26 eine
umfängliche
Rille 112 nahe dem Stiftende 84 des äußeren Elements
definiert. Die umfängliche
Rille 112 erleichtert die Positionierung der Rohrverbindung 24 an der
ordnungsgemäßen Position
an der Bohrmaschine 10 für eine Herstellung und ein
Lösen von
Rohrverbindungen mit bzw. von dem Bohrstrang 16.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst ferner ein Verfahren zum Bohren horizontaler
Bohrlöcher
unter Verwendung der vorstehend im Text bereits beschriebenen "Gleitsitz"-Rohrverbindungen.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird zuerst eine Bohrstelle ausgewählt und eine geeignete Bohrmaschine zusammengesetzt.
Die Länge
und der Durchmesser des gewünschten
Bohrlochs sowie die Bedingungen des Terrains werden bei der Auswahl
der Größe und der
Art des Bohrkopfs, der Länge
und des Durchmessers der Rohrverbindungen und der Größe der Maschine
berücksichtigt.
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Nachdem
die Stelle ausgewählt
und eine geeignete Maschine montiert worden ist, beginnt der Bohrvorgang
auf bekannte Art und Weise. Mit zunehmender Länge des Bohrlochs werden zusätzliche Rohrverbindungen
hinzugefügt.
Zuerst wird die oberste Rohrverbindung 24, welche den Bohrstrang 16 umfasst,
von der Rotationsmaschine 14 getrennt. Eine zusätzliche
Rohrverbindung 24, die dem Bohrstrang 16 hinzugefügt werden
soll, wird an der Bohrmaschine 10 vorgesehen. Die umfängliche
Rille 112 der zusätzlichen
Rohrverbindung 24 sitzt in einem Gestell (in der Abbildung
aus 1 nicht abgebildet), um die
ordnungsgemäße Positionierung
der Rohrverbindung an der Bohrmaschine 10 für einen
Kontakt mit der Rotationsmaschine 14 zu unterstützen.
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Danach
wird die Rotationsmaschine 14 axial entlang dem Rahmen 52 vorgeschoben.
Die innere Spindel 58 und die äußere Spindel 46 werden
während
dem Vorschub der Rotationsmaschine 14 gedreht. Die sich
drehende äußere Spindel 46 berührt das
Stiftende 84 des äußeren Elements 26 der
zusätzlichen
Rohverbindung 24. Im Wesentlichen gleichzeitig berührt die
sich drehende innere Spindel 58 das Stiftende 94 des
inneren Elements 28 der zusätzlichen Rohrverbindung 24.
Somit ist nun ersichtlich, dass die innere Spindel 58 eine
Aussparung in einer geometrischen Form bildet, die der geometrischen
Form des Stiftendes 94 des inneren Elements 28 der
zusätzlichen
Rohrverbindung 24 entspricht.
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Die
Rotation der äußeren Spindel 46 schraubt
das Stiftende 84 des äußeren Elements 26 der
zusätzlichen
Rohrverbindung 24, während
das Kastenende 86 des äußeren Elements
der zusätzlichen
Rohrverbindung in einer einzigen Aktion das Stiftende des äußeren Elements
an dem ersten Ende 20 des Bohrstrangs 16 schraubt.
Wenn das äußere Element 26 geschraubt
wird, drückt
die Rotationsmaschine 14 das innere Element 28 der
zusätzlichen Rohrverbindung 24 in
die entgegengesetzte Richtung zu dem axialen Vorschub der Rotationsmaschine.
Die Vorbelastungseinheit 40 absorbiert die zwischen dem
Schlitten 34 und dem inneren Element 28 der zusätzlichen
Rohrverbindung 24 erzeugte Kompression, während die
Rotationsmaschine 14 vorgeschoben wird. Die Seiten der
geometrisch geformten Aussparung der sich drehenden inneren Spindel 58 werden
mit den Seiten des entsprechend geformten Stiftendes 94 des
inneren Elements 28 der zusätzlichen Rohrverbindung 24 ausgerichtet,
während
die Vorbelastungseinheit 40 das Stiftende der zusätzlichen
Rohrverbindung in einen Gleitsitz mit der sich drehenden inneren
Spindel drängt.
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Im
Wesentlichen gleichzeitig zu dem Eingriff des Stiftendes 94 des
inneren Elements 28 der zusätzlichen Rohrverbindung 24 mit
der inneren Spindel 58 nimmt das Kastenende 96 des
inneren Elements der zusätzlichen
Rohrverbindung im Gleitsitzeingriff das Stiftende des inneren Elements
an dem ersten Ende 20 des Bohrstrangs 16 auf.
Somit wird dem Bohrstrang 16 in einer einzigen Aktion durch Herstellen
nur einer Verbindung eine zusätzliche Rohrverbindung 24 hinzugefügt. Nachdem
die Verbindung hergestellt worden ist, wird der axiale Vorschub
der Rotationsmaschine 14 ebenso fortgesetzt wie die Rotation
des Bohrstrangs 16, um ein Loch in den Boden zu bohren,
und wobei zusätzliche
Rohrverbindungen 24 nach Bedarf hinzugefügt werden.
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Zum
Entfernen der Rohrverbindungen 24 aus dem Bohrloch wird
das Verfahren in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt.
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Somit
ist ersichtlich geworden, dass die vorliegende Erfindung eine verbesserte
Rohrverbindung aus zwei Elementen für horizontale Bohrvorgänge vorsieht.
Die inneren Elemente dieser Rohrverbindungen können gleichzeitig zu dem Schraubvorgang verbunden
werden, durch den die äußeren Elemente der
benachbarten Rohrverbindungen verbunden werden. Die geometrisch
geformten Stift- und Kasteneden ermöglichen einen einfachen, verbinderlosen Gleitsitzeingriff,
der wirksam Drehmoment überträgt. Dadurch
wird wiederum im Wesentlichen die erforderliche Zeit während einem
Bohrvorgang zur Herstellung und zum Lösen von Bohrverbindungen reduziert.