EP2483522A2 - Bohrelement einer erdbohrvorrichtung - Google Patents

Bohrelement einer erdbohrvorrichtung

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EP2483522A2
EP2483522A2 EP10763607A EP10763607A EP2483522A2 EP 2483522 A2 EP2483522 A2 EP 2483522A2 EP 10763607 A EP10763607 A EP 10763607A EP 10763607 A EP10763607 A EP 10763607A EP 2483522 A2 EP2483522 A2 EP 2483522A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
transmitter
drilling element
receptacle
housing
drilling
Prior art date
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Granted
Application number
EP10763607A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2483522B1 (de
Inventor
Franz-Josef Püttmann
Peter Grass
Gerhard Völkel
Andreas Riekes
Frank Prutti
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.)
Tracto Technik GmbH and Co KG
Original Assignee
Tracto Technik GmbH and Co KG
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 Tracto Technik GmbH and Co KG filed Critical Tracto Technik GmbH and Co KG
Publication of EP2483522A2 publication Critical patent/EP2483522A2/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2483522B1 publication Critical patent/EP2483522B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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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
    • E21B47/00—Survey of boreholes or wells
    • E21B47/01—Devices for supporting measuring instruments on drill bits, pipes, rods or wirelines; Protecting measuring instruments in boreholes against heat, shock, pressure or the like
    • E21B47/017—Protecting measuring instruments
    • 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
    • E21B7/046—Directional drilling horizontal drilling

Definitions

  • the invention relates to a drilling element of a Erdbohrvorraum with a housing and arranged in a receptacle of the housing transmitter.
  • HorizontalDbohrvoriquesen are known in which a front of a drill pipe arranged drill head is propelled by means of a arranged in a pit, a shaft or on the earth's surface driving and rotating rotating through the soil.
  • a controllability in such a horizontal boring device is achieved in that the drill head is formed asymmetrically, for example with an oblique face, so that when a purely sliding, ie non-rotating driving the drill head, a side force is generated, which leads to the desired lateral deflection of the drill head leads.
  • this lateral force is compensated on average by additionally driving the drill head in a uniformly rotating manner.
  • a drill head for such a rod-based horizontal drilling device is disclosed for example in DE 195 34 806 A1.
  • This includes a designated as a steering head inclined drilling head and an adjoining housing, in which a receptacle is provided for a transmitter.
  • the housing is provided with an external thread, with which this can be screwed to a first rod section of the drill string.
  • the transmitter is movably mounted within the receptacle of the cylindrical housing in its longitudinal axial direction and abuts with its two ends to a respective buffer, which serve to the generated by the exertion of the blows on the drill string relative movement of the transmitter within the receptacle of the housing dampen. In this way, the amount of force pulses acting on the transmitter, can be significantly reduced, which is necessary insofar as it is regularly in such a transmitter is a sensitive electronic component.
  • a structurally similar integration of a transmitter in an earth rocket is known for example from DE 198 23 629 A1. It is intended to retrofit an earth rocket with a drill head, in which the transmitter is integrated. There is also provided to embed the transmitter in the corresponding receptacle in the drill bit of Bohrkopfaufsatzes end between two damping elements. It has been found in prior art earth boring devices with integrated transmitters that it is not always possible to achieve a sufficient reduction of the impact load of the transmitters and that these are consequently damaged by the operation of the striking earth boring device.
  • the invention therefore an object of the invention to provide an improved integration of a transmitter in a Erdbohrvorraum. This object is solved by the subject matter of the independent claim.
  • the essence of the invention lies in further reducing the height of the forces transmitted to the transmitter from a housing of the earth boring device, into which the transmitter is integrated, in that the latter is suspended in an exclusively elastic-damping manner by pulling.
  • the transmitter is connected within a receptacle of a housing of a drilling element of a Erdbohrvorraum in which it is movably supported in the longitudinal axial direction (of the drilling element), via a front-side buffer to the housing, that the transmitter at a back
  • a "drilling element" of an earth boring device may be any material that is used to drill a drill. It has been found that an attenuation of the impact pulses which is improved in comparison with the two-sided embedding known from the prior art in two damper elements can be achieved by exclusively pulling elastically damping suspension of the transmitter in the housing of the drilling element.
  • a "drilling element" of an earth boring device may be any material that is used to drill a backward displacement in the receptacle, made possible by a deformation of the buffer, without it striking directly against an element of the drilling element.
  • a “buffer” is a component which, by deformation, converts the kinetic energy of a component connected thereto (in this case the transmitter) and thereby reduces the magnitude of the transmitted forces
  • a buffer can according to the invention be used exclusively as a spring element and exclusively as a spring
  • a buffer according to the invention is a combined spring-damper element.
  • Front-side or “forward” is understood according to the invention to mean a location which depends on the respective element in the direction of the drill-front and consequently extends the front of the Erdbohrvorides. Accordingly, “backward” or “backwards” refers to a direction that extends from the drilling front or the front of the earth boring device in the direction of the already created bore.
  • this is designed as a drill head. It can thereby be achieved that the transmitter, which is arranged in a receptacle of the housing of the drilling element, is arranged as far as possible at the front end of the Erdbohrvorraum, whereby the positioning accuracy can be improved.
  • the drilling element according to the invention can be provided to provide an additional back buffer, which is arranged so that the transmitter deforms this only after a defined backward displacement in the receptacle (which can be very small).
  • the back buffer may then be used, for example. act by damping a damping when unexpectedly high impact forces are exerted on the drilling element, which lead to a correspondingly high displacement of the transmitter in the recording.
  • the drilling element according to the invention may further comprise an integrated into the drilling element power supply for the transmitter.
  • This can prevent the transmitter from having to be connected to an external power supply via an electrically conductive connection.
  • Such a connection to an external power supply has frequently been found to be susceptible to interference in the earth boring devices known from the prior art.
  • An integrated power supply for the transmitter can preferably be done via batteries, with other possibilities for power supply are possible.
  • a turbine driven by a drilling fluid or by compressed air may be connected to a generator which generates the corresponding energy for the operation of the transmitter.
  • the receptacle in the housing of the drilling element is accessible from the outside, so that the transmitter and possibly also the power supply can be used and replaced again without having to disassemble the auger itself.
  • the opening required for accessibility in the housing of the drilling element is preferably closable by means of a closure element.
  • the closure element is easily fixable and detachable, whereby maintenance work on the transmitter and the preferably provided integrated power supply can be simplified.
  • a particularly preferred embodiment can be provided to form the receptacle as a front hole in the drilling element. This can be avoided that an opening in the shell of the drilling element must be introduced.
  • a front bore for receiving the transmitter can preferably be provided as a closure element closure plug, which is further preferably held by clamping in the bore.
  • This can be done for example by means of a conical sealing plug, which in turn is held in a corresponding conical receiving the bore.
  • At least the closure element, the buffer and the transmitter are connected to each other, so that they can be introduced as a transmitter unit in the drilling element and also removed from this again.
  • the assembly and disassembly of the transmitter unit is considerably simplified during maintenance. If an integrated power supply and / or a back buffer are provided, these may preferably also be integrated in the transmitter unit.
  • FIG. 1 shows a drill head according to the invention in an isometric view
  • Fig. 2 the drill head of Fig. 1 in a sectioned time view.
  • FIGS. 1 and 2 show a boring head according to the invention in a first embodiment.
  • This drill head is intended to be used as part of an earth rocket, including this with a housing of the Erdrakete (not shown) is screwed.
  • the drill head comprises a cylindrical housing 1, which is designed in two parts, wherein the two housing parts are displaceable in the longitudinal axial direction over a certain distance from each other.
  • a front housing part 2 is displaceably mounted on a rear housing part 3, wherein this bearing is sealed by a sealing ring 4.
  • a piston 5 which extends over a total of four transverse pins 6, which can be inserted through corresponding openings in the housing, with the front
  • Housing part 2 is connected.
  • the bearing of the piston 5 within the rear Housing part 3 is also designed to be displaceable in the longitudinal axial direction, wherein the rear housing part 3 and the piston 5 are supported by a cylindrical coil spring 7 against each other.
  • the rear housing part further has an external thread 8, with which the drill head can be screwed into a corresponding internal thread of the Erdraketengephaseuses.
  • the free end of the piston 5 projects into a striking space of the earth rocket, in which a percussion piston driven in a known manner by means of compressed air is driven in a cyclical back-and-forth motion.
  • the forward stroke of the percussion piston is thereby slowed down and terminated, that this impinges on the free end of the piston 5 and accelerates it in the direction forward.
  • This acceleration of the piston 5 is transmitted directly to the front housing part 2 of the drill head, whereby it creates the hole step by step.
  • the front housing part 2 of the drill head consists of a first section, designated as a drill mandrel 10, which has a substantially constant outside diameter. This is followed by a conical widening section 11 formed in a stepped shape, which serves to widen the borehole 10 predrilled bore to the desired diameter.
  • the drill mandrel 10 is made hollow and thus forms a receptacle for a transmitter 12, by means of which the drill head can be located by means of a receiving unit (not shown) arranged on the earth's surface.
  • the transmitter 12 which likewise has a cylindrical shape, is in principle mounted slidably in the receptacle in the longitudinal axial direction (of the drill head and of the transmitter 12), for which purpose a guide bush 13 is integrated into the drill mandrel 10, the material of which is selected such that it on the one hand causes no or only a small shielding of the signals emitted by the transmitter 12 and on the other hand has only a small coefficient of friction with the material of the transmitter 12.
  • the transmitter 12 is connected via a fixing sleeve 14 with a front buffer 15. This is also movably mounted in a portion of the receptacle within the drill mandrel 10.
  • the drill head according to the invention is further provided with a rear buffer 17, which is arranged in the unloaded state of the drill head in a defined, albeit very small distance from the rear end of the transmitter 12.
  • a rear buffer 17 which is arranged in the unloaded state of the drill head in a defined, albeit very small distance from the rear end of the transmitter 12.
  • a battery 18, which serves as an internal power supply for the transmitter This is on the one hand via a first cylindrical coil spring 19 to the transmitter 12 and on the other hand - also via a second cylindrical coil spring 20 and an additional battery buffer 21 - supported on the existing of an electrically conductive material fixing sleeve 14.
  • the cylindrical coil springs 19, 20 serve as additional buffer elements and also as contact elements, by which a circuit is formed by incorporating the electrically conductive fixing sleeve 14.
  • the sealing plug 16, the front buffer 15, the fixing sleeve 14 and the transmitter 12 are connected to one another so that they can be used as a transmitter unit through the front opening in the receptacle of the drill mandrel 10 and removed again.
  • the energy supply integrated between the fixing sleeve 14 and the transmitter 12 likewise forms part of the transmitter unit.
  • the sealing plug 16 is formed with a (in the installed state in the rearward direction) conically tapering section, which is inserted into a correspondingly conically widening portion of the receptacle of the drill mandrel.
  • This connection between the sealing plug 16 and the reaming mandrel 10 leads to a clamping connection between these two elements, by the of the Soil is reinforced on the front side of the stopper 16 acting resistance forces. An unwanted loosening of the sealing plug 16 and the associated elements of the transmitter unit can be avoided.
  • An unintentional loosening of the sealing plug (eg during handling prior to introduction into the soil) can additionally be effected by a (not shown) dowel pin, which is introduced into a transverse bore 22, which passes through the sealing plug 16 and the front portion of the drill mandrel 10 ,
  • a loosening of the sealing plug 16 can be effected by means of a tool which engages in the groove formed between the sealing plug 16 and the annular end face of the drill mandrel 10.
  • the drill mandrel In the area of the transmitter, the drill mandrel is provided with a total of four longitudinal openings 23, which are filled with a plastic, which is characterized in that it does not or only weakly shield the signals emitted by the transmitter. This plastic filling prevents clogging of the longitudinal openings 23 with soil.

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Abstract

Bohrelement einer Erdbohrvorrichtung mit einem Gehäuse und einem in einer Aufnahme des Gehäuses angeordneten Sender, wobei der Sender in längsaxialer Richtung des Bohrelements beweglich in der Aufnahme gelagert ist und über einen vorderseitigen Puffer derart mit dem Gehäuse verbunden ist, so dass der Sender bei einem rückseitigen Schlagimpuls auf das Bohrelement eine durch eine Verformung des Puffers ermöglichte, rückwärtsgerichtete Verschiebung in der Aufnahme erfährt, ohne das dieser direkt mit einem weiteren Element des Bohrelements in Kontakt kommt.

Description

"Bohrelement einer Erdbohrvorrichtung"
Die Erfindung betrifft ein Bohrelement einer Erdbohrvorrichtung mit einem Gehäuse und einem in einer Aufnahme des Gehäuses angeordneten Sender.
Es ist bekannt, Erdbohrvorrichtungen mit einem Sender zu versehen, um die von dem Sender ausgesendeten Signale mittels einer an der Erdoberfläche angeordneten Empfangseinheit zu lokalisieren und dadurch die Position der Erdbohrvorrichtung innerhalb des Erdreichs zu bestimmen. Dadurch wird ermöglicht, den Verlauf der Bohrung kontinuierlich zu überprüfen und - sofern es sich um eine steuerbare Erdbohrvorrichtung handelt - bei einer Abweichung von dem Soll-Verlauf den Bohrverlauf durch eine Umsteuerung der Erdbohrvorrichtung zu korrigieren.
Im Stand der Technik sind verschiedene Ausführungsformen steuerbarer Erdbohrvorrichtungen bekannt. Für das Einbringen von Horizontalbohrungen in das Erdreich, das heißt solchen Bohrungen, die im Wesentlichen in oberflächennahen Erdschichten in horizontaler Richtung verlaufen, werden häufig sogenannte Erdraketen eingesetzt. Hierbei handelt es sich um selbstgetriebene Schlagbohrgeräte, die mit einem mit Druckluft betriebenen Schlagwerk ausgerüstet sind und über einen rückseitigen Versorgungsschlauch mit der hierfür benötigten Antriebsdruckluft versorgt werden. Eine Steuerbarkeit einer solchen Erdrakete kann beispielsweise durch eine Verstellung der Bohrkopfspitze erreicht werden, wodurch eine seitliche Ablenkung erzeugt wird, die zu einem bogenförmigen Bohrverlauf führt. Eine solche steuerbare Erdrakete ist beispielsweise in der DE 199 47 645 C1 offenbart.
BESTÄTIGUIS.GSKOPME Weiterhin sind Horizontalerdbohrvorrichtungen bekannt, bei denen ein frontseitig an einem Bohrgestänge angeordneter Bohrkopf mittels einer in einer Baugrube, einem Schacht oder an der Erdoberfläche angeordneten Antriebsvorrichtung schiebend und rotierend durch das Erdreich vorgetrieben wird. Eine Steuerbarkeit bei einer solchen Horizontalbohrvorrichtung wird dadurch erzielt, dass die Bohrkopf asymmetrisch, beispielsweise mit einer schrägen Stirnfläche, ausgebildet ist, sodass bei einem rein schiebenden, d.h. nicht-rotierenden Vortreiben des Bohrkopfs eine Seitenkraft erzeugt wird, die zu der gewünschten seitlichen Ablenkung des Bohrkopfs führt. Für ein geradliniges Bohren wird diese Seitenkraft im Mittel kompensiert, indem der Bohrkopf zusätzlich gleichmäßig rotierend angetrieben wird.
Auch bei einer solchen gestängebasierten Horizontalbohrvorrichtung kann vorgesehen sein, den Bohrvortrieb des Bohrkopfs durch ein Ausüben von Schlägen zu unterstützen. Dies kann - so wie bei einer Erdrakete - durch in internes Schlagwerk erfolgen; regelmäßig ist jedoch vorgesehen, die Schläge von einem externen Schlagwerk erzeugen zu lassen und diese über das Bohrgestänge auf den Bohrkopf zu übertragen. Dadurch kann vermieden werden, ein Schlagwerk in den häufig in seinen Abmessungen begrenzten Bohrkopf integrieren zu müssen.
Ein Bohrkopf für eine solche gestängebasierte Horizontalbohrvorrichtung ist beispielsweise in der DE 195 34 806 A1 offenbart. Dieser umfasst einen als Lenkkopf bezeichneten Schrägbohrkopf und ein sich daran anschließendes Gehäuse, in dem eine Aufnahme für einen Sender vorgesehen ist. An dem dem Schrägbohrkopf gegenüber liegenden Ende ist das Gehäuse mit einem Außengewinde versehen, mit dem dieses mit einem ersten Gestängeschuss des Bohrgestänges verschraubt werden kann. Der Sender ist innerhalb der Aufnahme des zylindrischen Gehäuses in dessen längsaxialer Richtung beweglich gelagert und liegt mit seinem beiden Enden an jeweils einem Puffer an, die dazu dienen, die durch die Ausübung der Schläge auf das Bohrgestänge erzeugte Relativbewegung des Senders innerhalb der Aufnahme des Gehäuses zu dämpfen. Auf diese Weise kann die Höhe der Kraftimpulse, die auf den Sender wirken, erheblich reduziert werden, was insoweit erforderlich ist, da es sich bei einem solchen Sender regelmäßig um ein empfindliches elektronisches Bauteil handelt.
Eine konstruktiv ähnliche Integration eines Senders in eine Erdrakete ist beispielsweise aus der DE 198 23 629 A1 bekannt. Darin ist vorgesehen, eine Erdrakete mit einem Bohrkopfaufsatz nachzurüsten, in den der Sender integriert ist. Auch dort ist vorgesehen, den Sender in der entsprechenden Aufnahme in dem Bohrmeißel des Bohrkopfaufsatzes endseitig zwischen zwei Dämpfungselementen einzubetten. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Erdbohrvorrichtungen mit integriertem Sender hat sich gezeigt, dass bei diesen nicht immer eine ausreichende Verringerung der Stoßbelastung der Sender erzielt werden kann und diese folglich durch den Betrieb der schlagenden Erdbohrvorrichtung beschädigt werden.
Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung demnach die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Integration eines Senders in eine Erdbohrvorrichtung anzugeben. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
Der Kern der Erfindung liegt darin, die Höhe der von einem Gehäuse der Erdbohrvor- richtung, in das der Sender integriert ist, auf den Sender übertragenen Kräfte dadurch weiter zu reduzieren, dass dieser ausschließlich ziehend elastisch-dämpfend aufgehängt wird. Dies wird dadurch erreicht, dass der Sender innerhalb einer Aufnahme eines Gehäuses eines Bohrelements einer Erdbohrvorrichtung, in der dieser in längsaxialer Richtung (des Bohrelements) beweglich gelagert ist, über einen vorderseitigen Puffer derart mit dem Gehäuse verbunden ist, dass der Sender bei einem rückseitigen
Schlag auf das Bohrelement eine durch eine Verformung des Puffers ermöglichte, rückwärts gerichtete Verschiebung in der Aufnahme erfährt, ohne dass dieser direkt an ein Element des Bohrelements anschlägt. Es konnte festgestellt werden, dass durch eine ausschließlich ziehend elastischdämpfende Aufhängung des Senders in dem Gehäuse des Bohrelements eine gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten beidseitigen Einbettung in zwei Dämpferelemente verbesserte Dämpfung der Schlagimpulse erreicht werden kann. Bei einem „Bohrelement" einer Erdbohrvorrichtung kann es sich um ein beliebiges
Bauteil einer Erdbohrvorrichtung handeln, in das ein Sender integriert werden kann.
Bei einem„Puffer" handelt es sich um ein Bauteil, das durch eine Deformation die kinetische Energie eines damit verbundenen Bauteils (hier des Senders) wandelt und dadurch die Höhe der übertragenden Kräfte reduziert. Ein Puffer kann erfindungsgemäß sowohl ausschließlich als Federelement als auch ausschließlich als Dämpferelement ausgebildet sein. Vorzugsweise handelt es sich bei einem erfindungsgemäßen Puffer jedoch um ein kombiniertes Feder-Dämpferelement. Unter„vorderseitig" bzw. „nach vorne" wird erfindungsgemäß eine Ortsangabe verstanden, die sich von dem jeweiligen Element in Richtung der Bohrfront und folglich der Front der Erdbohrvorrichtung erstreckt. Dementsprechend betrifft„rückseitig" bzw. nach hinten eine Richtung, die sich von der Bohrfront beziehungsweise der Front der Erdbohrvorrichtung in Richtung der bereits erstellten Bohrung erstreckt.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bohrelements ist dieses als Bohrkopf ausgebildet. Dadurch kann erreicht werden, dass der Sender, der in einer Aufnahme des Gehäuses des Bohrelements angeordnet ist, möglichst weit am vorderen Ende der Erdbohrvorrichtung angeordnet ist, wodurch die Ortungsgenauigkeit verbessert werden kann.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bohrelements kann vorgesehen sein, einen zusätzlichen rückseitigen Puffer vorzusehen, der so angeordnet ist, dass der Sender diesen erst nach einer definierten rückwärts gerichteten Verschiebung in der Aufnahme (die sehr klein sein kann) deformiert. Der rückseitige Puffer kann beispielweise dann zum Einsatz kommen, d.h. durch eine Deformation dämpfend wirken, wenn unerwartet hohe Schlagkräfte auf das Bohrelement ausgeübt werden, die zu einer entsprechend hohen Verschiebung des Senders in der Aufnahme führen.
Das erfindungsgemäße Bohrelement kann weiterhin eine in das Bohrelement integrierte Energieversorgung für den Sender aufweisen. Dadurch kann verhindert werden, dass der Sender über eine elektrisch leitende Verbindung mit einer externen Energieversorgung verbunden werden muss. Eine solche Verbindung mit einer externen Energieversorgung hat sich bei den aus dem Stand der Technik bekannten Erdbohrvorrichtungen häufig als störanfällig gezeigt. Eine integrierte Energieversorgung für den Sender kann vorzugsweise über Batterien erfolgen, wobei auch andere Möglichkeiten zur Energieversorgung möglich sind. Beispielsweise kann eine über eine Bohrflüssigkeit oder auch über Druckluft angetriebene Turbine mit einem Generator verbunden sein, der die entsprechende Energie für den Betrieb des Senders erzeugt.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass die Aufnahme in dem Gehäuse des Bohrelements von außen zugänglich ist, so dass der Sender und gegebenenfalls auch die Energieversorgung eingesetzt und wieder ausgetauscht werden können, ohne die Erdbohrvorrichtung selbst demontieren zu müssen. Die für die Zugänglichkeit erforderliche Öffnung in dem Gehäuse des Bohrelements ist dabei vorzugsweise mittels eines Verschlusselements verschließbar. Vorzugsweise ist das Verschlusselement auf einfache Weise fixierbar und wieder lösbar, wodurch Wartungsarbeiten an dem Sender und der vorzugsweise vorgesehenen integrierten Energieversorgung vereinfacht werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, die Aufnahme als frontseitige Bohrung in dem Bohrelement auszubilden. Dadurch kann ver- mieden werden, dass eine Öffnung in den Mantel des Bohrelements eingebracht werden muss.
Bei einer solchen frontseitigen Bohrung für die Aufnahme des Senders kann vorzugs- weise ein Verschlussstopfen als Verschlusselement vorgesehen sein, der weiterhin bevorzugt klemmend in der Bohrung gehalten wird. Dies kann beispielsweise mittels eines konischen Verschlussstopfens erfolgen, der wiederum in einer korrespondierenden konischen Aufnahme der Bohrung gehalten wird. Die während des Bohrens auf den Verschlussstopfen wirkenden Reaktionskräfte des Erdreichs drücken dabei auf den Verschlussstopfen, der so in die Bohrung gedrückt wird; die klemmende Fixierung des Bohrstopfens in der Bohrung wir dadurch unterstützt.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass zumindest das Verschlusselement, der Puffer und der Sender miteinander verbunden sind, so dass diese als Sendereinheit in das Bohrelement eingebracht und auch wieder aus diesem entnommen werden können. Dadurch wird die Montage und Demontage der Sendereinheit im Rahmen von Wartungsarbeiten erheblich vereinfacht. Sofern eine integrierte Energieversorgung und/oder ein rückseitiger Puffer vorgesehen sind, können diese vorzugsweise ebenfalls in die Sendereinheit integriert sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigt
Fig. 1 : einen erfindungsgemäßen Bohrkopf in einer isometrischen Ansicht; und
Fig. 2: den Bohrkopf der Fig. 1 in einer geschnittenen Zeitenansicht.
In den Fig. 1 und 2 ist ein erfindungsgemäßer Bohrkopf in einer ersten Ausführungs- form dargestellt. Dieser Bohrkopf ist vorgesehen, als Bestandteil einer Erdrakete eingesetzt zu werden, wozu dieser mit einem Gehäuse der Erdrakete (nicht dargestellt) verschraubt wird.
Der Bohrkopf umfasst ein zylindrisches Gehäuse 1 , das zweiteilig ausgeführt ist, wobei die beiden Gehäuseteile in längsaxialer Richtung über eine gewisse Distanz zueinander verschiebbar sind. Hierzu ist ein vorderer Gehäuseteil 2 verschiebbar auf einem hinteren Gehäuseteil 3 gelagert, wobei diese Lagerung durch einen Dichtring 4 abgedichtet ist. Durch den hinteren Gehäuseteil 3 und einen Abschnitt des vorderen Gehäuseteils 2 erstreckt sich ein Kolben 5, der über insgesamt vier Querbolzen 6, die durch entsprechende Öffnungen in dem Gehäuse einsteckbar sind, mit dem vorderen
Gehäuseteil 2 verbunden ist. Die Lagerung des Kolbens 5 innerhalb des hinteren Gehäuseteils 3 ist ebenfalls in längsaxialer Richtung verschiebbar ausgeführt, wobei sich der hintere Gehäuseteil 3 und der Kolben 5 über eine zylindrische Schraubenfeder 7 gegeneinander abstützen. Der hintere Gehäuseteil weist weiterhin ein Außengewinde 8 auf, mit dem der Bohrkopf in ein entsprechendes Innengewinde des Erdraketengehäuses eingeschraubt werden kann.
Im montierten Zustand des Bohrkopfs ragt das freie Ende des Kolbens 5 in einen Schlagraum der Erdrakete, in dem ein auf bekannte Art und Weise mittels Druckluft angetriebener Schlagkolben in einer zyklischen Hin-und-Her-Bewegung angetrieben wird. Der Vorwärtshub des Schlagkolbens wird dadurch abgebremst und beendet, dass dieser auf das freie Ende des Kolbens 5 auftrifft und diesen in Richtung nach vorne beschleunigt. Diese Beschleunigung des Kolbens 5 wird direkt auf das vordere Gehäu- seteil 2 des Bohrkopfs übertragen, wodurch dieser die Bohrung schrittweise erstellt.
Nach einer definierten Vorwärtsbewegung des Kolbens 5 trifft dieser mit einem ringförmigen Überstand 9 auf ein rückseitiges Ende des zweiten Gehäuseteils 3, wodurch die verbleibende kinetische Energie des Kolbens 5 auch auf den zweiten Gehäuseteil 3 des Bohrkopfs sowie das damit verbundene Erdraketengehäuse übertragen wird. Demnach wird, nachdem der vordere Gehäuseteil 2 des Bohrkopfs die Bohrung vorgetrieben hat, das Erdraketengehäuse nachgezogen.
Der vordere Gehäuseteil 2 des Bohrkopfs besteht aus einem ersten, als Bohrdorn 10 bezeichnete Abschnitt, der einen im Wesentlichen gleich bleibenden Außendurchmes- ser aufweist. Daran schließt sich ein in Stufenform ausgebildeter, konischer Aufweitabschnitt 11 an, der dazu dient, die von dem Bohrdorn 10 vorgebohrte Bohrung auf den gewünschten Durchmesser aufzuweiten. Der Bohrdorn 10 ist hohl ausgeführt und bildet so eine Aufnahme für einen Sender 12 aus, durch den der Bohrkopf mittels einer an der Erdoberfläche angeordneten Empfangseinheit (nicht dargestellt) lokalisiert wer- den kann. Der Sender 12, der ebenfalls eine zylindrische Form aufweist, ist grundsätzlich in längsaxialer Richtung (des Bohrkopfs sowie des Senders 12) verschiebbar in der Aufnahme gelagert, wobei hierfür eine Führungsbuchse 13 in den Bohrdorn 10 integriert ist, dessen Material so gewählt ist, dass es zum einen keine oder nur eine geringe Abschirmung der von dem Sender 12 ausgesendeten Signale bewirkt und zum anderen nur einen kleinen Reibungskoeffizienten mit dem Material des Senders 12 aufweist. Der Sender 12 ist über eine Fixierhülse 14 mit einem vorderseitigen Puffer 15 verbunden. Dieser ist ebenfalls beweglich in einem Abschnitt der Aufnahme innerhalb des Bohrdorns 10 gelagert. Auf dem der Fixierhülse 14 gegenüberliegenden Ende des vorderseitigen Puffers 15 ist dieser mit einem Verschlussstopfen 16 verbunden, der die frontseitige Öffnung des Bohrdorns 10 verschließt. Die von dem Schlagkolben der Erdrakete auf den Kolben 5, von diesem auf den vorderen Gehäuseteil 2 des Bohrkopfs und von diesem auf den Verschlussstopfen 16 übertragenden Schlagkräfte werden über den vorderseitigen Puffer 16 und die Fixierhülse 14 weiter auf den Sender 12 übertragen, wobei diese als Zugkräfte auf diesen wirken; dieser ist somit ziehend aufgehängt. Die Höhe dieser Zugkräfte wird dadurch verringert, dass sich der vorderseitige Puffer 15 unter Einwirkung der nach vorne wirkenden Schlagkräfte und der Trägheitskräfte des Senders 12 verformt und diese teilweise in Potentialkräfte und in Wärme umwandelt. Dadurch können Kraftspitzen verhindert werden, die zu einer Beschädigung des Senders 12 führen könnten.
Der erfindungsgemäße Bohrkopf ist weiterhin mit einem rückseitigen Puffer 17 versehen, der im unbelasteten Zustand des Bohrkopfs in einer definierten, wenn auch sehr kleinen Entfernung von dem rückseitigen Ende des Senders 12 angeordnet ist. Bei der Ausübung von Schlagkräften auf den Kolben 5 des Bohrkopfs kommt es daher zunächst zu einer Relativverschiebung des Senders 12 in der Führungshülse 13, die durch eine Verformung des vorderseitigen Puffers 15 begründet ist, ohne dass es direkt zu einer zusätzlichen dämpfenden Deformation des rückseitigen Puffers 17 kommt. Der rückseitige Puffer 17 dient dazu, bei einem Auftreten von besonders hohen Schlagkräften, die Relativbewegung des Senders 12 in der Führungshülse 13 zusätz- lieh zu dämpfen.
Innerhalb der Fixierhülse 14 befindet sich weiterhin eine Batterie 18, die als interne Energieversorgung für den Sender dient. Diese ist einerseits über eine erste zylindrische Schraubenfeder 19 an dem Sender 12 und andererseits - ebenfalls über eine zweite zylindrische Schraubenfeder 20 und einen zusätzlichen Batteriepuffer 21 - an der aus einem elektrisch leitenden Material bestehenden Fixierhülse 14 abgestützt. Die zylindrischen Schraubenfedern 19, 20 dienen dabei als zusätzliche Pufferelemente und zudem als Kontaktelemente, durch die ein Stromkreis unter Einbindung der elektrisch leitenden Fixierhülse 14 gebildet wird.
Der Verschlussstopfen 16, der vorderseitige Puffer 15, die Fixierhülse 14 und der Sender 12 sind so miteinander verbunden, dass diese als eine Sendereinheit durch die frontseitige Öffnung in die Aufnahme des Bohrdorns 10 eingesetzt und wieder entnommen werden können. Die zwischen die Fixerhülse 14 und den Sender 12 inte- grierte Energieversorgung stellt ebenfalls einen Bestandteil der Sendereinheit dar.
Der Verschlussstopfen 16 ist mit einem sich (im eingebauten Zustand in Richtung nach hinten) konisch verjüngenden Abschnitt ausgebildet, der in einen sich entsprechend konisch aufweitenden Abschnitt der Aufnahme des Bohrdorns eingesetzt ist. Diese Verbindung zwischen dem Verschlussstopfen 16 und dem Bohrdorn 10 führt zu einer klemmenden Verbindung zwischen diesen beiden Elementen, die durch die von dem Erdreich auf die Frontseite des Verschlussstopfens 16 wirkenden Widerstandskräfte verstärkt wird. Ein ungewolltes Lösen des Verschlussstopfens 16 sowie der damit verbundenen Elemente der Sendereinheit kann dadurch vermieden werden. Ein ungewolltes Lösen des Verschlussstopfens (z.B. bei der Handhabung vor dem Einbringen in das Erdreich) kann zusätzlich durch einen (nicht dargestellten) Spannstift erfolgen, der in eine Querbohrung 22, die durch den Verschlussstopfen 16 und den vorderen Abschnitt des Bohrdorns 10 führt, eingebracht wird. Ein Lösen des Verschlussstopfens 16 kann mittels eines Werkzeugs erfolgen, das in die zwischen dem Verschlussstopfen 16 und der ringförmigen Stirnfläche des Bohrdorns 10 ausgebildete Nut eingreift.
Im Bereich des Senders ist der Bohrdorn mit insgesamt vier Längsöffnungen 23 versehen, die mit einem Kunststoff aufgefüllt sind, das sich dadurch auszeichnet, dass es die von dem Sender ausgestrahlten Signale nicht oder nur schwach abschirmt. Diese Kunststofffüllung verhindert ein Zusetzen der Längsöffnungen 23 mit Erdreich.

Claims

Patentansprüche:
1. Bohrelement einer Erdbohrvorrichtung mit einem Gehäuse (1 ) und einem in einer Aufnahme des Gehäuses (1) angeordneten Sender (12), wobei der Sender (12) in längsaxialer Richtung des Bohrelements beweglich in der Aufnahme gelagert ist und über einen vorderseitigen Puffer (15) mit dem Gehäuse (1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (12) bei einem rückseitigen Schlagimpuls auf das Bohrelement eine durch eine Verformung des vorderseitigen Puffers (15) ermöglichte, rückwärtsgerichtete Verschiebung in der Aufnahme erfährt, ohne das dieser direkt an ein weiteres Element des Bohrelements anschlägt.
2. Bohrelement gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass dieses als Bohrkopf ausgebildet ist.
3. Bohrelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen rückseitigen Puffer (17), der erst nach einer definierten rückwärtsgerichteten Verschiebung des Senders (12) in der Aufnahme durch den Sender (12) deformiert wird.
4. Bohrelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine in das Bohrelement integrierte Energieversorgung für den Sender (12).
5. Bohrelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme von außen zugänglich ist und durch ein Verschlusselement verschließbar ist.
6. Bohrelement gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme als frontseitige Bohrung in dem Bohrelement ausgebildet ist.
7. Bohrelement gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement als Verschlussstopfen (16) ausgebildet ist, der klemmend in der Bohrung gehalten wird.
8. Bohrelement gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das Verschlusselement, der vorderseitige Puffer (15) und der Sender (12) miteinander verbunden sind.
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