EP0563950A1 - Apparatus and method for directional drilling - Google Patents

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Publication number
EP0563950A1
EP0563950A1 EP93105394A EP93105394A EP0563950A1 EP 0563950 A1 EP0563950 A1 EP 0563950A1 EP 93105394 A EP93105394 A EP 93105394A EP 93105394 A EP93105394 A EP 93105394A EP 0563950 A1 EP0563950 A1 EP 0563950A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
casing
drilling
drill
wedge
deflection
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP93105394A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Nikolaus Meier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ING. ANTON LOIBELSBERGER JUN.
Original Assignee
Ing Anton Loibelsberger jun
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ing Anton Loibelsberger jun filed Critical Ing Anton Loibelsberger jun
Publication of EP0563950A1 publication Critical patent/EP0563950A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/04—Directional drilling
    • E21B7/06—Deflecting the direction of boreholes
    • E21B7/068—Deflecting the direction of boreholes drilled by a down-hole drilling motor
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/64—Drill bits characterised by the whole or part thereof being insertable into or removable from the borehole without withdrawing the drilling pipe
    • E21B10/66—Drill bits characterised by the whole or part thereof being insertable into or removable from the borehole without withdrawing the drilling pipe the cutting element movable through the drilling pipe and laterally shiftable
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/20—Driving or forcing casings or pipes into boreholes, e.g. sinking; Simultaneously drilling and casing boreholes
    • E21B7/208—Driving or forcing casings or pipes into boreholes, e.g. sinking; Simultaneously drilling and casing boreholes using down-hole drives

Definitions

  • the invention relates to a device for directional drilling with a drill pipe (inner pipe string), a drilling tool carrier and a drill bit having a drill bit and a non-rotating track tube (outer pipe string).
  • the invention further relates to a method for controlling such a drilling device.
  • Overlay drilling creates a borehole that is larger in diameter than the outside diameter of the casing pipes to be inserted.
  • the casing pipes are expediently designed as an outer pipe string of the drilling device, the outer pipe string being always pressed into the borehole with a short distance behind the drill bit during the production of the borehole, in order to preclude premature kettling in the borehole wall.
  • a suitable flushing agent such as air or a water / oil emulsion is discharged deep down - preferably through the inner pipe string.
  • the drilling mud consisting of cuttings and detergent, is flushed out of the borehole through the annular space between the inner pipe string and the outer pipe string.
  • Eccentric drill bits are also used for overlay drilling because the eccentric drill bit can be removed from the outer pipe string after the borehole has been completed.
  • a known eccentric drilling device is described in DE 30 24 102 C2. In this case, the eccentric drill bit is eccentrically clamped at the end of the outer pipe string in order to obtain a drilling diameter which is larger than the outer diameter of the outer pipe string. After loosening the tension, the eccentric drill bit can be pulled with the inner pipe rod.
  • the eccentric drill bit is designed to be pivotable with respect to the inner pipe string and can be pivoted through the outer pipe string in the pivoted-in state move through.
  • the swiveling takes place through the contact of the eccentric drill bit, which is covered with hard metal balls or the like, by frictional engagement after contact with the rock in the deepest hole.
  • the invention is therefore based on the object of designing and developing a drilling device of the type mentioned at the outset and of providing a method for its operation such that precise control of the drill head to achieve a certain angle in predetermined drill hole sections or to correct any deviations reasonable effort is made possible.
  • this object is achieved in that a deflection wedge is arranged in the front area of the casing, which causes a parallel displacement of the drill head consisting of the drill bit and the tool holder by rotating and longitudinally displacing the casing.
  • the object is achieved in that the actual course of the bore is measured and that by rotating and longitudinally displacing the casing (outer pipe linkage) a deflecting wedge arranged in the front area of the casing is positioned so that to change the direction of the drilling tool carrier in the desired direction from the Drilling center line is deflected.
  • the deflection wedge which is fixedly arranged in the casing and consists of a preferably conical ring segment, is positioned by rotating the casing so that it points exactly in the direction of deviation after a directional deviation has been determined for correction or for the desired bending of the borehole.
  • the drilling tool carrier rides onto the deflection wedge on a tearing round provided for this purpose. The drilling tool is removed from the drilling center line distracted. In the further drilling, no free cut for the casing pipe is produced on the side of the deflection wedge.
  • the deflection wedge is conical in the form of a ring segment. This embodiment is preferred over a "straight" deflecting wedge in that the friction and thus the material wear is reduced by the substantially larger contact area between the deflecting wedge and the drilling tool carrier.
  • the deflecting wedge is expediently welded to the casing tube in order to ensure the fixed arrangement.
  • the deflection wedge is made of hard metal. This is of particular importance in the case of long boreholes, since premature wear of the deflecting wedge must be reliably prevented here.
  • the drilling tool carrier has a taper in the region of its rear shoulder for riding on the deflecting wedge.
  • the tapering round is also made of hard metal if the drilling tool carrier has a particularly long service life.
  • guide pieces are arranged offset by 90 ° in relation to the deflection wedge in the front inner region of the casing, so that a deflection of the drill head in the direction away from the deflection wedge is made possible.
  • the guide pieces On the side facing the casing, the guide pieces have a curvature corresponding to the inside diameter of the casing and have a straight (parallel to the evasion direction) guide surface towards the drill head. These guide pieces reliably prevent the drilling tool from breaking out laterally during the deflection process.
  • the guide pieces are expediently also welded to the casing tube and consist of hard metal.
  • a measuring device determines the deviation of the drilling device in the plane running parallel to the drill pipe.
  • a known measuring device is used as the measuring device, which consists of a measuring probe, an evaluation device and a cable winch with a correspondingly long measuring cable.
  • the measuring probe is inserted into the outer tube rod by means of the measuring cable, which is preferably made of glass fiber.
  • the transmitter has a measuring range of - 20 to + 20 degrees, with a resolution of 5 arcseconds.
  • the evaluation device digitally displays the respective rising or falling of the measuring probe with a resolution of 0.01 degrees.
  • the known and preferably used measuring device works independently of temperature and cannot be influenced by electrical or magnetic force fields, lines, pipes, metals, vibrations or other external influences. A pursuit of the Measuring probe from the surface is not necessary. This enables problem-free use, irrespective of the build-up or thickness of possible overlaps, as well as the crossing under river courses, railway structures or busy streets.
  • the drilling device essentially consists of a drilling tool 1, which has a drill string (inner pipe string) 2, a drill tool carrier 3 and a drill bit 4.
  • the drill string 2 is connected in a torsionally rigid manner to the drilling tool carrier 3 and the drill bit 4.
  • a flushing agent line running through the drilling tool is not shown.
  • the drilling tool rotates centrally in a non-rotating casing tube (outer tube linkage) 5.
  • the geometry of the drill bit 6 is chosen so that it produces a free cut R that is larger than the outer diameter of the casing tube 5.
  • the front is now in the front
  • a deflecting wedge 6 is arranged in the area of the casing 5, which, by rotating the casing 5 longitudinally, causes a parallel displacement of the drill head consisting of the drill bit 4 and the drill tool carrier 3. If the deviation of the drill head from the predetermined direction is determined by a measurement, the deflection wedge 6 fastened in the casing 5 is positioned by rotating the casing 5 so that it points exactly in the direction of deviation.
  • the drilling tool carrier is raised due to the deflection wedge 6.
  • the drilling tool carrier 3 has a tapering curve 3A in the region of its rear shoulder for treading on the deflection wedge 6.
  • FIG. 3 only shows the casing 5 in a view from the deepest of the borehole for the sake of a better overview, namely along the line III-III in FIG. 1.
  • 5 guide pieces 7 by 90 in the front inner region of the casing o are arranged offset with respect to the deflection wedge 6, so that guided deflection of the drill head in the direction away from the deflection wedge 6 is made possible.
  • the guide pieces 7 expediently have on the side facing the casing 5 a curvature 8 corresponding to the inside diameter of the casing 5 and towards the drill head a guide surface 9 which is parallel to the direction of evasion.
  • the guide pieces 7, which are expediently made of hard metal and welded to the casing 5, reliably prevent the drilling tool 1 from breaking out laterally during the deflection process.

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Abstract

The invention relates to an apparatus for directional drilling, with a drilling tool (1), having a drill string (inner rod string 2), a drilling-tool holder (3) and a drill bit (4), and a casing (outer rod string 5) made to follow, and to a method of controlling a drilling apparatus, which achieves directional control of the drilling head for obtaining a certain angled orientation in predetermined borehole sections or a correction to any deviations with acceptable outlay owing to the fact that, on the one hand, in terms of the apparatus, a deflecting wedge (6) is arranged in the front area of the casing (5), which deflecting wedge (6), by rotation and longitudinal displacement of the casing (5), brings about a parallel displacement of the drilling head consisting of drill bit (4) and drilling-tool holder (3) and that, on the other hand, in terms of the method, the actual course of the bore is detected by measurement, and a deflecting wedge arranged in the front area of the casing, by rotation and longitudinal displacement of the casing (outer rod string), is positioned in such a way that the drilling-tool holder is deflected from the drilling centre line in the desired direction for the directional change. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum richtungsgenauen Bohren mit einem ein Bohrgestänge (Innenrohrgestänge), einen Bohrwerkzeugträger und eine Bohrkrone aufweisenden Bohrwerkzeug und einem nicht drehend nachgeführten Futterrohr (Außenrohrgestänge). Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Steuerung einer solchen Bohrvorrichtung.The invention relates to a device for directional drilling with a drill pipe (inner pipe string), a drilling tool carrier and a drill bit having a drill bit and a non-rotating track tube (outer pipe string). The invention further relates to a method for controlling such a drilling device.

In stark zunehmendem Maße führen Trend und Notwendigkeit im Kanal- und Leitungsbau aus den verschiedensten Gründen von der offenen Bauweise hin zur geschlossenen Bauweise, was den Einsatz immer neuer und leistungsfähigerer Bohrverfahren und Bohrwerkzeuge erfordert. Hierbei gewinnt der ursprünglich für den Einsatz im Steinbruch konzipierte Imloch-Hammer dank seiner exzellenten Bohrleistung und seiner Einsatzmöglichkeiten selbst bei extremen Baugrundverhältnissen immer stärker an Bedeutung.For a variety of reasons, the trend and necessity in sewer and pipeline construction are increasingly increasing, from the open construction to the closed construction, which requires the use of ever new and more powerful drilling methods and drilling tools. The Imloch hammer, which was originally designed for use in a quarry, is becoming increasingly important thanks to its excellent drilling performance and possible uses, even in extreme ground conditions.

Beim Überlagerungsbohren wird ein Bohrloch erzeugt, welches in seinem Durchmesser größer ist als der Außendurchmesser der einzubringenden Futterrohre. Die Futterrohre sind zweckmäßigerweise als Außenrohrgestänge der Bohrvorrichtung ausgeführt, wobei während der Herstellung des Bohrloches das Außenrohrgestänge stets mit nur kurzem Abstand hinter der Bohrkrone in das Bohrloch hineingepreßt wird, um eine vorzeitige Auskesselung in der Bohrlochwand auszuschließen. Zum Austragen des Bohrkleins wird - vorzugsweise durch das Innenrohrgestänge - ein geeignetes Spülmittel wie Luft oder eine Wasser/Öl-Emulsion im Bohrlochtiefsten ausgetragen. Der aus Bohrklein und Spülmittel bestehende Bohrschlamm wird durch den Ringraum zwischen Innenrohrgestänge und Außenrohrgestänge aus dem Bohrloch ausgespült.Overlay drilling creates a borehole that is larger in diameter than the outside diameter of the casing pipes to be inserted. The casing pipes are expediently designed as an outer pipe string of the drilling device, the outer pipe string being always pressed into the borehole with a short distance behind the drill bit during the production of the borehole, in order to preclude premature kettling in the borehole wall. To discharge the cuttings, a suitable flushing agent such as air or a water / oil emulsion is discharged deep down - preferably through the inner pipe string. The drilling mud, consisting of cuttings and detergent, is flushed out of the borehole through the annular space between the inner pipe string and the outer pipe string.

Beim Überlagerungsbohren werden auch Exzenterbohrkronen eingesetzt, weil die Exzenterbohrkrone nach der Fertigstellung des Bohrloches durch das Außenrohrgestänge hindurch aus diesem wieder entfernt werden kann. Eine bekannte Exzenter-Bohrvorrichtung ist in der DE 30 24 102 C2 beschrieben. Hierbei wird die Exzenterbohrkrone am Ende des Außenrohrgestänges exzentrisch verspannt, um einen Bohrdurchmesser zu erhalten, welcher größer ist als der Außendurchmesser des Außenrohrgestänges. Nach dem Lösen der Verspannung kann die Exzenterbohrkrone mit dem Innenrohrgestänge gezogen werden.Eccentric drill bits are also used for overlay drilling because the eccentric drill bit can be removed from the outer pipe string after the borehole has been completed. A known eccentric drilling device is described in DE 30 24 102 C2. In this case, the eccentric drill bit is eccentrically clamped at the end of the outer pipe string in order to obtain a drilling diameter which is larger than the outer diameter of the outer pipe string. After loosening the tension, the eccentric drill bit can be pulled with the inner pipe rod.

Bei einer anderen bekannten Exzenter-Bohrvorrichtung ist die Exzenterbohrkrone gegenüber dem Innenrohrgestänge verschwenkbar ausgebildet und läßt sich im eingeschwenkten Zustand durch das Außenrohrgestänge hindurchbewegen. Das Ausschwenken erfolgt durch den Kontakt der mit Hartmetallkugeln oder dergleichen besetzten Exzenterbohrkrone durch Reibschluß nach dem Kontakt mit dem Gestein im Bohrlochtiefsten.In another known eccentric drilling device, the eccentric drill bit is designed to be pivotable with respect to the inner pipe string and can be pivoted through the outer pipe string in the pivoted-in state move through. The swiveling takes place through the contact of the eccentric drill bit, which is covered with hard metal balls or the like, by frictional engagement after contact with the rock in the deepest hole.

Es ist weiterhin bekannt, zum richtungsgenauen Bohren eine Bohrkrone am vorderen Ende des Innenrohrstranges pendelnd zu befestigen, um ein Abweichen der Richtung der Mittelachse der Bohrkrone von der Bohrlochachse zu erreichen (DE 38 14 939 C1). Bei dieser bekannten Bohrvorrichtung wird keine Exzenterbohrkrone verwendet. Die pendelnde Lagerung der Bohrkrone dient dazu, daß die Bohrkrone sich beim Anstoßen gegen ein im Bohrlochtiefsten befindliches Hindernis schrägstellen kann, und die auf die Bohrkrone übertragene Kraft bedingt durch die Schrägstellung unmittelbar auf das Hinternis wirken kann. Dies führt zu einer Zertrümmerung des Hindernisses und zum anschließenden Ausrichten der Bohrkrone parallel zur Längsachse des Außenrohrgestänges. Hierdurch wird ein sich selbst regulierendes richtungsgenaues Bohren erreicht.It is furthermore known to attach a drill bit to the front end of the inner pipe string in an oscillating manner for precise drilling in order to achieve a deviation of the direction of the central axis of the drill bit from the borehole axis (DE 38 14 939 C1). No eccentric drill bit is used in this known drilling device. The oscillating mounting of the drill bit serves to ensure that the drill bit can be inclined when it bumps against an obstacle located deepest in the borehole, and the force transferred to the drill bit can act directly on the rear due to the inclined position. This leads to the destruction of the obstacle and the subsequent alignment of the drill bit parallel to the longitudinal axis of the outer pipe string. As a result, self-regulating directional drilling is achieved.

Oftmals ist es jedoch erwünscht, Überlagerungsbohrungen nicht nur richtungsgenau, sondern auch in gewissen Grenzen "abgewinkelt" durchführen zu können. Ursachen hierfür können erwünschte Abwinklungen sein, oder aber es sollen Korrekturen vorgenommen werden, um die ursprüngliche Bohrrichtung wieder herzustellen. Insbesondere bei geneigten Bohrungen, in denen Kanalrohre (z.B. Abflußrohre) mit einer vorgegebenen Neigung installiert werden sollen, ist - um einen sicheren Abfluß zu gewährleisten - die Einhaltung vorgegebener Neigungswinkel in bestimmten Rohrbereichen äußerst wichtig.However, it is often desirable to be able to carry out overlay bores not only in the correct direction, but also "angled" within certain limits. This may be due to the desired bends, or corrections should be made to restore the original drilling direction. In particular in the case of inclined bores in which sewer pipes (for example drain pipes) with a predetermined inclination are to be installed, it is extremely important - in order to ensure safe drainage - to maintain predetermined inclination angles in certain pipe areas.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Bohrvorrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten und weiterzubilden sowie ein Verfahren für deren Betrieb zur Verfügung zu stellen, daß eine richtungsgenaue Steuerung des Bohrkopfes zum Erreichen einer bestimmten Abwinklung in vorgegebenen Bohrlochabschnitten bzw. einer Korrektur eventueller Abweichungen mit vertretbarem Aufwand ermöglicht wird.The invention is therefore based on the object of designing and developing a drilling device of the type mentioned at the outset and of providing a method for its operation such that precise control of the drill head to achieve a certain angle in predetermined drill hole sections or to correct any deviations reasonable effort is made possible.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe vorrichtungsmäßig dadurch gelöst, daß im vorderen Bereich des Futterrohrs ein Ablenkkeil angeordnet ist, welcher durch Drehen und Längsverschieben des Futterrohres eine Parallelverschiebung des aus Bohrkrone und Bohrwerkzeugträger bestehenden Bohrkopfes bewirkt.According to the invention this object is achieved in that a deflection wedge is arranged in the front area of the casing, which causes a parallel displacement of the drill head consisting of the drill bit and the tool holder by rotating and longitudinally displacing the casing.

Verfahrensmäßig wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der tatsächliche Verlauf der Bohrung meßtechnisch erfaßt wird und daß durch Drehung und Längsverschiebung des Futterrohres (Außenrohrgestänges) ein im vorderen Bereich des Futterrohres angeordneter Ablenkkeil so positioniert wird, daß zur Richtungsänderung der Bohrwerkzeugträger in der gewünschten Richtung aus der Bohrmittellinie abgelenkt wird.In procedural terms, the object is achieved in that the actual course of the bore is measured and that by rotating and longitudinally displacing the casing (outer pipe linkage) a deflecting wedge arranged in the front area of the casing is positioned so that to change the direction of the drilling tool carrier in the desired direction from the Drilling center line is deflected.

Erfindungsgemäß wird also nach dem Feststellen einer Richtungsabweichung zur Korrektur oder aber zur gewollten Abwinklung des Bohrloches der im Futterrohr fest angeordnete und aus einem vorzugsweise konischen Ringsegment bestehende Ablenkkeil durch Drehen des Futterrohres so positioniert, daß er genau in die Abweichrichtung weist. Durch Längsverschiebung des Futterrohres in Richtung des Bohrlochtiefsten gegenüber dem Bohrgestänge reitet der Bohrwerkzeugträger an einer dafür vorgesehenen Aufreitrundung auf den Ablenkkeil auf. Dabei wird das Bohrwerkzeug aus der Bohrmittellinie abgelenkt. Bei der weiteren Bohrung wird auf der Seite des Ablenkkeiles kein Freischnitt für das Futterrohr mehr erzeugt. Dagegen wird auf der dem Ablenkkeil gegenüberliegenden Seite des Futterrohres ein entsprechender größerer Freischnitt erzeugt, so daß das mitgeführte Futterrohr zwangsläufig in den freigeschnittenen Hohlraum ausweichen wird. Nachdem die gewünschte Bohrrichtung erreicht ist wird durch Zurückziehen des Futterrohres der Bohrwerkzeugträger wieder vom Ablenkkeil entfernt, so daß das normale - konzentrische - Bohren bis zur nächsten Abweichung weitergeführt werden kann.According to the invention, the deflection wedge, which is fixedly arranged in the casing and consists of a preferably conical ring segment, is positioned by rotating the casing so that it points exactly in the direction of deviation after a directional deviation has been determined for correction or for the desired bending of the borehole. By longitudinally displacing the casing in the direction of the deepest borehole in relation to the drill pipe, the drilling tool carrier rides onto the deflection wedge on a tearing round provided for this purpose. The drilling tool is removed from the drilling center line distracted. In the further drilling, no free cut for the casing pipe is produced on the side of the deflection wedge. In contrast, a corresponding larger free cut is produced on the side of the casing tube opposite the deflecting wedge, so that the casing pipe carried along will inevitably yield into the cut-out cavity. After the desired drilling direction has been reached, the drilling tool carrier is removed from the deflection wedge by pulling back the casing so that normal - concentric - drilling can be continued until the next deviation.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Ablenkkeil konisch ringsegmentartig ausgebildet. Diese Ausgestaltung ist gegenüber einem "geraden" Ablenkkeil insofern bevorzugt, als daß durch die wesentlich größere Kontaktfläche zwischen Ablenkkeil und Bohrwerkzeugträger die Reibung und damit der Materialverschleiß vermindert wird.In a further embodiment of the invention, the deflection wedge is conical in the form of a ring segment. This embodiment is preferred over a "straight" deflecting wedge in that the friction and thus the material wear is reduced by the substantially larger contact area between the deflecting wedge and the drilling tool carrier.

Zweckmäßigerweise ist der Ablenkkeil mit dem Futterrohr verschweißt, um die feste Anordnung zu gewährleisten. Nach einer weiteren Lehre der Erfindung ist der Ablenkkeil aus Hartmetall hergestellt. Dies ist insbesondere bei langen Bohrlöchern von erhöhter Wichtigkeit, da hier ein vorzeitiger Verschleiß des Ablenkkeiles zuverlässig verhindert werden muß.The deflecting wedge is expediently welded to the casing tube in order to ensure the fixed arrangement. According to a further teaching of the invention, the deflection wedge is made of hard metal. This is of particular importance in the case of long boreholes, since premature wear of the deflecting wedge must be reliably prevented here.

Zum Erreichen einer guten Abstimmung von Ablenkkeil und Bohrwerkzeugträger ist vorgesehen, daß der Bohrwerkzeugträger im Bereich seiner hinteren Schulter eine Aufreitrundung zum Aufreiten auf dem Ablenkkeil aufweist. Zweckmäßigerweise ist auch die Aufreitrundung aus Hartmetall hergestellt, wenn eine besonders lange Standzeit des Bohrwerkzeugträgers vorgesehen ist.In order to achieve a good match between the deflecting wedge and the drilling tool carrier, it is provided that the drilling tool carrier has a taper in the region of its rear shoulder for riding on the deflecting wedge. Expediently, the tapering round is also made of hard metal if the drilling tool carrier has a particularly long service life.

Nach einer weiteren Lehre der Erfindung sind im vorderen Innenbereich des Futterrohres Führungsstücke um 90o gegenüber dem Ablenkkeil versetzt angeordnet, so daß eine Ablenkung des Bohrkopfes in Richtung vom Ablenkkeil hinweg ermöglicht wird. Die Führungsstücke weisen auf der dem Futterrohr zugewandten Seite eine dem Innendurchmesser des Futterrohrs entsprechende Wölbung auf und haben zum Bohrkopf hin eine gerade (zur Ausweichrichtung parallele) Führungsfläche. Durch diese Führungsstücke wird ein seitliches Ausbrechen des Bohrwerkzeuges während des Ablenkvorganges zuverlässig ausgeschlossen. Zweckmäßigerweise sind auch die Führungsstücke mit dem Futterrohr verschweißt und bestehen aus Hartmetall.According to a further teaching of the invention, guide pieces are arranged offset by 90 ° in relation to the deflection wedge in the front inner region of the casing, so that a deflection of the drill head in the direction away from the deflection wedge is made possible. On the side facing the casing, the guide pieces have a curvature corresponding to the inside diameter of the casing and have a straight (parallel to the evasion direction) guide surface towards the drill head. These guide pieces reliably prevent the drilling tool from breaking out laterally during the deflection process. The guide pieces are expediently also welded to the casing tube and consist of hard metal.

Nach einer weiteren erfindungsgemäßen Lehre ermittelt eine Meßvorrichtung die Abweichung der Bohrvorrichtung in der parallel zum Bohrgestänge verlaufenden Ebene. Als Meßvorrichtung dient ein bekanntes Meßgerät, welches aus einer Meßsonde, einem Auswertungsgerät und einer Kabelwinde mit einem entsprechend langen Meßkabel besteht. Die Meßsonde wird mittels des vorzugsweise aus Glasfiber bestehenden Meßkabels in das Außenrohrgestänge eingeführt. Der Meßwertgeber hat einen Meßbereich von - 20 bis + 20 Altgrad, bei einer Auflösung von 5 Bogensekunden. Das Auswertungsgerät zeigt digital das jeweilige Steigen oder Fallen der Meßsonde mit einer Auflösung von 0,01 Altgrad an.According to a further teaching according to the invention, a measuring device determines the deviation of the drilling device in the plane running parallel to the drill pipe. A known measuring device is used as the measuring device, which consists of a measuring probe, an evaluation device and a cable winch with a correspondingly long measuring cable. The measuring probe is inserted into the outer tube rod by means of the measuring cable, which is preferably made of glass fiber. The transmitter has a measuring range of - 20 to + 20 degrees, with a resolution of 5 arcseconds. The evaluation device digitally displays the respective rising or falling of the measuring probe with a resolution of 0.01 degrees.

Die bekannte und bevorzugt verwendete Meßvorrichtung arbeitet temperaturunabhängig und ist weder durch elektrische oder magnetische Kraftfelder, Leitungen, Rohre, Metalle, Erschütterungen oder andere Fremdeinwirkungen zu beeinflussen. Eine Verfolgung der Meßsonde von der Oberfläche her ist nicht erforderlich. Dadurch wird ein problemloser Einsatz ermöglicht, unabhängig von Bebauung oder Mächtigkeit möglicher Überdeckungen sowie auch die Unterquerung von Flußläufen, Bahnkörpern oder stark befahrenen Straßen ermöglicht.The known and preferably used measuring device works independently of temperature and cannot be influenced by electrical or magnetic force fields, lines, pipes, metals, vibrations or other external influences. A pursuit of the Measuring probe from the surface is not necessary. This enables problem-free use, irrespective of the build-up or thickness of possible overlaps, as well as the crossing under river courses, railway structures or busy streets.

Auch wenn im folgenden die Erfindung anhand einer Freischnitt-Bohrkrone beispielhaft dargestellt wird, ist dies keine Beschränkung auf solche Bohrvorrichtungen, vielmehr läßt sich die erfindungsgemäße Steuermöglichkeit insbesondere auch mit Exzenter-Bohrvorrichtungen realisieren.Even if the invention is illustrated below using a free-cut drill bit as an example, this is not restricted to such drilling devices; rather, the control possibility according to the invention can also be realized in particular with eccentric drilling devices.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1
eine erfindungsgemäße Bohrvorrichtung im Längsschnitt,
Fig. 2
die Bohrvorrichtung aus Fig. 1 mit abgelenktem Bohrwerkzeugträger und
Fig. 3
eine Ansicht des Futterrohres, vom Bohrlochtiefsten her gesehen.
The invention is explained in more detail below with reference to a drawing which represents a preferred exemplary embodiment. Show in the drawing
Fig. 1
a drilling device according to the invention in longitudinal section,
Fig. 2
the drilling device of FIG. 1 with a deflected drilling tool carrier and
Fig. 3
a view of the casing, seen from the deepest hole.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Bohrvorrichtung in einer Seitenansicht gezeigt. Die Bohrvorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Bohrwerkzeug 1, welches ein Bohrgestänge (Innenrohrgestänge) 2, einen Bohrwerkzeugträger 3 und eine Bohrkrone 4 aufweist. Dabei ist das Bohrgestänge 2 drehstarr mit dem Bohrwerkzeugträger 3 und der Bohrkrone 4 verbunden. Nicht dargestellt ist eine durch das Bohrwerkzeug verlaufende Spülmittelleitung.1 shows an embodiment of a drilling device according to the invention in a side view. The drilling device essentially consists of a drilling tool 1, which has a drill string (inner pipe string) 2, a drill tool carrier 3 and a drill bit 4. The drill string 2 is connected in a torsionally rigid manner to the drilling tool carrier 3 and the drill bit 4. A flushing agent line running through the drilling tool is not shown.

Beim Bohren dreht sich das Bohrwerkzeug zentrisch in einem nicht drehend mitgeführten Futterrohr (Außenrohrgestänge) 5. Die Geometrie der Bohrkrone 6 ist dabei so gewählt, daß sie einen Freischnitt R erzeugt, der größer ist als der Außendurchmesser des Futterrohres 5. Erfindungsgemäß ist nun im vorderen Bereich des Futterrohrs 5 ein Ablenkkeil 6 angeordnet, welcher durch Drehen Längsverschieben des Futterrohres 5 eine Parallelverschiebung des aus Bohrkrone 4 und Bohrwerkzeugträger 3 bestehenden Bohrkopfes bewirkt. Wird durch eine Messung die Abweichung des Bohrkopfes aus der vorgegebenen Richtung festgestellt, so wird der im Futterrohr 5 befestigte Ablenkkeil 6 durch Drehen des Futterrohres 5 so positioniert, daß er genau in die Abweichrichtung weist. Durch Vorschieben des Futterrohres 5 gegenüber dem Bohrwerkzeug 1 wird der Bohrwerkzeugträger bedingt durch den Ablenkkeil 6 angehoben. Dazu weist der Bohrwerkzeugträger 3 im Bereich seiner hinteren Schulter eine Aufreitrundung 3A zum Aufreiten auf dem Ablenkkeil 6 auf.When drilling, the drilling tool rotates centrally in a non-rotating casing tube (outer tube linkage) 5. The geometry of the drill bit 6 is chosen so that it produces a free cut R that is larger than the outer diameter of the casing tube 5. According to the invention, the front is now in the front A deflecting wedge 6 is arranged in the area of the casing 5, which, by rotating the casing 5 longitudinally, causes a parallel displacement of the drill head consisting of the drill bit 4 and the drill tool carrier 3. If the deviation of the drill head from the predetermined direction is determined by a measurement, the deflection wedge 6 fastened in the casing 5 is positioned by rotating the casing 5 so that it points exactly in the direction of deviation. By pushing the casing 5 in relation to the drilling tool 1, the drilling tool carrier is raised due to the deflection wedge 6. For this purpose, the drilling tool carrier 3 has a tapering curve 3A in the region of its rear shoulder for treading on the deflection wedge 6.

Aus Fig. 2 ist deutlich ersichtlich, daß nach dem Aufreiten des Bohrwerkzeugträgers 3 auf dem Ablenkkeil 6 das Bohrwerkzeug 1 um den Betrag A'' aus der Mittellinie der Bohrung abgelenkt wird. Aus Fig. 2 ist ferner ersichtlich, daß das Bohrloch bedingt durch den Ablenkvorgang im gezeigten Beispiel nach oben steigt, so daß auf der Seite des Ablenkkeils 6 kein Freischnitt R für das Futterohr 5 mehr erzeugt wird. Auf der dem Ablenkkeil 6 gegenüberliegenden Seite wird hingegen ein entsprechend größerer Freischnitt R erzeugt. Das mitgeführte und nachgepreßte Futterrohr 5 weicht also zwangsläufig in den freigeschnittenen Hohlraum - im Beispiel also nach oben - aus. Ist die gewünschte Bohrrichtung erreicht, so wird durch Zurückziehen des Futterrohres 5 der Bohrwerkzeugträger 3 von dem Ablenkkeil 6 getrennt und es wird wieder ein in bezug auf das Futterrohr 5 konzentrisches Bohrloch hergestellt.From Fig. 2 it can be clearly seen that after the drilling tool carrier 3 has spread on the deflection wedge 6, the drilling tool 1 is deflected by the amount A ″ from the center line of the bore. From Fig. 2 it can also be seen that the borehole rises due to the deflection in the example shown, so that on the side of the deflection wedge 6 no free cut R for the casing 5 is generated. On the other hand, a correspondingly larger free cut R is produced on the side opposite the deflection wedge 6. The entrained and repressed casing 5 thus inevitably evades into the cut cavity - in the example above. When the desired drilling direction has been reached, the drilling tool carrier 3 is removed from it by pulling back the casing 5 Deflection wedge 6 separated and it is again a concentric with respect to the casing 5 drill hole.

In Fig. 3 ist lediglich der besseren Übersicht wegen das Futterrohr 5 in einer Ansicht vom Bohrlochtiefsten her gesehen dargestellt, und zwar entlang der Linie III-III in Fig. 1. Es ist erkennbar, daß im vorderen Innenbereich des Futterrohres 5 Führungsstücke 7 um 90o gegenüber dem Ablenkkeil 6 versetzt angeordnet sind, so daß eine geführte Ablenkung des Bohrkopfes in Richtung vom Ablenkkeil 6 hinweg ermöglicht wird. Zweckmäßigerweise weisen die Führungsstücke 7 auf der dem Futterrohr 5 zugewandten Seite eine dem Innendurchmesser des Futterrohres 5 entsprechende Wölbung 8 und zum Bohrkopf hin eine gerade zur Ausweichrichtung parallele Führungsfläche 9 auf. Durch die Führungsstücke 7, welche zweckmäßigerweise aus Hartmetall hergestellt und mit dem Futterrohr 5 verschweißt sind, wird während des Ablenkvorganges ein seitliches Ausbrechen des Bohrwerkzeuges 1 zuverlässig vermieden.3 only shows the casing 5 in a view from the deepest of the borehole for the sake of a better overview, namely along the line III-III in FIG. 1. It can be seen that 5 guide pieces 7 by 90 in the front inner region of the casing o are arranged offset with respect to the deflection wedge 6, so that guided deflection of the drill head in the direction away from the deflection wedge 6 is made possible. The guide pieces 7 expediently have on the side facing the casing 5 a curvature 8 corresponding to the inside diameter of the casing 5 and towards the drill head a guide surface 9 which is parallel to the direction of evasion. The guide pieces 7, which are expediently made of hard metal and welded to the casing 5, reliably prevent the drilling tool 1 from breaking out laterally during the deflection process.

Bezugszeichenliste:Reference symbol list:

11
BohrwerkzeugDrilling tool
22nd
Bohrgestänge (Innenrohrgestänge)Drill pipe (inner pipe pipe)
33rd
BohrwerkzeugträgerDrill tool holder
3A3A
AufreitrundungRounding off
44th
BohrkroneCore bit
55
Futterrohr (Außenrohrgestänge)Casing pipe (outer pipe linkage)
66
AblenkkeilWhipstock
77
FührungsstückGuide piece
88th
WölbungBulge
99
FührungsflächeLeadership area
AA
Maß der Ablenkung aus der BohrlochmittellinieMeasure of the deflection from the borehole center line
RR
freigeschnittener Ringraumopen annular space

Claims (10)

Vorrichtung zum richtungsgenauen Bohren mit einem ein Bohrgestänge (Innenrohrgestänge 2), einen Bohrwerkzeugträger (3) und eine Bohrkrone (4) aufweisenden Bohrwerkzeug (1) und einem nicht drehend nachgeführten Futterrohr (Außenrohrgestänge 5),
dadurch gekennzeichnet, daß im vorderen Bereich des Futterrohrs (5) ein Ablenkkeil (6) angeordnet ist, welcher durch Drehen und Längsverschieben des Futterrohres (5) eine Parallelverschiebung des aus Bohrkrone (4) und Bohrwerkzeugträger (3) bestehenden Bohrkopfes bewirkt.Device for precise drilling with a drill string (inner pipe string 2), a drilling tool carrier (3) and a drill bit (4) and a drill pipe (1) that does not rotate in rotation (outer pipe string 5),
characterized in that a deflecting wedge (6) is arranged in the front region of the casing (5), which, by rotating and longitudinally displacing the casing (5), causes a parallel displacement of the drill head consisting of the drill bit (4) and drill tool carrier (3). Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Ablenkkeil (6) konisch ringsegmentartig ausgebildet ist.Device according to claim 1,
characterized in that the deflecting wedge (6) is conical in the form of a ring segment. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Ablenkkeil (6) mit dem Futterrohr (5) verschweißt ist.Device according to claim 1,
characterized in that the deflecting wedge (6) is welded to the casing tube (5). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der Ablenkkeil (6) aus Hartmetall hergestellt ist.Device according to one of claims 1 to 3,
characterized in that the deflection wedge (6) is made of hard metal. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrwerkzeugträger (3) im Bereich seiner hinteren Schulter eine Aufreitrundung (3A) zum Aufreiten auf den Ablenkkeil (6) aufweist.Device according to one of claims 1 to 4,
characterized in that the drilling tool carrier (3) has a tapering curve (3A) in the region of its rear shoulder for treading onto the deflection wedge (6). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß im vorderen Innenbereich des Futterrohres (5) Führungsstücke (7) um 90o gegenüber dem Ablenkkeil (6) versetzt angeordnet sind, so daß eine geführte Ablenkung des Bohrkopfes in Richtung vom Ablenkkeil (6) hinweg ermöglicht wird.Device according to one of claims 1 to 5,
characterized in that in the front inner region of the casing (5) guide pieces (7) are arranged offset by 90 o with respect to the deflection wedge (6), so that a guided deflection of the drill head in the direction of the deflection wedge (6) is made possible. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsstücke (7) auf der dem Futterrohr (5) zugewandten Seite eine dem Innendurchmesser des Futterrohres (5) entsprechende Wölbung (8) und zum Bohrkopf hin eine gerade zur Ausweichrichtung parallele Führungsfläche (9) aufweisen.Apparatus according to claim 6,
characterized in that the guide pieces (7) on the side facing the casing (5) have a curvature (8) corresponding to the inside diameter of the casing (5) and towards the drill head a guide surface (9) which is parallel to the evasive direction. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsstücke (7) mit dem Futterrohr (5) verschweißt sind.Device according to claim 6 or 7,
characterized in that the guide pieces (7) are welded to the casing (5). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsstücke (7) aus Hartmetall hergestellt sind.Device according to one of claims 6 to 8,
characterized in that the guide pieces (7) are made of hard metal. Verfahren zur Steuerung einer Bohrvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß der tatsächliche Verlauf der Bohrung meßtechnisch erfaßt wird und daß durch Drehung und Längsverschiebung des Futterrohres (Außenrohrgestänges) ein im vorderen Bereich des Futterrohres angeordneter Ablenkkeil so positioniert wird, daß zur Richtungsänderung der Bohrwerkzeugträger in der gewünschten Richtung aus der Bohrmittellinie abgelenkt wird.Method for controlling a drilling device according to one of claims 1 to 9,
characterized in that the actual course of the bore is measured and that by rotating and longitudinally displacing the casing (outer pipe linkage) a deflecting wedge arranged in the front area of the casing is positioned so that to change the direction of the drilling tool carrier is deflected in the desired direction from the drilling center line.
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