EP2558682B1 - Kommunikationssystem zur übertragung von informationen über bohrgestänge - Google Patents

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EP2558682B1
EP2558682B1 EP11735590.9A EP11735590A EP2558682B1 EP 2558682 B1 EP2558682 B1 EP 2558682B1 EP 11735590 A EP11735590 A EP 11735590A EP 2558682 B1 EP2558682 B1 EP 2558682B1
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EP
European Patent Office
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drilling rod
rod linkage
drill
communication
linkage
Prior art date
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Active
Application number
EP11735590.9A
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English (en)
French (fr)
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EP2558682A2 (de
Inventor
Peter Jantz
Klaus Hartmann
Wolf-Henning Twelsiek
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.)
Universitaet Siegen
Original Assignee
Universitaet Siegen
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Filing date
Publication date
Application filed by Universitaet Siegen filed Critical Universitaet Siegen
Priority to PL11735590T priority Critical patent/PL2558682T3/pl
Publication of EP2558682A2 publication Critical patent/EP2558682A2/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2558682B1 publication Critical patent/EP2558682B1/de
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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
    • E21B17/00—Drilling rods or pipes; Flexible drill strings; Kellies; Drill collars; Sucker rods; Cables; Casings; Tubings
    • E21B17/02—Couplings; joints
    • E21B17/028—Electrical or electro-magnetic connections
    • 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
    • E21B47/12—Means for transmitting measuring-signals or control signals from the well to the surface, or from the surface to the well, e.g. for logging while drilling
    • E21B47/13—Means for transmitting measuring-signals or control signals from the well to the surface, or from the surface to the well, e.g. for logging while drilling by electromagnetic energy, e.g. radio frequency

Definitions

  • the invention relates to a communication system for transmitting information about drill pipe of a drill string for earth bores, comprising a first drill pipe, one or more second drill pipe and a drill drive, wherein the first drill pipe and the second or the (s) drill pipe each from a hollow cylindrical drill pipe with at least an axially extending conduit and having an upper end and a lower end, the lower end of the first drill string having a receptacle for a drill head, each of the second drill string having its lower end with the upper end of the first drill string or another second drill pipe is rotatably connected and connected at its upper end to the lower end of another second drill pipe or to the drill drive rotatably, with a sensor and / or actuators, from or to the measurement, parameterization, status and / or control data too much protrusions are located at the lower end of the first drill string and / or at the drill head, the data being transmitted or received along the drill string to or from a communication unit on or in the drill drive associated with a surface monitor for monitoring the well
  • a communication system of the type mentioned for transmitting information about drill pipe of a drill string for earth bores is for example from US Patent Application 2009/289808 A known.
  • Boreholes for gas, petroleum or geothermal exploration are typically 30 cm in diameter and approximately 2 km / 1.5 mi in length. These holes are drilled using drill strings made from relatively light, jointed, jointed drill pipes of 9.14m / 30ft or 13.72m / 45ft in length. As the drilling progresses, additional drill string at the upper borehole end is added to the drill string. At the lower drill hole end of the drill string is usually a drill shank, the dead weight of which corresponds to the normal drill string strung together to 300 m /1,000 ft in length.
  • the chisel shaft is equipped with a drill bit. Due to the weight of the assembly and the rotating drive of the drill string from the surface, the drill bit digs into the soil.
  • drilling mud motors or drilling mud turbines are used for the drill bit drive. Mud or air is supplied from the surface through an axial bore of the drill string of the drill bit. This fluid removes the erosion from the wellbore over the hollow cylindrical space between the outer boom wall and the borehole wall. With a hydrostatic drill head, the gases of the soil formation are monitored or sometimes a cooling for the drill bit applied.
  • Another reason for the transmission of information about the drill string results from the desire for automatic compliance with a given propulsion direction. This is especially important in mining deep drilling with a drill pipe supporting the drill pipe and a rotatably mounted on this and provided with guide rails and Anpress Swissen outer tube. Also a drill pipe for full and core drilling is affected. For deep drilling in overground and underground mining, the gravity, the stratification of earth formations, especially in the transition from hard to soft layers and vice versa, and the external friction of the drilling tool and the linkage cause deviations from the predetermined drilling direction. This is true for both core and full wells. In particular, in underground mining, where often approach and exit point of a hole are specified, the bore must maintain the desired direction. Such holes are also referred to as target holes.
  • target drill rods For the straight course of the bore so-called target drill rods, stabilizers or centering and guiding devices are installed. These are rods with attached guide rails, which correspond to the outer diameter of the drill diameter and, following the penetrating drilling tool to perform this concentric.
  • Target boring bars have a built-in automatic vertical control that predefines and / or corrects the drilling direction by utilizing the force of gravity and using the pressure of the flushing liquid.
  • Both after Full and core drilling methods even with lengths up to 100 m, require directional measurements in between to direct the hole according to the observed deviation. This work is extremely time-consuming and expensive, especially in very deep holes or core or solid bores after Seilkernbohrhabilit using two different linkage and machinery equipment are used.
  • the straight holes include horizontal, vertical and oblique holes.
  • corresponding measuring instruments are, for example, tilt sensors such as inclinometers, deflectometers or pendulum meters. Equally important is the transfer of measured values from sensors of other acquisition quantities, ie other physical quantities.
  • each rod of the drill string has a coaxial, electrically conductive inner conduit for conveying the pressurized fluid surrounded by an annulus filled with a fluid electrical Insulator and an outwardly terminating, electrically conductive wall, wherein a first coil assembly for inductive coupling is in the vicinity of the closing, lower end of the drill string, arranged in the annular space, the inner line enclosing, and a second coil for inductive decoupling in the vicinity the upper end of the linkage in the same arrangement.
  • a battery-powered sensor located near the drill near a battery-powered sensor whose signal is amplitude-processed and frequency-processed fed to the first coil, transmitted and received by the second coil and processed. Furthermore, the coils are reversible usable as transmitting and receiving coils. In addition, a further transmitting coil in the vicinity of the coil 2 and a further receiving coil in the vicinity of coil 1 is provided.
  • the arrangement represents electrically a coaxial line, consisting of an inner conductor, a cylindrical insulating layer and an outer conductor. The quality of the transmission is material, medium, speed, length, amplitude and frequency dependent.
  • the European patent application EP 468 891 A1 discloses a 'force measurement assembly for a drill string with a radio transmission device' which is integral with a rotatable shaft A sensor and a first electronic circuit for the preparation of the signals provided by the sensors, wherein the signals are conducted to a stationary detection unit, which is remote from a fixed mounted on the rotary shaft radio transmitter and the apparatus also has a radio receiver for the reception of the transmitter has transmitted signals and that the radio receiver has means for parameterizing or for regulating the measuring device in response to the signals sent by the detection unit.
  • the sensors of the force measuring device are installed over days, as well as the radio link, so that remains as a technical feature of the rotating radio source and the stationary sink.
  • the international patent application WO 91 00 413 A1 concerning a 'force measuring device for a drill pipe' has the content that the in EP 468 891 A1 described radio link is replaced with a similar sensor assembly for the force measurement of the drill shaft through a rotatable with the drill string collector with a fixed brush tap. Upstream and downstream electronic circuits are used for the preparation and preparation of measured values. Since the force measurement does not take place at the place of action, ie at the drill head or in its immediate vicinity, the result of the measurement is in any case adapted to the actual conditions and reworked.
  • the European patent application EP 1 915 504 A1 presents a 'Bidirectional Drilling Rig Measurement and Drilling Control System' consisting of a drilling rig with a derrick and a hook and swivel hanger for the drill string, a drill table with drive rod, a pump for drilling fluid emerging from a pit via the swivel in the interior of the hollow cylindrical drill pipe is conveyed and pushed out over the drill bit between drill string outer wall and borehole as drilling mud, with an electronics equipment below the rotary joint, which communicates wirelessly on the one hand with the construction site control and control computer and on the other hand with the surfaces Participant of the drill string, the one Formation of a drill pipe interconnection forms, the rods are wired along their length (Wired Drill Pipe (WDP)) and each have at their respective end an inductive coupling to a next linkage, depending on the length of the drill string intermediate amplifiers, and an assembly of bottom-hole assembly (BHA) control and measuring devices such as a motor controller, various
  • the European patent application EP 1 434 063 A2 'Drill Pipe Measurement Signal Monitoring Method and System' discloses a telemetry system and a telemetry method for communicating information along a drill string.
  • the information of a sensor in the drill bit is modulated by means of a transmitter and a transmitter coil to a carrier signal and medium to high frequency transmitted from a first position via the drill string to a second position, received and demodulated by a receiver and a receiver coil and further processed in the processor ,
  • the arrangement is intended to directly detect technical drilling information that affects the quality of the well and extends the life of the wellhead assembly by knowing the current temperature of the engine mounts and the current engine drive shaft speeds.
  • Object of the present invention is to provide a novel means for transmitting information about a drill string, which overcomes the disadvantages of the prior art and ensures secure transmission of information within the drill string.
  • the basic idea of the present invention is to provide a data transmission along a drill string for earth bores such that within each drill string of the drill string a wired transmission of the data takes place, and the transmission takes place wirelessly at the joints of the drill string.
  • Wiring within the drill pipe is used for wired transmission (WDP), whereas wireless link modules facing each other at the ends of the drill pipe are arranged to bridge only the connection distance between each other.
  • the communication system has many uses and provides an on-line and real-time measured value transmission path for drill string data, drill head data and / or Bohrkronen flowers, with the sensors for recording the measurement data as close as possible in the immediate vicinity of the drill head and / or the drill bit, preferably even located on the drill head and / or the drill bit.
  • drill bit is understood to mean that part of the borehole bottom end of a drill string which has the cutting elements digging into the ground, while boring head comprises the overall arrangement at the lower end of the drill string first drill pipe comprising a drill head, auger or drill bit and corresponding connection means to the drill pipe.
  • sensors and / or actuators may be mounted in or on at least one other drill string in addition to being disposed on the wellhead to provide information, i.e., from various positions along the drill string.
  • Important sensors are pressure or temperature sensors.
  • Actuators can be valves, motors or pumps.
  • the communication system is simple and maintenance-free, and the installation and commissioning of technically trained personnel on site possible. It can be used in a variety of applications, in particular in the field of drilling technology for special civil engineering, such as flush drilling, pile drilling and in-situ soil mixing technology with the three applications Deep Soil Mixing (DSM), Shallow Soil Mixing (SSM) "and” Backhoe Stabilization "(BOSS).
  • DSM Deep Soil Mixing
  • SSM Shallow Soil Mixing
  • BOSS Backhoe Stabilization
  • the in-situ soil mixing process is characterized by the fact that the aim is soil compaction and soil stabilization, in which the soil is loosened by drilling or milling, while an application-specific suspension is already introduced during the drill or milling draft, in addition to the suspension cement added and mixed with the soil / soil and, if necessary, then solidified with iron piles.
  • the usual support structure and excavated soil deleted. Depths of up to 55 m are worked on, with the correct parallelism and perpendicularity of the holes being of utmost importance in order to obtain a homogeneous soil stabilization.
  • a twin-auger or double-auger drive is used with two counter-rotating tools, which ensure the best possible mixing of the soil / soil.
  • An internal high-pressure linkage with a continuous cross section from the flushing head to the mixing tool ensures application-oriented, low-maintenance use at working pressures of up to 10 MPa / 100 bar.
  • a mechanically adjustable guide carriage enables the drive unit to change the center distance of 500 mm ... 1100 mm, which makes it possible to produce dissolved, tangent or overcut mixing piles.
  • the speed and torque are controlled by an electrically switchable two-speed valve installed in the engine hydraulics.
  • the individual drill rods in the axial direction in one or more pairs (WDP) so that there is at least one electrical line between the two ends of a drill pipe which can be used for data transmission from one end to the other.
  • the electrical line can eino in a relatively thin tube, which extends at least partially on the hollow drill pipe in the manner of a cable channel, preferably on the inside, axially parallel to this.
  • the power supply is preferably formed of batteries so that it is self-sufficient and no external supply of a current for the communication units is necessary. Furthermore, it is advantageous to perform the power supply switchable, so that in cases where no data transfer via a drill pipe is necessary, for example, during its storage at a storage location or a longer suspension of the hole, a shutdown of the power supply for the electronics and the communication units is reached. This saves battery capacity and extends the useful life of the power supply.
  • the power supply and / or the electronics can be arranged approximately in the axial tube center of a drill pipe. This causes the same cable length to be present in both directions, so that attenuation effects or other parasitic effects in data transmission and power supply in both directions of transmission are symmetrical.
  • At least one of the power supply supplied, radio-controlled communication unit is provided at the ends of the drill pipe, which are designed either as a transmitter (transmitter) or as a receiver (receiver) or as a combined transceiver unit (transceiver).
  • transmitters, receivers and combined transceiver units are commercially available and will not be further described below.
  • transmitters and receivers are commercially available and will not be further described below.
  • the use of transmitters and receivers as data modules is sufficient, wherein at one end a drill string a transmitter and at the other end a corresponding receiver is arranged and the drill string are mounted together so that at the junction of a transmitter of the a drill string opposite a receiver of the other drill string.
  • Bi-directional communication is achieved when a transmitter and a receiver are placed at each end of a drill pipe. This can be in separate Communication units or alternatively in said combined transceiver.
  • the communication units are thus arranged according to the invention so that in unidirectional transmission direction from the bottom of the borehole to the surface, e.g. in the case of measurement data transmission, at the top of the nth linkage, a transmitter and at the bottom of the subsequent (n + 1) -th linkage, a receiver is located.
  • a transmitter is arranged at the lower end of the (n + 1) -th linkage and a receiver is arranged at the upper end of the adjoining n-th linkage.
  • the radio equipment of the linkage in bidirectional radio communication can then be simplified with combined transmitter / receiver units (transceivers). This has the advantage that no type distinction of the drill string and no directional orientation of the same is necessary.
  • the electronics within a drill string controls the data transmission from one communication unit to the other communication unit or to the sensor / actuator system. It can serve as an amplifier and signal conditioner for the data to be transmitted.
  • the electronics contains a microcontroller for this purpose.
  • each linkage has an inclination sensor for detecting the positional state of the respective drill string.
  • the inclination sensor for detecting the positional state of the respective drill string.
  • it can be determined by means of the inclination sensor whether the corresponding drill pipe is in a horizontal position, for example at the storage location, or in a vertical position, eg in the case of its use.
  • a tilt sensor for example, a simple mercury switch, alternatively a gyrosensor or one or more acceleration sensors can be used.
  • the inclination sensor can also be arranged approximately at the axial center of a drill pipe.
  • the tilt sensor can be used as a switch for power supply.
  • it is connected to the power supply and configured to switch on the power supply for the electronics and for the communication unit (s) at a transition of the drill string from a horizontal attitude condition to a vertical attitude condition and at a transition of the drill string from a vertical attitude condition to a horizontal attitude Switch off position state.
  • suitable compensation measures such as e.g. Magnetic switch can be provided in each drill pipe to turn on the power supply despite substantially horizontal positional state of the corresponding drill string and to activate the electronics, or to change the logic of the tilt switch.
  • the power supply can be rechargeable.
  • the batteries may be formed by rechargeable batteries.
  • charging can in principle be carried out in a state mounted in the drill pipe, whereby the drill pipe together with its mounted power supply is connected to a charging station via charging cables.
  • the power supply removably on or in the drill pipe, in particular to perform pluggable. In this way, it can be easily and quickly removed from the drill pipe to load or reload. Also unloading for the purpose of regeneration is possible.
  • the power supply can then be re-infected to the appropriate recording on the drill pipe.
  • the recording electrical Plug contacts via which the power supply to the electronics and / or with the communication units is connectable or is connected.
  • the charging process may be carried out at a local stationary charging station or with a mobile charging device operating on the basis of a wireless energy transfer method known in the art, e.g. 'Wireless energy transfer by means of closely coupled magnetic resonances' or 'Return channel communication by means of receive antenna impedance modulation'.
  • a wireless energy transfer method known in the art, e.g. 'Wireless energy transfer by means of closely coupled magnetic resonances' or 'Return channel communication by means of receive antenna impedance modulation'.
  • the drill pipe may have means for automatically recharging the power supply during operation of the drill pipe.
  • a removal of the power supply for the purpose of charging can thereby be largely avoided.
  • a means may be a turbine which drives an electric generator and which is supplied with medium pressurized into the interior of the drill string, e.g. Rinse water, a suspension or cement, or is driven by the mud flowing outside between the drill pipe and borehole wall to the earth's surface.
  • An alternative means is a Seebeck element which generates a voltage from a temperature difference between the medium introduced into the drill string and the drilling mud which can be used to charge the power supply.
  • the energy supply preferably has at least one optical and / or acoustic means for displaying the state of charge, the remaining capacity and / or the supply duration still available.
  • a charge status indicator serves the charge control. In this case, both the actual state of charge can be displayed, as well as a prediction of the capacity state of the rechargeable storing power supply.
  • the drill pipe of each drill pipe can have at least one recess for protected reception of the power supply, the electronics and / or one of the communication units. In this recess, the recorded power supply, electronics and / or communication units of the surrounding the drill pipe media is isolated.
  • the recess may be provided on the outside of the drill pipe, in which case it is formed by a steel bag. Alternatively, the recess may extend into the interior of the drill pipe, so that no projecting parts are present on its lateral surface. The exact arrangement of the recess over the rod length can be adapted to the accessibilities.
  • plug contacts for electrical Steckrome ist the power supply, the electronics and / or one of the communication units.
  • sensors and / or actuators can be or are connected to the power supply and / or the electronics via the plug contacts.
  • a communication unit is inserted in a recess of the drill pipe, it is protected by the drill pipe, respectively by the wall delimiting the recess.
  • a communication unit of a drill string can also have a robust, in particular metallic housing with which it is mounted outside the drill pipe. The communication unit is thus more accessible.
  • the housing of a communication unit has a closed by a non-metallic material, such as plastic or ceramic, opening, which is directed towards the outer edge of the end, on which the corresponding communication unit is arranged.
  • a non-metallic material such as plastic or ceramic
  • An antenna of the radio module for emitting and / or receiving radio signals is located directly at or even in the opening.
  • a completely metallic housing would prevent the reception and emission of radio signals.
  • a communication unit rests in a recess of the drill pipe of a drill pipe, this may also have a closed by a non-metallic material, such as plastic or ceramic, opening directed towards the outer edge of the end on which the corresponding communication unit is arranged.
  • a non-metallic material such as plastic or ceramic
  • the power supply and the electronics structurally form one unit.
  • the electronics can thus be made compact and does not need to be cabled separately to the power supply.
  • the handling of the drill pipe facilitates thereby and the effort for the preparation of the drill pipe is reduced.
  • a drill string for each communication unit may have electronics, wherein the communication unit and the electronics can each structurally form a unit.
  • a drill pipe for each communication unit may have a power supply, wherein communication unit and power supply structurally form a unit.
  • a communication unit, an electronics and a power supply together form a structural unit, so that apart from the drill pipe receiving drill pipe at each drill string only two components to be arranged and connect via the electrical line.
  • the first drill string forms a first end of the drill string and has, in the vicinity of the drill head, the sensors for the measured values and parameters to be measured and transmitted to the surface. It is from one a hollow cylindrical drill pipe having an upper end and a lower end, with at least one lying between the upper and the lower end electrical line which is guided to the two ends, wherein the lower end has a receptacle for a drill head and the upper end is rotatably connected to the lower end of another drill string or with a drill drive, wherein a sensor and / or actuators are transferable from or to the data, is arranged at the lower end / are arranged a communication unit at the upper end, at least one Electronics with a microcontroller, and at least one power supply for the communication units and the electronics are present, wherein the communication unit and the sensors and / or actuators are connected to each other via the electrical line and the electronic data technology between the sensors and / or actuators and the communication unit , and the comm unikationstechnik is a radio module, where
  • the first drill string At the upper end of the first drill string opposite the lower end there is a communication unit designed as a radio module, which forms a transmitter or a combined transceiver unit.
  • the first drill string may have in its axial center a rechargeable storing power supply and a tilt sensor as a power switch for the electronics and the radio module.
  • the first drill pipe differs from the second drill pipe or rods in the sensors and / or actuators, which are arranged near the drill bit instead of a communication unit.
  • the second or each second drill pipe forms an intermediate drill pipe which is mounted between the first drill pipe comprising the drill head and the drill drive. For this purpose, it is positioned on the surface side opposite the first end of the drill string and mounted on the first drill string and the drive. It forms a drill pipe for a drill pipe for earth bores for constructing the communication system according to the invention, comprising a hollow cylindrical drill pipe having an upper end and a lower end, and having at least one electrical line lying between the upper and the lower end, to the two ends is guided, wherein the lower end with the upper end of another drill string rotatably connected and the upper end with the lower end of another drill string or with a drill drive rotatably connected, arranged at both ends at least one communication unit, at least one electronics with a microcontroller , And at least one power supply for the communication units and the electronics are present, wherein the communication units are connected to each other via the electrical line and the data technology lies between the communication units, and the communication units n radio modules are, each of the communication units is adapted to transmit data
  • the or a second drill pipe has a receiver (receiver) or a combined transmitter / receiver unit (transceiver) at its lower end, relative to its vertical arrangement, a likewise one or more paired electrical line via the linkage, and by way of example in the axial center a rechargeable storage energy supply and a tilt sensor as a switch for the electronics and the radio modules.
  • the second drill string has at least one radio transmitter or a combined transmitter / transmitter.
  • Receiver unit for bidirectional data transmission, wherein the transmitter or transceiver via a radio link with the communication unit of the drill drive, the connected thereto electronics and the electronics connected surface computer of the drilling site in data connection and primarily the sensor data from the drill head environment unidirectional transfers.
  • the communication system according to the invention must be bidirectional, so that control data can be transmitted to the actuators.
  • sensors can also be parameterized dynamically, with parameter data being able to be transmitted to the sensors.
  • the drill string or communication system consisting of wired drill pipes and radio links to the linkage connections comprises, as explained above, only two different types of drill string foundations, namely the first drill pipe forming a drill string and the second and second drill pipes forming the intermediate drill pipe.
  • the first drill pipe is characterized by its inclusion of the drill head, a sensor and / or actuators near the drill head and a radio module at one end, whereas the second or each second drill pipe has at least one radio module at each end.
  • sensors and / or actuators are also used in other linkages of the drill string. These linkages provide additional information from these sensors or additionally receive information for their actuators. With the additional information more or more robust information of the total drill string can be determined or determined.
  • a basic idea of the communication system according to the invention is that the radio link between the drill pipes invariably only over the relatively short distance, ie takes place over the length of a linkage connection from an n-th linkage to a (n + 1) -th linkage.
  • the radio link therefore does not exist over the entire length of one or more drill pipes.
  • the radio modules can be set to constant field sizes and field parameters. With regard to this setting, there are no differences regarding the boom types.
  • the communication units are preferably to be mounted at a distance of 15 cm to 20 cm from the outer edge of a rod end, with the result that a radio link of only 30 cm to 40 cm is present.
  • the communication units can therefore be set up for near-field communication in such a way that their transmitter ranges are less than 1 m, in particular only between 30 and 50 cm. This advantageous embodiment leads to calculable transmission powers between the radio modules, which also allows calculability of the energy balance of the rechargeable storing power supplies.
  • each drill pipe is assigned a unique identifier by means of which it can be identified. This allows for a simplification of logistics in the management of the drill pipe.
  • the identifier offers the possibility to uniquely identify and address each networked or networked drill string in a network.
  • each drill pipe can form a node in an ad hoc network that is built up at the wellbore from the individual drill pipes.
  • the electronics together with the communication unit or units connected to it form a network node.
  • An ad hoc network is a simple wireless local area network (WLAN) networking variant that enables direct peer-to-peer communication without an access point (base station) as an information broker, and is well-suited for small and / or time-limited networks.
  • the communication units of the communication system can therefore be set up to transmit the data via WLAN.
  • the radio network nodes communicate directly with each other without a central WLAN access point in order to easily exchange data or folders.
  • Ad hoc networks operate on the basis of the beaconing mechanism (beacon mechanism), in which each network node (node) sends a beacon (radio signal) at regular intervals. Each knot knows its neighbors, which it can reach directly. All nodes use the same frequency when transmitting.
  • the entire network structure arises dynamically through self-organization and self-administration, the network management is distributed to the nodes. There is no central administration that determines the network structure and the routing, ie the routing allocation. In each network node, the tables for the route allocation are stored. Each node has a router share (routing share).
  • the network structure Due to the mobility of the nodes, the network structure is time-variant. Entry into an ad-hoc network takes place through interaction with other participants.
  • the radio nodes work in an ad-hoc state and are configured according to the international standard IEEE 802.11 ad-hoc.
  • the channel number and the service set identifier (SSID) to be set of each node must be identical.
  • Data, information or signals are passed from network node to network node until they reach their receiver, thus distributing the data load more advantageously than in centralized access networks.
  • the ad hoc network constantly adapts as network nodes move, join or fail. If a network node fails, the network tries to reach the destination node, bypassing the failed node.
  • the identifier may for example be stored in the electronics and / or in one or more of the communication units and interrogated by the drive side communication unit as soon as a drill string is mounted to the drill drive and the communication unit of the drill drive is in radio communication with the communication unit located at the upper end of the drill string , This presupposes that at least the radio link, preferably also the electronics of the drill pipe, is already supplied by the power supply at least with a quiescent current, i. the power supply is turned on. This can be done automatically via the aforementioned tilt sensor.
  • Triggering the identification query can be done automatically, for example via a mechanical switch on the drill drive, which is actuated during assembly of the drill string.
  • the drill drive may have a proximity sensor that triggers and initiates the ID query as soon as a drill string enters its detection area.
  • each drill string has an RFID transponder, in particular a passive RFID transponder, in which the aforementioned or another unique identifier is stored.
  • the Drill drive can then have a proximity sensor with an RFID reading unit, which is connected to the drive-side electronics and is adapted to activate the approach of a drill string whose RFID transponder for the transmission of the identifier.
  • the identifier obtained from the RFID reading unit or from the drive-side radio module can then be fed to the electronics of the drill head and from there to the surface computer, which inserts the identifier (ID) of the 'new' linkage into the ad hoc network.
  • an existing drill string of the type described above is added to an existing drill string from a storage location, by the change in position of the drill string from horizontal to vertical position, the inclination sensor will turn on the power supply and the electronics and the communication units previously in a sleep state activate.
  • the RFID transponder may be an active RFID transponder connected to the power supply and configured to turn on the power supply and / or to activate the electronics and communication units when receiving an enable signal from the RFID reader unit.
  • the corresponding pipe string then goes from the idle state to an activated state.
  • a prepared boom is removed from the stack, transported to the nearby well site and erected.
  • the tilt switch which is also supplied with quiescent current in REST mode, switches on the power supply for the electronics when the linkage is moved from the horizontal to the vertical position. Both the horizontal and the vertical position can be defined with a tolerance field in the electronics so that the oblique drilling in the context of the switching action of the inclination sensor is possible.
  • the switching causes an unlocking of the electronics in the sense of activating a logic and the flow of a minimum quiescent current into the electronics.
  • the linkage electronics is electrically in a rest state, which can also be referred to as sleep mode in which it is in a waiting position.
  • the prepared 'new' linkage which is in the quiescent state, is transported to the uppermost linkage of the drill string, which has since been freed from the drill drive, and fitted with its lower end and mechanically bolted to it. Thereafter, the drive rod of the drill drive of the drilling device is placed on the upper end of the 'new' linkage and also screwed with this mechanically fixed.
  • the Mit Economicsstange proximity sensor is activated, which causes its RFID reader to query the identifier (ID) of the opposite RFID transponder at the upper end of the 'new' linkage.
  • the surface calculator synchronizes all data such that the new linkage forms a new node within the drill string ad hoc network.
  • drill pipe will be fully automated and self-organized and logged into and integrated with the ad hoc network to be built so that each drill pipe within the network forms an individually addressable network node.
  • Fig. 1 shows a stack 1 of prepared drill string 10 in REST mode for a drill string.
  • the individual drill pipe 10 consist of a drill pipe 11 with the wall thickness 12, have an upper end 13 and a lower end 14, and are in the axial direction one or more pairs wired (WDP), so that two electrical lines 21, 22 are formed.
  • Drill pipe 10 have in the axial center of the tube electronics 15 with a microcontroller and a switchable electrical power supply, the at least a pair of the two paired lines 21, 22 are powered, the electronics 15 and the power supply structurally form a unit.
  • a drill string is in each case equipped with a radio-controlled, commercially available transmitter (transmitter) and / or receiver (receiver) or transmitter / receiver unit (transceiver) 17, 19, each of which has an antenna 18, 20, and which are also powered by the aforementioned power supply.
  • the power supply is rechargeable and fixed or portable.
  • the removal of the pluggable power supply is used for charging and / or recharging the same and is added to the charging receptacle of the linkage after the loading process again.
  • the accommodation of the power supply is protected in steel pockets of the linkage, with electrical connections to sensors, actuators, transmitters and / or receivers in the pockets.
  • a tilt sensor 16 Approximately in the center of the tube is a tilt sensor 16, which switches the power supply depending on position. The inclination sensor 16 is rested even in a horizontal position.
  • the drill pipe 10 prepared for the drilling or milling process are available on the stack 1 in REST mode. From the point of view of information processing, each drill string 10 with microcontroller-controlled electronics 15 and radio modules 17, 19 forms a node of a network.
  • Fig. 2 shows right the Bohrgestfitelagerstelle 1, where the drill pipe 10 are stacked horizontally.
  • a linkage 3 is removed from the stack 1 and erected.
  • the tilt sensor 16 switches on the power supply and so supplies the electronics 15 and the radio modules 17,19 with quiescent current.
  • the linkage state thereby enters the READY mode.
  • the linkage 4 is transported to the drilling site.
  • the tilt sensor 16 thus serves as a switch for the power supply of the electronics 15 and the radio modules 17, 19, wherein at approximately horizontal position of the linkage 10, the power supply is turned off and at about vertical operation or even when leaving the horizontal position the rest status of the power supply for the electronics 15 and the radio modules 17,19 is turned on.
  • Fig. 3 There follows a further working step in which the (n + 1) -th linkage 6 removed from the stack 1 is mounted between the uppermost n-th linkage 5 of the drill string and the clamping jaw 70 of a drill drive 7.
  • the prepared 'new' (n + 1) -th linkage 6, which is at rest, is transported to the uppermost, n-th linkage 5 of the drillstring, which has since been freed from the clamping jaw 70 and the driving rod 74 placed lower end 14 and mechanically screwed to the upper end 13.
  • the driving rod 74 of the drive 7 of the drilling device is placed on the second upper end 13 of the 'new' linkage 6 and screwed on the clamping jaw 70 also with this mechanically fixed.
  • a proximity sensor 71 is activated when placing the driving rod 74 of the drive 7 on the second upper end 13 of the 'new' linkage 6 in the head of Mit lovedstange 74, the a high-frequency identification (RFID) reader via a transmitter Receiver / receiver unit (transceiver) 72 causes the identifier (ID) of the transmitter / receiver unit (transceiver) 17 of the second upper end 13 of the linkage 6 opposite to it to be interrogated.
  • RFID radio frequency identification
  • the identification of the arranged in the drill drive 7 electronics 73 which also has a microcontroller, sent to the standing in direct radio communication with the drive surface computer 100, which in turn performs a synchronization of all data such that the new linkage 6 a new node within the drill string ad hoc network.
  • Fig. 4 shows the operating principle of the drill string-linkage overall arrangement.
  • the storage site 1 for ready-made drill string 10 in the mode REST is shown, while the left side of linkage 5, 6, 8, 9 of a drill string from the bottom of the hole to the surface 75, with drive 7 and surface computer 100 shows.
  • the linkage 5, 6, 9, 10 are here as 'Standard' linkage shown, the linkage 8 is the first linkage of the drill string and is located at the bottom of the hole.
  • the drill string 8, 80 has a receptacle for a drill head and in the vicinity of a sensor 81 with various measuring devices, in particular sensors, such as inclinometer, deflectometer, Pendellotmeter or inclination sensor for vertical drilling, and optionally one or more actuators 81st
  • the linkage head ends 13, 14 are each provided with a radio-controlled commercial transmitter and / or receivers or transceivers 17, 19, which are fed via the rechargeable storage power supply and thus arranged in that a transmitter 17 is located in the unidirectional transmission direction from the borehole bottom to the surface 75 at the upper end 13 of the nth linkage 5 and a receiver 19 at the lower end 14 of the adjoining (n + 1) th linkage 6.
  • a transmitter 17 is located in the unidirectional transmission direction from the borehole bottom to the surface 75 at the upper end 13 of the nth linkage 5 and a receiver 19 at the lower end 14 of the adjoining (n + 1) th linkage 6.
  • For unidirectional operation then applies to the transmission direction of the surface 75 to the borehole bottom, that at the lower end 14 of the (n + 1) -th linkage 6 a transmitter 19 and at the upper end 13 of the subsequent n-th linkage a receiver 17th located.
  • the linkages 10 at the upper end 13 and lower end 14 do not have the same equipment and are to be stored in a directionally oriented manner. If the linkages 10 are designed for bidirectional data transmission and equipped at the ends with combined transmitter / receiver units (transceivers) 17, 19, the position-oriented directional orientation is eliminated.
  • the data transmission takes place unidirectionally or bidirectionally, starting for example at the sensor devices 81 of the drill string 80, is always performed on all WDP rods 10 via the wiring from one end 14 of the linkage to the other end 13 and the drill pipe connections, which usually are designed as screw connections, via at least one transmitter (transmitter) and / or receiver (receiver) or combined transmitter / receiver unit (transceiver) 17, 19 from a drill string to safely transfer the next drill pipe over a very short distance.
  • the wireless communication is limited to the transmission from one end 13 of a linkage n to the end 14 of the adjacent linkage n + 1 to about 30 cm to 40 cm with always the same arrangement and always the same environment.
  • the drive 7 is also equipped with an electronics 73 with microcontroller and a radio module 72 as a second, upper end of the drill string and exchanges information with the adjacent, with the Bohr- / Fräsfort Marin changing (n + t) -th drill pipe 6.
  • the communication between the drill drive 7 and the surface computer 100, 101 takes place via a radio link, wherein the line 102 permanently connects a radio module 103 with antenna 104 to the surface computer 100, 101.
  • the surface calculator 100, 101 is responsible for the entire wellsite organization and management, as well as the drill string data acquisition and evaluation, as well as the boom management and network organization.
  • Fig. 5 shows the drill pipe 10 as a node in the drill string ad hoc network using the example of a drill string with three drill pipes 5, 6, 8.
  • the drilling information which is acquired from the measurement data of the sensor system 81 of the rod 8 during operation, is transmitted via the drill string.
  • the communication system according to the invention has a communication performance in terms of data rate and data quality, which is independent of the borehole depth. An application is possible even in the most difficult ground conditions and in the water. In addition, communication works equally well for 1000m deep wells at 10m depth.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Kommunikationssystem zur Übertragung von Informationen über Bohrgestänge eines Bohrstrangs für Erdbohrungen, umfassend ein erstes Bohrgestänge, ein oder mehrere zweite Bohrgestänge und einen Bohrantrieb, wobei das erste Bohrgestänge und das oder die zweite(n) Bohrgestänge jeweils aus einem hohlzylinderförmigen Gestängerohr mit zumindest einer sich in axialer Richtung erstreckenden Leitung und mit einem oberen Ende und einem unteren Ende gebildet ist/sind, das untere Ende des ersten Bohrgestänges eine Aufnahme für einen Bohrkopf aufweist, jedes der zweiten Bohrgestänge mit seinem unteren Ende mit dem oberen Ende des ersten Bohrgestänges oder eines anderen zweiten Bohrgestänges drehfest verbunden und mit seinem oberen Ende mit dem unteren Ende eines weiteren zweiten Bohrgestänges oder mit dem Bohrantrieb drehfest verbunden ist, wobei eine Sensorik und/ oder Aktorik, von der oder zu der Mess-, Parametrier-, Status- und/ oder Steuerdaten zu übertragen sind am unteren Ende des ersten Bohrgestänges und/ oder am Bohrkopf angeordnet ist/ sind, wobei die Daten entlang des Bohrstrangs zu oder von einer Kommunikationseinheit am oder im Bohrantrieb übertragen oder empfangen werden, die mit einem Oberflächenrechner zur Überwachung der Erdbohrung in Verbindung steht, der die Daten der Sensorik und/ oder Aktorik empfängt oder bereitstellt. Ferner betrifft die Erfindung Bohrgestänge zum Aufbau eines derartigen Kommunikationssystems.
  • Ein Kommunikationssystem der genannten Gattung zur Übertragung von Informationen über Bohrgestänge eines Bohrstrangs für Erdbohrungen ist beispielsweise aus der US Patentanmeldung 2009/289808 A bekannt.
  • Bohrlöcher für die Gas-, Petroleum- oder Geothermal-Exploration sind typischerweise 30 cm im Durchmesser und in der Länge ca. 2 km/1,5 mi lang. Diese Bohrungen werden mit Bohrsträngen aus relativ leichten, aneinander geschraubten, die Fugen mit Gelenken versehenen Bohrgestängen von 9,14m/ 30 ft oder 13,72 m/ 45 ft Länge gebohrt. Mit dem Bohrfortschritt werden weitere Bohrgestänge am oberen Bohrlochende dem Bohrstrang hinzugefügt. Am unteren Bohrlochende des Bohrstrangs befindet sich üblicherweise ein Meißelschaft, dessen Eigengewicht etwa dem von normalen Bohrgestängen aneinandergereiht auf 300 m /1.000 ft Länge entspricht. Der Meißelschaft wird mit einer Bohrkrone bestückt. Aufgrund es Gewichts der Anordnung und dem drehenden Antrieb des Bohrstrangs von der Oberfläche gräbt sich die Bohrkrone in das Erdreich. Manchmal werden auch Bohrschlammmotoren oder Bohrschlammturbinen für den Bohrkronenantrieb eingesetzt. Spülschlamm oder Luft wird von der Oberfläche durch eine axiale Bohrung des Bohrstrangs der Bohrkrone zugeführt. Dieses Fluid entfernt die Abtragungen aus dem Bohrloch über den hohlzylinderförmigen Raum zwischen Gestängeaußenwand und Bohrlochwand. Mit einem hydrostatischen Bohrkopf werden die Gase der Bodenformation überwacht oder auch manchmal eine Kühlung für die Bohrkrone appliziert.
  • Eine Übertragung von Sensordaten über Parameter wie Druck oder Temperatur, die mittels Sensoren am Bohrstrang im Bereich des Bohrlochbodens erfasst werden, an die Oberfläche, ist lange schon gefordert. Verschiedene Methoden dieser Kommunikation wurden versucht, wie elektromagnetische Wellenausbreitung über die Bodenformation, elektrische Übertragung über einen isolierten Leiter, Druckimpuls-Verbreitung über den Bohrschlamm sowie akustische Wellenausbreitung über den metallenen Bohrstrang. Jede dieser Methoden weist Nachteile auf, wie beispielsweise die Signaldämpfung, die Umgebungsgeräusche, die hohen Temperaturen sowie die Inkompatibilität mit den Standardarbeitsweisen betreffend. Die am meisten kommerziell verbreitete Methode ist die der Informationsübertragung mittels eines Druckimpulses über den Bohrschlamm. Jedoch begrenzen Dämpfungsmechanismen des Schlamms die Übertragungsrate auf ca. 2bit/s bis 4bit/s.
  • Ein weiterer Grund für die Übertragung von Informationen über den Bohrstrang resultiert aus dem Wunsch zur selbsttätigen Einhaltung einer vorgegebenen Vortriebsrichtung. Dies ist vor allem beim bergmännischen Tiefbohren mit einem den Bohrmeißel tragenden Gestängerohr und einem auf diesem drehbar angeordneten und mit Führungsleisten und Anpressstücken versehenen Außenrohr wichtig. Auch ein Bohrgestänge für Voll- und Kernbohrungen ist betroffen. Bei Tiefbohrungen im Über- und Untertagebau bewirken die Erdanziehung, die Schichtung von Erdformationen, insbesondere beim Übergang von harten auf weiche Schichten und umgekehrt, sowie die Außenreibung des Bohrwerkzeugs und des Gestänges Abweichungen von der vorgegebenen Bohrrichtung. Das trifft sowohl für Kern- als auch für Vollbohrungen zu. Insbesondere im Untertagebergbau, wo oft Ansatz- und Austrittspunkt einer Bohrung genau festgelegt sind, muss die Bohrung die gewünschte Richtung beibehalten. Solche Bohrungen werden auch als Zielbohrungen bezeichnet. Aber auch bei Aufschlussbohrungen zur Erkundung unbekannter Lagerstätten, ist ein geradliniger Verlauf der Bohrung gefordert. Aufschlussbohrungen werden sowohl nach dem Kern- als auch nach dem Vollbohrverfahren durchgeführt. Auch bei Parallelbohrungen, wie z.B. für die Deichbefestigung, ist die Lotrechte und Parallelität aus Gründen der späteren Dichtheit der Deichanlage zwingend notwendig.
  • Für den geradlinigen Verlauf der Bohrung werden sogenannte Zielbohrstangen, Stabilisatoren oder Zentrier- und Führungsvorrichtungen eingebaut. Es handelt sich hierbei um Gestänge mit aufgesetzten Führungsleisten, die im äußeren Durchmesser dem Bohrdurchmesser entsprechen und, dem vordringenden Bohrwerkzeug folgend, dieses konzentrisch führen sollen. Zielbohrstangen besitzen eine eingebaute automatische Vertikalsteuerung, die die Bohrrichtung unter Ausnutzung der Kraft der Erdanziehung und Verwendung des Drucks der Spülflüssigkeit vorgibt und/ oder korrigiert. Bei geradlinigen Bohrungen sowohl nach dem Voll- als auch dem Kernbohrverfahren, auch bei Längen bis 100 m, sind zwischendurch Richtungsmessungen erforderlich, um die Bohrung entsprechend der festgestellten Abweichung zu richten. Diese Arbeiten sind außerordentlich zeitraubend und aufwendig, besonders bei sehr tiefen Bohrungen oder bei Kern- oder Vollbohrungen nach dem Seilkernbohrverfahren, bei dem zwei unterschiedliche Gestänge- und Maschinenausrüstungen zum Einsatz kommen. Zu den geradlinigen Bohrungen zählen Horizontal-, Vertikal- und Schrägbohrungen.
  • Es besteht also großes Interesse, entsprechende Messinstrumente so dicht wie möglich an dem Bohrkopf und/ oder an der Bohrkrone des Bohrstrangs anzuordnen, um die korrekte Messdaten on-line und real-time über den Bohrstrang Verarbeitungseinrichtungen an der Oberfläche zur Verfügung zu stellen, um z.B. auf Destinationsabweichungen unmittelbar reagieren zu können. Entsprechende Messgeräte sind beispielsweise als Neigungssensoren wie Inklinometer, Deflektometer oder Pendellotmeter. Ebenso bedeutend ist die Messwertübertragung von Sensoren anderer Erfassungsgrößen, d.h. anderer physikalischer Größen.
    Im Folgenden wird der Stand der Technik von Einrichtungen zur Übertragung von Informationen über Bohrgestänge gewürdigt. Gemäß dem Stand der Technik sind je nach Anwendungsgebiet eine Vielzahl von Typen von Einrichtungen zur Übertragung von Informationen über Bohrgestänge im Einsatz.
  • In der europäischen Patentanmeldung EP 1 225 301 A1 wird ein 'Hohles Bohrgestänge zur Informationsübertragung' vorgestellt, bestehend einerseits aus einem elektrisch leitendem hohlem Gestänge, welches innen eine zylinderförmige Schichtung aus Isolation, Leitung und Isolation umfasst, wobei die Leitung je an den Enden des Gestänges auf eine Länge L = 0,8 x D bis 2,2 x D zur Ausbildung leitender Ringe freigelegt ist und den Bohrschlamm kontaktiert, und andererseits aus einem Bohrstrang aus mehreren Gestängen und einem Bohrwerkzeug am unteren Ende, wobei für die Übertragung von Informationen eine erste innere axiale Spulenanordnung 1 am unteren Ende, die geeignet ist, elektrisch wechselnde Signale als Informationsträger zu empfangen, sowie eine zweite innere axiale Spulenanordnung 2 am oberen Gestänge für den Signalempfang, wobei die Signale durch die Zirkulation eines Stroms in einer Stromschleife erzeugt wird, die durch die leitende Schicht, die leitenden Ringe, den Innen-Schlamm, die Gestängewand und den Außen-Schlamm gebildet ist, und wobei der Strom durch das Signal erzeugt wird, das auf die Spulenanordnung 1 wirkt. Da der Durchmesser D zwischen 2,5 cm und 11 cm liegt, handelt es sich um eine extrem lange und dünne Leitung, sowohl im mechanischen als auch im elektrischen Sinne.
  • Die europäische Patentanmeldung EP 1 213 440 A1 stellt ein 'Verfahren zur Übertragung von Informationen über ein Bohrgestänge' sowie eine Einrichtung dafür vor, wobei jede Stange des Bohrgestänges eine koaxiale, elektrisch leitende Innenleitung für die Beförderung der unter Druck stehenden Flüssigkeit aufweist, umgeben von einem Ringraum, gefüllt mit einem fluiden, elektrischen Isolator sowie einer nach außen abschließenden, elektrisch leitenden Wand, wobei sich eine erste Spulenanordnung zur induktiven Einkopplung in der Nähe des verschließenden, unteren Endes des Bohrgestänges befindet, angeordnet in dem Ringraum, die Innenleitung umschließend, sowie einer zweiten Spule zur induktiven Auskopplung in der Nähe des oberen Endes des Gestänges in gleicher Anordnung. Weiterhin befindet sich in Bohrkopfnähe ein batteriegespeister Messfühler, dessen Signal amplitudenaufbereitet und frequenzaufbereitet der ersten Spule zugeführt, übertragen und von der zweiten Spule empfangen und aufbereitet wird. Weiterhin sind die Spulen umschaltbar als Sende- und Empfangsspulen nutzbar. Außerdem ist eine weitere Sendespule in der Nähe der Spule 2 sowie eine weitere Empfangsspule in Nachbarschaft von Spule 1 vorgesehen. Die Anordnung stellt elektrisch eine Koaxialleitung dar, bestehend aus einem Innenleiter, zylinderförmiger Isolierschicht und einem Außenleiter. Die Güte der Übertragung ist material-, medium-, drehzahl-, längen-, amplituden- und frequenzabhängig.
  • Die Europäische Patentanmeldung EP 468 891 A1 offenbart eine 'Anordnung zur Kraftmessung für ein Bohrgestänge mit einer Vorrichtung zur Funkübertragung', welche mit einem drehbaren Schaft fest verbundene Messfühler und eine erste elektronische Schaltung für die Aufbereitung der von den Messfühlern bereitgestellten Signale aufweist, wobei die Signale zu einer stationären Erfassungseinheit geleitet werden, die von einem auf dem drehbaren Schaft fest montierten Funksender entfernt ist und die Vorrichtung außerdem einen Funkempfänger für den Empfang der von der Erfassungseinheit gesendeten Signale aufweist und dass der Funkempfänger Einrichtungen zum Parametrieren oder zum Regulieren der Messvorrichtung als Reaktion auf die von der Erfassungseinheit gesendete Signale besitzt. Die Messfühler der Kraftmesseinrichtung sind über Tage installiert, ebenso wie die Funkstrecke, so dass als technische Besonderheit die rotierende Funkquelle und die stationäre Senke verbleibt.
  • Die internationale Patentanmeldung WO 91 00 413 A1 betreffend eine 'Vorrichtung zur Kraftmessung für ein Bohrgestänge' hat zum Inhalt, dass die in EP 468 891 A1 beschriebene Funkstrecke bei ähnlichem Messfühleraufbau für die Kraftmessung des Bohrschafts durch einen mit dem Bohrgestänge mitdrehenden Kollektor mit feststehendem Bürstenabgriff ersetzt ist. Vor- und nachgeschaltete elektronische Schaltungen dienen der Messwertvor- und -aufbereitung. Da die Kraftmessung nicht am Ort des Geschehens stattfindet, d.h. am Bohrkopf oder in dessen unmittelbarer Nachbarschaft, ist das Ergebnis der Messung ohnehin den tatsächlichen Verhältnissen anzupassen und nachzuarbeiten.
  • Die europäische Patentanmeldung EP 1 915 504 A1 stellt ein 'Bidirektionales Bohrgestänge-Fernmeßsystem zur Messung und Bohrsteuerung' vor, bestehend aus einer Bohrplattform mit Bohrturm und einer Aufhängung mit Haken und Drehgelenk für den Bohrstrang, einem Bohrtisch mit Mitnehmerstange, einer Pumpe für die Bohrflüssigkeit, die aus einer Grube über das Drehgelenk in das Innere der hohlzylinderförmigen Bohrgestänge gefördert und über die Bohrkrone austretend zwischen Bohrstrang-Außenwand und Bohrloch als Bohrschlamm nach oben gedrückt wird, mit einer Elektronik-Ausstattung unterhalb des Drehgelenks, die drahtlos einerseits mit dem Baustellen-Steuer- und Kontrollrechner kommuniziert und andererseits mit dem Oberflächen-Teilnehmer des Bohrstrangs, der einen informationstechnischen Abschluss einer Bohrgestänge-Vernetzung bildet, wobei die Gestänge über ihre Länge verdrahtet sind (Wired Drill Pipe (WDP)) und an ihrem jeweiligen Ende je eine induktive Kopplung zu einem nächsten Gestänge aufweisen, mit von der Länge des Bohrstrangs abhängig zwischengeschalteten Verstärkern, sowie einer Anordnung von Steuer- und Messeinrichtungen oberhalb der Bohrkrone (Bottom Hole Assembly (BHA)), wie eine Motorsteuerung, verschiedene Aufzeichnungs- (Logging While Drilling (LWD)) und Meß- (Measurement While Drilling (MWD)) Modulen, die zum verdrahteten Bohrgestänge hin mit einem Schnittstellen-Teilnehmer abschließen. Die verdrahteten, induktiv gekoppelten Gestänge, die sich vom Oberflächen- bis zum Schnittstellen-Teilnehmer erstrecken, bilden das Bohrstrang-Telemetrie-System.
  • In einer älteren Patentanmeldung US 7 040 415 werden zwei weitere Telemetrie-Systeme mit ihrer Methodik vorgestellt, wobei die Bohrstrangdaten an der Bohrplattform einmal über Schleifringe abgegriffen und dem Baustellen-Rechner übermittelt werden und in einem weiteren Beispiel mittels einer Drahtlos-Übertragung. Die Gestänge sind je mit zwei Leitungspaaren ausgestattet, wobei die zwischen den Gestängen geschalteten Adapter eine induktive Kopplung zwischen den beiden Leitungspaaren vorsehen.
  • Gemäß dem europäischem Patent EP 1 556 576 B1 'Bohrgestänge mit innenbeschichteter elektrischer Bahn' werden miteinander durch Verschraubung verbindbare hohlzylinderförmige Bohrgestänge auf der inneren Umfangsfläche elektrisch isolierbeschichtet, um dann eine elektrisch leitfähige Beschichtung auf der zylinderförmigen Isolierfläche zu erfahren. Das Verfahren wird fortgesetzt mit einer weiteren Isolierschicht auf der leitfähigen Schicht und einer weiteren leitfähigen Schicht auf der zuletzt aufgetragenen Isolierschicht, so dass sich unter einem hohlzylinderförmigen Isolator bis zur Rohrinnenwand des Gestänges zwei elektrische hohlzylinderförmige Leiter befinden. Eine weitere Maßnahme wird an der Übergangsstelle zweier Gestängerohre derart getroffen, dass nach außen elektrisch isolierte und fluidgedichtete, im Innern mit elektrischen Leitern versehene Verbinder den isolierten elektrischen Pfad jedes solchen Gestänges mit dem isolierten elektrischen Pfad des entsprechenden benachbarten Gestänges elektrisch verbindet. Dies erfolgt auch über die elektrisch leitenden hohlzylinderförmigen Schichten hinweg mehrschichtig, so dass mindestens ein isolierter elektrischer Pfad durchgehend von einem oberen Ende des Bohrstrangs bis zu einem unteren Ende des Bohrstrangs entsteht. Die an den verschraubten Übergangsstellen der Gestänge auftretenden erheblichen Vibrationen und Kräfte, fordern bei den Verbindern eine unterbrechungsfreie elektrische, die kaum erreicht werden kann.
  • Die europäische Patentanmeldung EP 1 434 063 A2 'Verfahren und System zur Messsignalüberwachung für Bohrgestänge' offenbart ein Telemetriesystem und eine Telemetriemethode, um Informationen längs eines Bohrgestänges zu kommunizieren. Die Information eines Sensors in der Bohrkrone wird mit Hilfe eines Transmitters und einer Transmitterspule auf ein Trägersignal moduliert und von einer ersten Position über das Bohrgestänge mittel- bis hochfrequent zu einer zweiten Position übertragen, empfangen und mittels eines Receivers und einer Receiverspule demoduliert und im Prozessor weiterverarbeitet. Mit der Anordnung sollen technische Bohrinformationen unmittelbar erfasst werden, die die Güte der Bohrung beeinflussen und die Lebensdauer der Bohrkopfeinrichtung durch Kenntnis der aktuellen Temperatur der Motorlagerschalen und der aktuellen Drehzahlen der Motorantriebswelle verlängern.
  • Aufgabe vorliegenden Erfindung ist es, eine neuartige Einrichtung zur Übertragung von Informationen über einen Bohrstrang bereitzustellen, der die Nachteile des Stand des Technik überwindet und sichere Übertragung der Informationen innerhalb des Bohrstrangs gewährleistet.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Anspruchs 1, 9 und 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen formuliert.
  • Erfindungsgemäß wird ein Kommunikationssystem zur Übertragung von Informationen über Bohrgestänge eines Bohrstrangs für Erdbohrungen vorgeschlagen, umfassend ein erstes Bohrgestänge, ein oder mehrere zweite Bohrgestänge und einen Bohrantrieb, wobei das erste Bohrgestänge und das oder die zweite(n) Bohrgestänge jeweils aus einem hohlzylinderförmigen Gestängerohr mit zumindest einer sich in axialer Richtung erstreckenden Leitung und mit einem oberen Ende und einem unteren Ende gebildet ist/sind, das untere Ende des ersten Bohrgestänges eine Aufnahme für einen Bohrkopf aufweist, jedes der zweiten Bohrgestänge mit seinem unteren Ende mit dem oberen Ende des ersten Bohrgestänges oder eines anderen zweiten Bohrgestänges drehfest verbunden und mit seinem oberen Ende mit dem unteren Ende eines weiteren zweiten Bohrgestänges oder mit dem Bohrantrieb drehfest verbunden ist, wobei das Kommunikationssystem weiterhin umfasst:
    • eine Sensorik und/ oder Aktorik, von der oder zu der Mess-, Parametrier-, Status- und/ oder Steuerdaten zu übertragen sind und die am unteren Ende des ersten Bohrgestänges und/ oder am Bohrkopf angeordnet ist/ sind,
    • eine erste Kommunikationseinheit und eine antriebsseitige Elektronik, die beide am oder im Bohrantrieb angeordnet und miteinander verbunden sind,
    • einen Oberflächenrechner zur Überwachung der Erdbohrung, der mit der antriebsseitigen Elektronik in Kommunikationsverbindung steht und die Daten der Sensorik und/ oder Aktorik empfängt oder bereitstellt,
    • weitere Kommunikationseinheiten, von denen zumindest eine an dem oberen Ende des ersten Bohrgestänges und zumindest jeweils eine an den beiden Enden des oder der zweiten Bohrgestänge(s) angeordnet sind,
    • zumindest eine Elektronik mit einem Mikrocontroller jeweils in den Bohrgestängen, und
    • zumindest eine Energieversorgung für die Kommunikationseinheiten und die Elektronik jeweils in den Bohrgestängen,
    wobei die Sensorik und/ oder Aktorik und die Kommunikationseinheit des ersten Bohrgestänges über dessen elektrische Leitung miteinander verbunden sind und die Elektronik des ersten Bohrgestänges datentechnisch zwischen der Sensorik und/ oder Aktorik und der Kommunikationseinheit des ersten Bohrgestänges liegt, und die Kommunikationseinheiten eines jeden zweiten Bohrgestänges über dessen elektrische Leitung miteinander verbunden sind, wobei die Elektronik des jeweiligen zweiten Bohrgestänges datentechnisch zwischen den Kommunikationseinheiten liegt, und wobei die Kommunikationseinheiten Funkmodule sind, und jede der Kommunikationseinheiten dazu eingerichtet ist, die Daten an die unmittelbar benachbarte Kommunikationseinheit des nächsten Bohrgestänges oder des Bohrantriebs zu übertragen und/ oder von dieser Daten zu empfangen.
  • Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Datenübertragung entlang eines Bohrstrangs für Erdbohrungen derart vorzusehen, dass innerhalb der einzelnen Bohrgestänge des Bohrstrangs eine kabelgebundene Übertragung der Daten erfolgt, und die Übertragung an den Verbindungsstellen der Bohrgestänge drahtlos erfolgt. Für die kabelgebundene Übertragung wird eine Verdrahtung innerhalb der Bohrgestänge verwendet (WDP), wohingegen den jeweiligen Enden der Bohrgestänge zueinander gerichtete Funkübertragungsmodule angeordnet sind, die lediglich den Verbindungsabstand zwischen einander überbrücken. Hierdurch wird eine zuverlässige, störungsfreie und wirkungsvolle Datenübertragung entlang des Bohrstrangs erreicht, mittels welcher Bohrlochdaten in Echtzeit (real-time) und während des Bohrbetriebs (on-line) erfasst und an den Oberflächenrechner übertragen werden können, ohne dass die Bodenformation oder andere Umgebungsbedingungen am Bohrloch Einfluss auf die Güte der Datenübertragung haben.
  • Das erfindungsgemäße Kommunikationssystem ist vielseitig einsetzbar und bietet eine on-line und real-time Messwert-Übertragungsstrecke für Bohrstrangdaten, Bohrkopfdaten und/ oder Bohrkronendaten, wobei sich die Sensoren zur Erfassung der Messdaten möglichst dicht in unmittelbarer Nähe des Bohrkopfs und/oder der Bohrkrone, vorzugsweise sogar an dem Bohrkopf und/ oder der Bohrkrone befinden. Nachfolgend wird unter dem Begriff Bohrkrone jener Teil des bohrlochbodenseitigen Endes eines Bohrstranges verstanden, der die sich in den Erdboden grabenden Schneidelemente besitzt, während Bohrkopf die Gesamtanordnung am unteren Ende des ersten Bohrgestänges, umfassend Bohrkopf, Bohrschnecke oder Bohrmeißel und entsprechende Verbindungsmittel zum Bohrgestänge bezeichnet.
  • In anderen Anwendungsfällen, z.B. bei großen Längen des Bohrstrangs, können Sensoren und/ oder Aktuatoren zusätzlich zur Anordnung am Bohrkopf auch in oder an wenigstens einem weiteren Bohrgestänge angebracht bzw. eingebaut sein, um von verschiedenen Positionen entlang des Bohrstrangs Informationen, d.h. Sensormess- und/ oder Statusdaten zu erhalten oder Parametrier- und/ oder Steuerdaten an Sensoren oder Aktuatoren zu übertragen, die sich an verschiedenen Orten des Bohrstrangs befinden. Als wichtige Sensoren, sind hier Druck- oder Temperatursensoren zu nennen. Aktoren können Ventile, Motoren oder Pumpen sein.
  • Das Kommunikationssystem ist einfach und wartungsfrei, und die Installation und Inbetriebnahme von technisch geschultem Personal vor Ort möglich. Es lässt sich vielseitig einsetzen, insbesondere auch auf Gebieten der Bohrtechnik für den Spezialtiefbau, wie das Spülbohren, das Pfahlbohren und die "In-situ Soil-Mixing" Technologie mit den drei Anwendungen "Deep Soil Mixing (DSM)", "Shallow Soil Mixing (SSM)" und "Backhoe Stabilization" (BOSS).
  • Die In-Situ Soil Mixing Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass das Ziel Bodenverdichtungen und Bodenfestigungen sind, in dem das Erdreich durch Bohren oder Fräsen aufgelockert wird, während des Bohrer- oder Fräsertiefgangs bereits eine anwendungsspezifische Suspension eingebracht, beim Hochgang zusätzlich zu der Suspension Zement beigegeben und mit dem Boden/Erdreich vermischt und gegebenenfalls anschließend noch mit Eisenpfählen verfestigt wird. Der sonst übliche Stützbau und Bodenaushub entfällt. Es werden so Tiefen bis 55 m bearbeitet, wobei der korrekten Parallelität und Lotrechte der Bohrungen größte Bedeutung zukommt, um eine homogene Bodenverfestigung zu erhalten.
  • Das gleiche gilt bei der Deichabdichtung und Deichverfestigung, da bei Nicht-Parallelität und fehlender Lotrechte bei der Einbringung nicht fundamentierte Lücken entstehen, die durch das Wasser freigespült oder ausgespült werden können, wodurch der Deich aus- oder unterhöhlt wird. Im Gegensatz zu den oben vorgestellten geophysikalischen Bohrungen oder den Spül- und Pfahlbohrungen fallen im Rahmen der "In-situ Soil Mixing" Technologie keine Bohrlöcher, insbesondere nicht für die Lotrechte-Messung an. Dennoch ist die Messung der Lotrechte während des laufenden Vortriebs on-line und real-time zwingend erforderlich.
  • Für das Bodenmischen wird ein Doppelbohrantrieb oder Doppelfräsantrieb eingesetzt mit zwei gegenläufig rotierenden Werkzeugen, die für eine höchstmögliche Durchmischung des Bodens/Erdreichs sorgen. Ein innenliegendes Hochdruckgestänge mit durchgehendem Querschnitt vom Spülkopf bis zum Mischwerkzeug sorgt für einen anwendungsorientierten wartungsarmen Einsatz bei Arbeitsdrücken bis 10 MPa/100 bar. Ein mechanisch verstellbarer Führungsschlitten ermöglicht die Veränderung des Achsabstands der Antriebsmotoren von 500 mm ... 1100 mm, wodurch die Herstellung von aufgelösten, tangierenden oder überschnittenen Mischpfählen möglich wird. Drehzahl und Drehmoment werden über ein in der Motorhydraulik verbautes elektrisch schaltbares Zwei-Geschwindigkeitsventil gesteuert.
  • Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die einzelnen Bohrgestänge in axialer Richtung ein- oder mehrpaarig zu verdrahten (WDP), so dass zwischen den beiden Enden eines Gestängerohrs zumindest eine elektrische Leitung liegt, die zur Datenübertragung von einem zum anderen Ende verwendet werden kann. Die elektrische Leitung kann in einem vergleichsweise dünnen Rohr einliegen, das sich zumindest abschnittsweise am hohlen Gestängerohr in der Art eines Kabelkanals, vorzugsweise innenseitig, achsparallel zu diesem erstreckt. Durch die Verwendung einer elektrischen Leitung für die Datenübertragung von einem Bohrgestängeende zum anderen Bohrgestängeende ist die Qualität der Datenübertragung unabhängig von der Länge des Bohrgestänges.
  • Die Energieversorgung ist bevorzugt aus Batterien gebildet, so dass sie autark ist und keine externe Einspeisung eines Stroms für die Kommunikationseinheiten notwendig ist. Des weiteren ist es von Vorteil, die Energieversorgung schaltbar auszuführen, so dass in den Fällen, in denen keine Datenübertragung über ein Bohrgestänge notwendig ist, beispielsweise während seiner Lagerung an einem Vorratsplatz oder bei einer längeren Aussetzung der Bohrung, eine Abschaltung der Stromzuführung für die Elektronik und die Kommunikationseinheiten erreicht wird. Hierdurch wird Batteriekapazität eingespart und die Nutzungsdauer der Energieversorgung verlängert.
  • Vorzugsweise kann die Energieversorgung und/ oder die Elektronik in etwa der axialen Rohrmitte eines Gestängerohres angeordnet sein. Dies bewirkt, dass in beide Richtungen dieselbe Kabellänge vorhanden ist, so dass Dämpfungseffekte oder andere parasitäre Effekte bei der Datenübertragung und Spannungsversorgung in beide Übertragungsrichtungen symmetrisch sind.
  • An den Enden der Bohrgestänge ist jeweils mindestens eine von der Energieversorgung gespeiste, funkgesteuerte Kommunikationseinheit vorgesehen, die entweder als Sender (Transmitter) oder als Empfänger (Receiver) oder als kombinierte Sende-/Empfängereinheit (Transceiver) ausgeführt sind. Derartige Sender, Empfänger und kombinierte Sende-/Empfängereinheit sind handelsüblich und werden nachfolgend nicht weiter dargestellt. Ist nur eine unidirektionale Datenübertragung erforderlich, genügt die Verwendung von Sendern und Empfängern als Datenmodule, wobei an einem Ende eine Bohrgestänges ein Sender und an dem anderen Ende ein korrespondierender Empfänger angeordnet ist und die Bohrgestänge derart aneinander montiert werden, dass an der Verbindungsstelle ein Sender des einen Bohrgestänges einem Empfänger des anderen Bohrgestänges gegenüberliegt. Eine bidirektionale Kommunikation wird erreicht, wenn an jedem Ende eines Bohrgestänges ein Sender und ein Empfänger angeordnet werden. Dies kann in getrennten Kommunikationseinheiten erfolgen oder alternativ in der genannten kombinierten Sende-/Empfangseinheit (Transceiver).
  • Die Kommunikationseinheiten sind folglich erfindungsgemäß so angeordnet, dass sich in unidirektionaler Senderichtung vom Bohrlochboden zur Oberfläche, z.B. im Falle der Messdatenübertragung, am oberen Ende des n-ten Gestänges, ein Sender und am unteren Ende des anschließenden (n+1)-ten Gestänges, ein Empfänger befindet. Für den umgekehrten unidirektionalen Betrieb von der Oberfläche zum Bohrlochboden kann vorgesehen sein, dass am unteren Ende des (n+1)-ten Gestänges ein Sender und am oberen Ende des anschließenden n-ten Gestänges ein Empfänger angeordnet ist. Die Funkausstattung der Gestänge bei bidirektionalem Funkverkehr kann dann vereinfachend mit kombinierten Sender-/Empfängereinheiten (Transceivern) erfolgen. Dies hat den Vorteil, dass keine Typunterscheidung der Bohrgestänge und keine Richtungsorientierung derselben notwendig ist.
  • Die Elektronik innerhalb eines Bohrgestänges steuert die Datenübertragung von einer Kommunikationseinheit zu der anderen Kommunikationseinheit respektive zu oder von der Sensorik/ Aktorik. Sie kann als Verstärker und Signalkonditionierer für die zu übertragenden Daten dienen. Die Elektronik enthält hierzu einen Mikrocontroller.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsvariante weist jedes Gestänge einen Neigungssensor auf zur Erfassung des Lagezustands des jeweiligen Bohrgestänges auf. So kann mittels des Neigungssensors festgestellt werden, ob sich das entsprechende Bohrgestänge in einer horizontalen Lage, beispielsweise am Lagerplatz lagernd, oder in einer vertikalen Lage, z.B. im Falle seiner Verwendung, befindet. Als Neigungssensor kann beispielsweise ein einfacher Quecksilberschalter, alternativ ein Gyrosensor oder ein oder mehrere Beschleunigungssensoren verwendet werden. Der Neigungssensor kann ebenfalls in etwa der axialen Mitte eines Bohrgestänges angeordnet werden.
  • Der Neigungssensor kann als Schalter für die Energiezufuhr eingesetzt werden. Vorzugsweise ist er hierzu mit der Energieversorgung verbunden und dazu eingerichtet, die Energieversorgung für die Elektronik und für das oder die Kommunikationseinheiten bei einem Übergang des Bohrgestänges von einem horizontalen Lagezustand zu einem vertikalen Lagezustand einzuschalten und bei einem Übergang des Bohrgestänges von einem vertikalen Lagezustand zu einem horizontalen Lagezustand auszuschalten. Dies bedeutet, dass bei etwa horizontaler Lage der Gestänge, wie z.B. auf einem Lagerplatz oder beim Transport, die Energieversorgung ausgeschaltet ist bzw. wird, und bei etwa senkrechter Betriebsweise oder bei Verlassen der horizontalen Lage den Ruhestatus der Energieversorgung für den Mikrokontroller und die Funkmodule einschaltet.
  • Für Horizontalbohrungen oder Schrägbohrungen können geeignete Kompensationsmaßnahmen, wie z.B. Magnetschalter in jedem Bohrgestänge vorgesehen werden, um die Energieversorgung trotz im wesentlichen horizontalem Lagezustand des entsprechenden Bohrgestänges einzuschalten und die Elektronik zu aktivieren, oder um die Logik der Neigungsschalter zu ändern.
  • Vorzugsweise kann die Energieversorgung wiederaufladbar sein. Hierzu können die Batterien durch aufladbare Akkus gebildet sein. Im Falle einer fest installierten Energieversorgung kann das Laden grundsätzlich im im Bohrgestänge montierten Zustand erfolgen, wobei das Bohrgestänge mitsamt seiner montierten Energieversorgung über Ladekabel an eine Ladestation angeschlossen wird. Unter Berücksichtigung der Abmessungen und des Gewichts eines Bohrgestänges und des Einsatzes an einer Baustelle ist es jedoch von Vorteil, die Energieversorgung entnehmbar am oder im Gestängerohr vorzusehen, insbesondere steckbar auszuführen. Auf diese Weise kann sie von dem Gestängerohr einfach und schnell entnommen werden, um sie auf- oder nachzuladen. Auch ein Entladen zwecks Regeneration ist möglich. Nach dem Ladeprozess kann die Energieversorgung dann wieder an die entsprechende Aufnahme am Gestängerohr angesteckt werden. Hierzu weist die Aufnahme elektrische Steckkontakte auf, über die die Energieversorgung mit der Elektronik und/ oder mit den Kommunikationseinheiten verbindbar ist bzw. verbunden wird.
  • Der Ladevorgang kann an einem örtlich stationären Ladeplatz oder mit einem mobilen Ladegerät erfolgen, welches auf Basis eines im Stand der Technik bekannten Verfahrens der drahtlosen Energieübertragung arbeitet, wie z.B. 'Drahtlose Energieübertragung mittels eng gekoppelter magnetischer Resonanzen' oder 'Rückkanalige Nachrichtenübermittlung mittels Empfangsantennen-Impedanzmodulation'.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsvariante kann zusätzlich oder alternativ zur Ladung der Energieversorgung an einer Ladestation das Gestängerohr Mittel zur automatischen Wiederaufladung der Energieversorgung während des Betriebs des Bohrgestänges aufweisen. Eine Entnahme der Energieversorgung zwecks Aufladung kann dadurch weitegehend vermieden werden. Ein derartiges Mittel kann beispielsweise eine Turbine sein, die einen elektrischen Generator antreibt und von dem in das Innere des Bohrgestänges druckbeaufschlagt eingebrachte Medium, z.B. Spülwasser, eine Suspension oder Zement, oder von dem Spülschlamm angetrieben wird, der außen zwischen Bohrgestänge und Bohrlochwand an die Erdoberfläche strömt. Ein alternatives Mittel ist ein Seebeck-Element, das eine Spannung aus einem Temperaturunterschied zwischen dem in das Bohrgestänge eingeführte Medium und dem Spülschlamm erzeugt, die zur Aufladung der Energieversorgung verwendet werden kann.
  • Bevorzugt weist die Energieversorgung zumindest ein optisches und/ oder akustisches Mittel zur Anzeige des Ladezustands, der Restkapazität und/ oder noch zur Verfügung stehenden Versorgungsdauer auf. Eine derartige Ladezustandsanzeige dient der Ladekontrolle. Dabei kann sowohl der Ist-Ladezustand zur Anzeige gebracht werden, wie auch eine Vorhersage über den Kapazitätszustand der wiederaufladbaren speichernden Energieversorgung.
  • Das Gestängerohr eines jeden Bohrgestänges kann mindestens eine Ausnehmung zur geschützten Aufnahme der Energieversorgung, der Elektronik und/ oder einer der Kommunikationseinheiten aufweisen. In dieser Ausnehmung ist die aufgenommene Energieversorgung, Elektronik und/ oder Kommunikationseinheiten von den das Bohrgestänge umgebenden Medien isoliert. Die Ausnehmung kann außenseitig an dem Gestängerohr vorgesehen sein, wobei sie in diesem Fall durch eine stählerne Tasche gebildet ist. Alternativ kann sich die Ausnehmung in das Innere des Gestängerohrs erstrecken, so dass an seiner Mantelfläche keine hervorstehenden Teile vorhanden sind. Die genaue Anordnung der Ausnehmung über die Gestängelänge kann den Zugänglichkeiten angepasst sein.
  • In der Ausnehmung liegen dann Steckkontakte zur elektrischen Steckkontaktierung der Energieversorgung, der Elektronik und/ oder einer der Kommunikationseinheiten. Auch können über die Steckkontakte Sensoren und/ oder Aktoren mit der Energieversorgung und/ oder der Elektronik verbunden sein bzw. werden.
  • Sofern eine Kommunikationseinheit in einer Ausnehmung des Gestängerohrs eingesetzt ist, wird sie durch das Gestängerohr, respektive durch die die Ausnehmung begrenzende Wandung geschützt. Alternativ kann eine Kommunikationseinheit eines Bohrgestänges jedoch auch ein robustes, insbesondere metallisches Gehäuse aufweisen, mit dem sie außen am Gestängerohr montiert ist. Die Kommunikationseinheit ist dadurch leichter Zugänglich.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist das Gehäuse einer Kommunikationseinheit eine durch ein nichtmetallisches Material, beispielsweise Kunststoff oder Keramik, verschlossene Öffnung auf, die in Richtung des äußeren Randes des Endes gerichtet ist, an dem die entsprechende Kommunikationseinheit angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass die Kommunikationseinheit zum einen vor den Materialien im Bohrloch geschützt ist, zum anderen ein weitestgehend ungehinderter Empfang und/ oder weitestgehend ungehinderte Abstrahlung von Funksignalen durch die Öffnung hindurch möglich ist. Dabei liegt unmittelbar an oder sogar in der Öffnung eine Antenne des Funkmoduls zur Abstrahlung und/ oder zum Empfang von Funksignalen. Ein vollständig metallisches Gehäuse würde dagegen den Empfang und die Aussendung von Funksignalen verhindern.
  • Sofern eine Kommunikationseinheit in einer Ausnehmung des Gestängerohr eines Bohrgestänges einliegt, kann auch diese eine durch ein nichtmetallisches Material, beispielsweise Kunststoff oder Keramik, verschlossene Öffnung aufweisen, die in Richtung des äußeren Randes des Endes gerichtet ist, an dem die entsprechende Kommunikationseinheit angeordnet ist.
  • Vorzugsweise bilden die Energieversorgung und die Elektronik baulich eine Einheit. Die Elektronik kann dadurch kompakt ausgeführt werden und muss nicht separat mit der Energieversorgung verkabelt werden. Die Handhabung der Bohrgestänge erleichtert sich dadurch und der Aufwand für die Vorbereitung der Bohrgestänge reduziert sich.
  • Des Weiteren kann ein Bohrgestänge für jede Kommunikationseinheit eine Elektronik aufweisen, wobei Kommunikationseinheit und Elektronik jeweils baulich eine Einheit bilden können. In gleicher Weise kann ein Bohrgestänge für jede Kommunikationseinheit eine Energieversorgung aufweisen, wobei Kommunikationseinheit und Energieversorgung baulich eine Einheit bilden.
  • Auch dies vereinfacht die Handhabung, reduziert die Komponentenanzahl und erleichtert dadurch die Bestückung der Bohrgestänge. In einer besonders bevorzugten Ausführung können eine Kommunikationseinheit, eine Elektronik und eine Energieversorgung gemeinsam eine bauliche Einheit bilden, so dass abgesehen von dem den Bohrkopf aufnehmenden Bohrgestänge bei jedem Bohrgestänge nur zwei Komponenten anzuordnen und über die elektrische Leitung zu verbinden sind.
  • Das erste Bohrgestänge bildet ein erstes Ende des Bohrstrangs und weist in der Nähe des Bohrkopfs die Sensorik für die zu messenden und zur Oberfläche zu übertragender Messwerte und Parameter auf. Es ist aus einem hohlzylinderförmigen Gestängerohr gebildet, das ein oberes Ende und ein unteres Ende aufweist, mit zumindest einer zwischen dem oberen und dem unteren Ende liegenden elektrischen Leitung, die zu den beiden Enden geführt ist, wobei das untere Ende eine Aufnahme für einen Bohrkopf aufweist und das oberen Ende mit dem unteren Ende eines anderen Bohrgestänges oder mit einem Bohrantrieb drehfest verbindbar ist, wobei eine Sensorik und/ oder Aktorik, von der oder zu der Daten übertragbar sind, am unteren Ende angeordnet ist/ sind, eine Kommunikationseinheit am oberen Ende angeordnet ist, zumindest eine Elektronik mit einem Mikrocontroller, und zumindest eine Energieversorgung für die Kommunikationseinheiten und die Elektronik vorhanden sind, wobei die Kommunikationseinheit und die Sensorik und/ oder Aktorik über die elektrische Leitung miteinander verbunden sind und die Elektronik datentechnisch zwischen der Sensorik und/ oder Aktorik und der Kommunikationseinheit liegt, und die Kommunikationseinheit ein Funkmodul ist, wobei die Kommunikationseinheit dazu eingerichtet ist, Daten an eine unmittelbar benachbarte Kommunikationseinrichtung des nächsten Bohrstrangs oder des Bohrantriebs zu übertragen und/ oder von dieser Daten zu empfangen. Die Sensorik ist folglich über die ein- oder mehrpaarige elektrische Leitung mit der Elektronik des ersten Bohrgestänges verbunden und übertragt die Messwerte als elektrische Signale analog oder digital über diese Leitung.
  • An dem dem unteren Ende gegenüberliegenden oberen Ende des ersten Bohrgestänges befindet sich eine als Funkmodul ausgeführte Kommunikationseinheit, die einen Sender (Transmitter) oder eine kombinierte Sender-/Empfängereinheit (Transceiver) bildet. Auch das erste Bohrgestänge kann in seiner axialen Mitte eine wiederaufladbare speichernde Energieversorgung und einen Neigungssensor als Energieschalter für die Elektronik und das Funkmodul besitzen. Das erste Bohrgestänge unterscheidet sich gegenüber dem oder den zweiten Bohrgestängen in der Sensorik und/oder Aktorik, die in Bohrkopfnähe anstelle einer Kommunikationseinheit angeordnet ist.
  • Das zweite bzw. jedes zweite Bohrgestänge bildet ein Zwischenbohrgestänge, das zwischen das erste, den Bohrkopf umfassenden Bohrgestänge und dem Bohrantrieb montiert wird. Hierzu wird es an dem dem ersten Ende des Bohrstrangs gegenüberliegenden Ende oberflächenseitig positioniert und an dem ersten Bohrgestänge und dem Antrieb montiert. Es bildet ein Bohrgestänge für einen Bohrstrang für Erdbohrungen zum Aufbau des erfindungsgemäßen Kommunikationssystems, mit einem hohlzylinderförmigen Gestängerohr, das ein oberes Ende und ein unteres Ende aufweist, und mit zumindest einer zwischen dem oberen und dem unteren Ende liegenden elektrischen Leitung, die zu den beiden Enden geführt ist, wobei das untere Ende mit dem oberen Ende eines anderen Bohrgestänges drehfest verbindbar und das oberen Ende mit dem unteren Ende eines anderen Bohrgestänges oder mit einem Bohrantrieb drehfest verbindbar ist, wobei an beiden Enden zumindest eine Kommunikationseinheit angeordnet, zumindest eine Elektronik mit einem Mikrocontroller, und zumindest eine Energieversorgung für die Kommunikationseinheiten und die Elektronik vorhanden sind, wobei die Kommunikationseinheiten über die elektrische Leitung miteinander verbunden sind und die Elektronik datentechnisch zwischen den Kommunikationseinheiten liegt, und die Kommunikationseinheiten Funkmodule sind, wobei jede der Kommunikationseinheiten dazu eingerichtet ist, Daten an eine unmittelbar benachbarte Kommunikationseinrichtung des nächsten Bohrstrangs oder des Bohrantriebs zu übertragen und/ oder von dieser Daten zu empfangen.
  • Gemäß einer Ausführungsvariante weist das bzw. ein zweites Bohrgestänge an seinem relativ bezogen auf seine vertikale Anordnung unteren Ende einen Empfänger (Receiver) oder eine kombinierte Sender-/Empfängereinheit (Transceiver) auf, eine ebenfalls ein- oder mehrpaarige elektrische Leitung über das Gestänge, und beispielhaft in der axialen Mitte eine wiederaufladbare speichernde Energieversorgung und einen Neigungssensor als Schalter für die Elektronik und die Funkmodule auf. An dem bezogen auf seine vertikale Anordnung oberen Ende, weist das zweite Bohrgestänge mindestens ein Funksender (Transmitter) oder eine kombinierte Sender-/ Empfängereinheit (Transceiver) für die bidirektionale Datenübertragung auf, wobei der Transmitter bzw. Transceiver über eine Funkstrecke mit der Kommunikationseinheit des Bohrantriebs, der mit dieser verbundenen Elektronik sowie dem mit der Elektronik verbundenen Oberflächenrechner der Bohrstelle in Datenverbindung steht und erstrangig die Sensordaten aus der Bohrkopfumgebung unidirektional überträgt.
  • Sollen auch Aktoren längs des Bohrstrangs innerhalb des Bohrlochs aktiviert werden, ist das erfindungsgemäße Kommunikationssystem bidirektional auszulegen, so dass Steuerdaten an die Aktoren übertragen werden können. Dadurch lassen sich auch Sensoren dynamisch parametrieren, wobei Parameterdaten an die Sensoren übertragen werden können.
  • Der Bohrstrang bzw. das aus verdrahteten Bohrgestängen und Funkstrecken an den Gestängeverbindungen bestehende Kommunikationssystem umfasst gemäß der vorherigen Erläuterung nur zwei verschiedene Bohrgestängegrundtypen, nämlich das erste Bohrgestänge, das ein Bohrkopfgestänge bildet, und das zweite bzw. die zweiten Bohrgestänge, die Zwischenbohrgestänge bilden. Das erste Bohrgestänge ist durch seine Aufnahme des Bohrkopfes, eine Sensorik und/ oder Aktorik in der Nähe des Bohrkopfes und einem Funkmodul an nur einem Ende gekennzeichnet, wohingegen das zweite bzw. jedes zweite Bohrgestänge an beiden Enden jeweils mindestens ein Funkmodul besitzt.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Kommunikationssystems werden Sensoren und/ oder Aktuatoren auch in anderen Gestängen des Bohrstrangs eingesetzt. Diese Gestänge liefern zusätzliche Informationen dieser Sensoren oder nehmen Informationen für ihre Aktuatoren zusätzlich auf. Mit den Zusatzinformationen können mehr bzw. robustere Informationen des Gesamtbohrstrangs ermittel bzw. bestimmt werden.
  • Wie zuvor beschrieben, besteht ein Grundgedanke des erfindungsgemäßen Kommunikationssystems darin, dass die Funkverbindung zwischen den Bohrgestängen ausnahmslos nur über die vergleichsweise kurze Strecke, d.h. über die Länge einer Gestängeverbindung von einem n-ten Gestänge zu einem (n+1)-ten Gestänge erfolgt. Die Funkverbindung besteht folglich nicht über die gesamte Länge eines oder gar mehrere Bohrgestänge. Dies bedeutet, dass die Bohrlochumgebung, insbesondere die Beschaffenheit der Bodenformation oder der Einsatz von Bohrschlamm oder Suspension oder Zement für die Bodenverfestigung, die bei den oben vorgestellten Bohrverfahren die Güte der Nachrichtenübertragung entscheidend beeinflussen kann/ können, bei dem erfindungsgemäßen Kommunikationssystem mit drahtloser Datenübertragung ohne bedeutenden Einfluss ist.
  • Die Funkmodule können auf konstante Feldgrößen und Feldparameter eingestellt werden. Hinsichtlich dieser Einstellung es keine Unterschiedsmerkmale bezogen auf die Gestängetypen.
  • Auf Grund der mechanischen Gegebenheiten an den Bohrgestängeenden, insbesondere hinsichtlich der dort vorhanden Verbindungsmittel wie Schraubverschlüsse, sind die Kommunikationseinheiten bevorzugt jeweils in einem Abstand von 15 cm bis 20 cm vom äußeren Rand eines Gestängeendes zu montieren, woraus sich ergibt, dass eine Funkstrecke von lediglich 30 cm bis 40 cm vorliegt. Die Kommunikationseinheiten können daher für eine Nahfeldkommunikation derart eingerichtet sein, dass ihre Senderreichweiten weniger als 1m, insbesondere nur zwischen 30 und 50cm betragen. Diese vorteilhafte Ausführung führt zu berechenbaren Übertragungsleistungen zwischen den Funkmodulen, was auch eine Berechenbarkeit der Energiebilanz der wiederaufladbaren speichernden Energieversorgungen zulässt.
  • Der Einsatz eines aus solchen Bohrgestängen gebildeten Bohrstrangs kann unabhängig von den Umweltbedingungen geplant werden. Bei der Arbeitsweise mit solchen Gestängen sind über die Anwendung der Nachrichtenübertragungs-/Funktechnik vom Bohrstellenpersonal keine speziellen Kenntnisse erforderlich und keine besonderen Restriktionen zu beachten.
  • Erfindungsgemäß ist jedem Bohrgestänge eine eindeutige Kennung zugeordnet, über die es identifizierbar ist. Dies ermöglicht zum einen eine Vereinfachung der Logistik bei der Verwaltung der Bohrgestänge. Zum anderen bietet die Kennung die Möglichkeit, jeden datentechnisch vernetzten oder zu vernetzenden Bohrstrang in einem Netzwerk eindeutig zu identifizieren und zu adressieren. Erfindungsgemäß kann daher jedes Bohrgestänge einen Knoten in einem ad-hoc Netzwerk bildet, das am Bohrloch aus den einzelnen Bohrgestängen aufgebaut wird. Datentechnisch bilden in diesem Fall die Elektronik mitsamt der an ihr angeschlossenen Kommunikationseinheit oder -einheiten einen Netzwerkknoten.
  • Ein ad-hoc Netzwerk ist eine einfache Wireless Local Area Network (WLAN)-Vernetzungsvariante, welche eine direkte Peer-to-Peer Kommunikation ohne Access Point (Basisstation) als Informationsvermittler ermöglicht, und sich gut für kleine und/ oder zeitlich begrenzte Netzwerke eignet. Die Kommunikationseinheiten des Kommunikationssystems können daher dazu eingerichtet sein, die Daten über WLAN zu übertragen. Im ad-hoc Betriebszustand kommunizieren die Funknetzwerkknoten ohne zentralen WLAN-Zugangspunkt direkt miteinander, um auf einfache Weise Daten oder Ordner auszutauschen. Ad-hoc Netzwerke arbeiten auf der Grundlage des Beaconing-Mechanismus (Funkfeuer-Mechanismus), bei dem jeder Netzwerkknoten (Node) in regelmäßigen Abständen ein Beacon (Funksignal) sendet. Damit kennt jeder Knoten seine Nachbarn, die er direkt erreichen kann. Alle Knoten nutzen beim Senden dieselbe Frequenz. Die gesamte Netzstruktur entsteht dynamisch durch Selbstorganisation und Selbstverwaltung, das Netzwerkmanagement ist auf die Knoten verteilt. Es gibt keine Zentralverwaltung, die die Netzstruktur und das Routing, d.h. die Leitwegzuteilung festlegt. In jedem Netzwerkknoten sind die Tabellen für die Leitwegzuteilung gespeichert. Jeder Knoten besitzt einen Routeranteil (Leitweg-Anteil).
  • Aufgrund der Mobilität der Knoten ist die Netzstruktur zeitvariant. Der Eintritt in ein ad-hoc Netzwerk erfolgt durch Interaktion mit anderen Teilnehmern. Die Funkknoten arbeiten im ad-hoc Zustand und sind nach dem internationalen Standard IEEE 802.11 ad-hoc konfiguriert. Damit alle Knoten miteinander kommunizieren können, muss die Kanalnummer und der einzustellende Service Set Identifier (SSID) (Identifikation) jedes Knotens identisch sein. Daten, Informationen oder Signale werden von Netzknoten zu Netzknoten weitergereicht, bis sie ihren Empfänger erreicht haben, wodurch sich die Datenlast vorteilhafter verteilt, als in Netzen mit zentraler Anlaufstelle. Mit Verfahren für die Leitwegzuteilung passt sich das Ad-hoc-Netzwerk ständig an, wenn sich Netzwerkknoten bewegen, hinzukommen oder ausfallen. Bei Ausfall eines Netzknotens versucht das Netzwerk den Zielknoten unter Umgehung des ausgefallenen Knotens zu erreichen.
  • Die Kennung kann beispielsweise in der Elektronik und/ oder in einer oder mehreren der Kommunikationseinheiten gespeichert und von der antriebsseitigen Kommunikationseinheit abgefragt werden, sobald ein Bohrgestänge an den Bohrantrieb montiert wird und die Kommunikationseinheit des Bohrantriebs mit der am oberen Ende des Bohrgestänges angeordneten Kommunikationseinheit in Funkverbindung tritt. Dies setzt voraus, dass zumindest die Funkverbindung, vorzugsweise auch die Elektronik des Bohrgestänges bereits von der Energieversorgung zumindest mit einem Ruhestrom gespeist wird, d.h. die Energieversorgung angeschaltet ist. Dies kann über den zuvor genannten Neigungssensor automatisch erfolgen.
  • Die Auslösung der Kennungsabfrage kann automatisch erfolgen, beispielsweise über einen mechanischen Schalter am Bohrantrieb, der bei der Montage des Bohrgestänges betätigt wird. Alternativ kann der Bohrantrieb einen Näherungssensor aufweisen, der auslöst und die Kennungsabfrage initiiert, sobald ein Bohrgestänge in seinen Erfassungsbereich gelangt. In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt jedes Bohrgestänge einen RFID-Transponder, insbesondere einen passiven RFID-Transponder, in dem die zuvor genannte oder eine andere eindeutige Kennung gespeichert ist. Der Bohrantrieb kann dann einen Näherungssensor mit einer RFID-Leseeinheit aufweisen, der mit der antriebsseitigen Elektronik verbunden und dazu eingerichtet ist, bei Annäherung eines Bohrgestänges dessen RFID-Transponder zur Aussendung der Kennung zu aktivieren.
  • Die von der RFID-Leseeinheit oder von dem antriebsseitigen Funkmodul erhaltene Kennung kann dann der Elektronik des Bohrkopfes und von dieser dem Oberflächenrechner zugeleitet werden, der die Kennung (ID) des 'neuen' Gestänges in das ad-hoc Netzwerk einpflegt.
  • Wird einem bestehendem Bohrstrang ein weiteres Bohrgestänge der oben beschrieben Art von einem Lagerplatz hinzugefügt, wird durch die Lageänderung des Bohrgestänges von horizontaler in vertikaler Lage der Neigungssensor die Energieversorgung einschalten und die Elektronik und die Kommunikationseinheiten, die sich zuvor in einem Ruhezustand (Sleep-Modus) befunden haben, aktivieren.
  • Alternativ kann der der RFID-Transponder ein aktiver RFID-Transponder sein, der mit der Energieversorgung verbunden und dazu eingerichtet ist, die Energieversorgung einzuschalten und/ oder die Elektronik und Kommunikationseinheiten zu aktivieren, wenn er ein Aktivierungssignal empfängt von der RFID-Leseeinheit erhält. Das entsprechende Rohrgestänge geht dann von dem Ruhezustand in einen aktivierten Zustand über.
  • Bezogen auf das jeweilige Bohrgestänge wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, drei Betriebszustände zu unterscheiden:
    • einen ersten Betriebszustand (Modus REST), in dem die Bohrgestänge als Stapelware auf einem Lagerplatz in horizontaler Lage lagern,
    • einen zweiten Betriebszustand (Modus READY), in den die Gestänge übergehen, wenn sie von dem Stapel entnommen, transportiert und vertikal aufgerichtet werden, und
    • einen dritten Betriebszustand (Modus SET), in den die Bohrgestänge übergehen, wenn sie zwischen dem bestehendem Bohrstrang und der Mitnehmerstange des Bohrantriebs montiert werden.
  • Im Modus REST werden gewartete und vorbereitete, mit jeweils zumindest einer Energieversorgung bestückte Bohrgestänge als Stapelware auf einem Lagerplatz in Baustellennähe horizontal auf Abruf gelagert. Die verdrahteten Gestänge (WDP) sind mit Funkmodulen bestückt, die Elektronik ist ebenfalls im Gestänge untergebracht, befindet sich jedoch im ausgeschalteten Zustand, d.h. im sogenannten 'Null'-Strom-Status (Zero Current Mode).
  • Zum Übergang in den Modus READY wird ein vorbereitetes Gestänge dem Stapel entnommen, zum nahen Bohrplatz transportiert und aufgerichtet. Der Neigungsschalter, der auch im REST Modus mit Ruhestrom versorgt wird, schaltet die Energieversorgung für die Elektronik ein, wenn das Gestänge von der horizontalen in die vertikale Lage versetzt wird. Sowohl die horizontale wie auch die vertikale Lage können mit einem Toleranzfeld in der Elektronik so definiert sein, dass auch das Schrägbohren im Rahmen der Schalthandlung des Neigungssensors möglich ist. Das Schalten bewirkt ein Freischalten der Elektronik im Sinne des Aktivierens einer Logik und des Fließens eines minimalen Ruhestroms in die Elektronik. Die Gestängeelektronik befindet sich elektrisch in einem Ruhestatus, der auch als Sleep-Modus bezeichnet werden kann, in dem sie sich in einer Wartestellung befindet.
  • Im Modus SET wird das vorbereitete, sich im Ruhestatus befindliche 'neue' Gestänge auf das inzwischen von dem Bohrantrieb befreite oberste Gestänge des Bohrstrangs transportiert und mit seinem unteren Ende aufgesetzt und mit diesem mechanisch fest verschraubt. Danach wird die Mitnehmerstange des Bohrantriebs der Bohreinrichtung auf das obere Ende des 'neuen' Gestänges gesetzt und ebenfalls mit diesem mechanisch fest verschraubt. Dabei wird der im Kopf der Mitnehmerstange angeordnete Näherungssensor aktiviert, der seinen RFID-Leser veranlasst, die Kennung (ID) des ihm gegenüberliegenden RFID-Transponders am oberen Ende des 'neuen' Gestänges abzufragen. Mittels dieser Prozedur und nach Kenntnis der das neue Gestänge kennzeichnenden Kennung und Stammdaten, werden diese von der antriebsseitigen Elektronik an den Oberflächenrechner übermittelt. Dies kann über eine Funkverbindung erfolgen. Der Oberflächenrechner nimmt seinerseits eine Synchronisation aller Daten derart vor, dass das neue Gestänge einen neuen Knoten innerhalb des Bohrstrang-Ad-hoc-Netzwerks bildet. Mit dieser dargestellten Prozedur werden Bohrgestänge vollautomatisch und selbstorganisiert und dem aufzubauenden ad-hoc Netzwerk angemeldet und dort integriert, so dass jedes Bohrgestänge innerhalb des Netzwerks einen individuell ansprechbaren Netzknoten bildet.
  • Der Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand konkreter Ausführungsbeispiele und der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
    • Fig. 1: Stapel vorbereiteter Bohrstrang-Gestänge, Modus REST
    • Fig. 2: Gestänge dem Stapel entnehmen, aufrichten, transportieren, Modus READY
    • Fig. 3: Gestänge zwischen Bohrstrang und Mitnehmerstange montieren, Modus SET
    • Fig. 4: Wirkprinzip der Bohrstrang/Gestänge-Gesamtanordnung
    • Fig. 5: Bohrgestänge als Knoten im Bohrstrang-Ad-hoc-Netzwerk.
  • Gleiche und gleichwirkende Bestandteile der Ausführungsbeispiele sind in den Figuren jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Fig. 1 zeigt einen Stapel 1 vorbereiteter Bohrgestänge 10 im Modus REST für einen Bohrstrang. Die einzelnen Bohrgestänge 10 bestehen aus einem Gestängerohr 11 mit der Wandstärke 12, haben ein oberes Ende 13 und ein unteres Ende 14, und sind in axialer Richtung ein- oder mehrpaarig verdrahtet (WDP), so dass zwei elektrische Leitungen 21 , 22 gebildet sind. Bohrgestänge 10 haben in der axialen Rohrmitte eine Elektronik 15 mit einem Mikrokontroller und einer schaltbaren elektrischen Energieversorgung, die mindestens ein Paar der beiden paarigen Leitungen 21, 22 stromversorgt, wobei die Elektronik 15 und die Energieversorgung baulich eine Einheit bilden.
  • An seinen Enden 13, 14 ist ein Bohrgestänge jeweils mit einem funkgesteuerten, handelsüblichen Sender (Transmitter) und/oder Empfänger (Receiver) oder Sender-/Empfängereinheit (Transceiver) 17,19 ausgestattet, die jeweils über eine Antenne 18, 20 verfügen, und die ebenfalls über die vorgenannte Energieversorgung gespeist werden.
  • Die Energieversorgung ist wiederaufladbare und fest installiert oder portabel gestaltet. Die Entnahme der steckbaren Energieversorgung dient dem Auf- und/oder Nachladen derselben und wird nach dem Ladeprozess wieder der Versorgungsaufnahme des Gestänges zugefügt. Die Unterbringung der Energieversorgung erfolgt geschützt in stählernen Taschen des Gestänges, wobei elektrische Verbindungen zu Sensoren, Aktoren, Sendern und/oder Empfängern in den Taschen vorliegen. Etwa in Rohrmitte befindet sich ein Neigungssensor 16, der die Energieversorgung lageabhängig schaltet. Der Neigungssensor 16 wird selbst in horizontaler Lage ruhestromversorgt.
  • Die für den Bohr- oder Fräsprozeß vorbereiteten Bohrgestänge 10 liegen auf dem Stapel 1 abrufbereit im Modus REST. Aus Sicht der Informationsverarbeitung bildet ein jedes Bohrgestänge 10 mit mikrokontrollergesteuerten Elektronik 15 und Funkmodulen 17, 19 einen Knoten eines Netzwerks.
  • Fig. 2 zeigt rechts die Bohrgestängelagerstelle 1, an der die Bohrgestänge 10 horizontal gestapelt werden. Auf Abruf wird ein Gestänge 3 dem Stapel 1 entnommen und aufgerichtet. Der Neigungssensor 16 schaltet die Energieversorgung ein und versorgt so die Elektronik 15 und die Funkmodule 17,19 mit Ruhestrom. Der Gestängezustand geht dadurch in den Modus READY über. Das Gestänge 4 wird zur Bohrstelle transportiert. Der Neigungssensor 16 dient folglich als Schalter für die Energiezufuhr der Elektronik 15 und der Funkmodule 17, 19, wobei bei etwa horizontaler Lage der Gestänge 10 die Energieversorgung ausgeschaltet ist und bei etwa senkrechter Betriebsweise oder schon bei Verlassen der horizontalen Lage den Ruhestatus der Energieversorgung für die Elektronik 15 und die Funkmodule 17,19 eingeschaltet ist.
  • Gemäß Fig. 3 folgt ein weiterer Arbeitsschritt, in dem das dem Stapel 1 entnommene (n+1)-te Gestänge 6 zwischen dem obersten n-ten Gestänge 5 des Bohrstrangs und die Klemm-Spannbacke 70 eines Bohrantriebs 7 montiert wird. Im Modus SET wird das vorbereitete, sich im Ruhestatus befindliche 'neue' (n+1)-te Gestänge 6 auf das inzwischen von Klemm-Spannbacke 70 und der Mitnehmerstange 74 befreite oberste, n-te Gestänge 5 des Bohrstrangs transportiert und mit seinem ersten unteren Ende 14 aufgesetzt und mit dessen oberem Ende 13 mechanisch fest verschraubt. Im Folgenden wird die Mitnehmerstange 74 des Antriebs 7 der Bohreirichtung auf das zweite obere Ende 13 des 'neuen' Gestänges 6 gesetzt und über die Klemm-Spannbacke 70 ebenfalls mit diesem mechanisch fest verschraubt.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird beim Aufsetzen der Mitnehmerstange 74 des Antriebs 7 auf das zweite obere Ende 13 des 'neuen' Gestänges 6 im Kopf der Mitnehmerstange 74 ein Näherungssensor 71 aktiviert, der einen Hochfrequenz-Kennzeichnungs-(RFID)-Leser über eine Sender-/Empfängereinheit (Transceiver) 72 veranlasst, die Kennung (ID) des ihm gegenüberliegenden Sender/-Empfängereinheit (Transceivers) 17 des zweiten oberen Endes 13 des Gestänges 6 abzufragen. Mittels dieser Prozedur wird die Kennung von der im Bohrantrieb 7 angeordneten Elektronik 73, die ebenfalls einen Mikrokontroller aufweist, an den in direkter Funkverbindung mit dem Antrieb 7 stehenden Oberflächenrechner 100 gesendet, der wiederum eine Synchronisation aller Daten derart vornimmt, dass das neue Gestänge 6 einen neuen Knoten innerhalb des Bohrstrang-Ad-hoc-Netzwerks bildet.
  • Fig. 4 zeigt das Wirkprinzip der Bohrstrang-Gestänge-Gesamtanordnung. Auf der rechten Seite ist die Lagerstelle 1 für konfektionierte Bohrgestänge 10 im Modus REST gezeigt, während die linke Seite Gestänge 5, 6, 8, 9 eines Bohrstrangs vom Bohrlochboden bis zur Oberfläche 75, mit Antrieb 7 und Oberflächenrechner 100 zeigt. Die Gestänge 5, 6, 9,10 sind hier als 'Standard'-Gestänge dargestellt, das Gestänge 8 ist das erste Gestänge des Bohrstrangs und befindet sich am Bohrlochboden. Das Bohrgestänge 8, 80 verfügt über eine Aufnahme für einen Bohrkopf und in dessen Nähe eine Sensorik 81 mit diverse Messeinrichtungen, insbesondere Sensoren, wie Inklinometer, Deflektometer, Pendellotmeter oder Neigungssensor für die lotgerechte Bohrung, und gegebenenfalls einen Aktor oder mehrere Aktoren 81.
  • Die Gestänge-Kopfenden 13 ,14 werden je mit einem funkgesteuerten handelsüblichen Sender (Transmitter) und/oder Empfänger (Receiver) oder Sender-/Empfängereinheiten (Transceiver) 17 ,19 ausgestattet, die über die wiederaufladbare speichernde Energieversorgung gespeist werden, und so angeordnet sind, dass sich in unidirektionaler Senderichtung vom Bohrlochboden zur Oberfläche 75 am oberen Ende 13 des n-ten Gestänges 5 ein Sender 17 und am unteren Ende 14 des sich anschließenden (n+1)-ten Gestänges 6 ein Empfänger 19 befindet. Für den unidirektionalen Betrieb gilt dann für die Senderichtung von der Oberfläche 75 zum Bohrlochboden, dass sich am unteren Ende 14 des (n+1)-ten Gestänges 6 ein Sender 19 und am oberen Ende 13 des sich anschließenden n-ten Gestänges ein Empfänger 17 befindet. Erfolgt die Einrichtung der Datenübertragung nur in einer unidirektionalen Richtung, haben die Gestänge 10 am oberen Ende 13 und unteren Ende 14 keine gleiche Ausstattung und sind richtungsorientiert zu lagern. Sind die Gestänge 10 für eine bidirektionale Datenübertragung ausgelegt und an den Enden mit kombinierten Sender-/Empfängereinheiten (Transceivern) 17,19 bestückt, entfällt die lagegerechte Richtungsorientierung.
  • Die Datenübertragung erfolgt uni- oder bidirektional beispielhaft beginnend an den Sensor-Einrichtungen 81 des Bohrgestänges 80, wird stets bei allen WDP-Gestängen 10 über die Verdrahtung von einem Ende 14 des Gestänges zum anderen Ende 13 geführt und an den Bohrgestänge-Verbindungen, die meist als Verschraubungen ausgeführt sind, über mindestens einen Sender (Transmitter) und/oder Empfänger (Receiver) oder kombinierte Sender-/ Empfängereinheit (Transceiver) 17 ,19 von einem Bohrgestänge zum nächsten Bohrgestänge über sehr kurze Distanz sicher übertragen. Sich auf die Güte der drahtlosen Übertragung negativ auswirkende Umfeldeinflüsse entfallen. Die drahtlose Nachrichtenübertragung beschränkt sich auf den Übertragungsweg von einem Ende 13 eines Gestänge n bis zum Ende 14 des benachbarten Gestänges n+1 auf ca. 30 cm bis 40 cm bei stets gleicher Anordnung und stets gleichem Umfeld.
  • Elektroniken 15 und Funkmodule 17,19 eines Bohrgestänges 10 sind Bestandteil eines Ad-hoc-Netzwerks. Der Antrieb 7 ist ebenfalls mit einer Elektronik 73 mit Mikrokontroller und einem Funkmodul 72 als zweites, oberes Ende des Bohrstrangs ausgerüstet und tauscht Informationen mit dem benachbarten, mit dem Bohr-/Fräsfortschritt wechselnden (n+t)-ten Bohrgestänge 6 aus. Die Kommunikation zwischen dem Bohrantrieb 7 und dem Oberflächenrechner 100 ,101 erfolgt über eine Funkstrecke, wobei die Leitung 102 ein Funkmodul 103 mit Antenne 104, mit dem Oberflächenrechner 100, 101 dauerhaft verbindet. Der Oberflächenrechner 100, 101 hat die gesamte Bohrstellenorganisation und -verwaltung inne, ebenso wie die Bohrstrang-Messdatenerfassung und -auswertung sowie die Gestängeverwaltung und Netzwerkorganisation.
  • Fig. 5 zeigt die Bohrgestänge 10 als Knoten im Bohrstrang-Ad-hoc Netzwerk am Beispiel eines Bohrstrangs mit drei Bohrgestängen 5, 6, 8. Die Bohrinformationen, die aus den Messdaten der Sensorik 81 des Gestänges 8 während des Betriebs erfasst werden, werden über die Bohrgestänge-Leitung 21 dem Sender (Transmitter) 17 des untersten Bohrgestänges 80 (n-1) zugeführt und übertragen an den Empfänger (Receiver) 19 des darüber liegenden Bohrgestänges 5 (n), und weiterhin zum oberen Gestänge 6 (n+1) und über den das Funkmodul 72 und die Elektronik 73 im Antrieb 7 zum Oberflächenrechner 100 ,101. Alle Teilnehmer dieser Informationskette sind Knoten im Bohrstrang-Ad-hoc-Netzwerk, welches aus den ständigen Teilnehmern "Oberflächenrechner 100" und "Antrieb 7" besteht sowie den sich ändernden Teilnehmern "Bohrgestänge" 8 , 5 , 6 , die nach dem oben beschriebenen Verfahren im Selbstlern- und -verwaltungsprozess Knoten des Ad-hoc-Netzwerks geworden sind. Die Bohrstrang-Netzwerkverwaltung ist ebenso ein Software-Bestandteil des Oberflächenrechners.
  • Das erfindungsgemäße Kommunikationssystem besitzt eine Kommunikationsleistung bezüglich Datenrate und Datenqualität, die unabhängig von der Bohrlochtiefe ist. Ein Einsatz ist auch bei schwierigsten Bodenbeschaffenheiten und im Wasser möglich. Ferner funktioniert die Kommunikation bei 1000m tiefen Bohrlöchern genauso gut wie bei 10m Tiefe.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Bohrgestänge, gestapelt, Modus REST
    3
    Bohrgestänge, entnommen, aufgerichtet, Modus READY
    4
    Bohrgestänge, transportiert, Modus READY
    5
    Bohrgestänge n, Knoten n
    6
    Bohrgestänge n+1, Modus SET, Knoten n+1
    7
    Bohrantrieb mit Aufnahme
    8
    Bohrgestänge, Knoten
    9
    Bohrgestänge n-1, Knoten n-1
    10
    Bohrgestänge, datentechnisch konfektioniert (WDP)
    11
    Gestängerohr
    12
    Wandstärke
    13
    Oberes Ende
    14
    Unteres Ende
    15
    Elektronik und Energieversorgung, Knoten
    16
    Neigungssensor
    17
    obere Kommunikationseinheit
    18
    Funkantenne 1
    19
    untere Kommunikationseinheit
    20
    Funkantenne 2
    21, 22
    elektrische Leitung, ein-/mehrpaarig
    70
    Klemm-Spannbacke
    71
    Näherungssensor, mit RFID-Leser
    72
    Kommunikationseinheit,
    73
    Elektronik, Knoten Antrieb
    74
    Mitnehmerstange
    75
    Erdoberfläche
    80
    Bohrgestänge mit Bohrkopf-, -kronen-Aufnahme
    81
    Aktorik, Sensorik,
    100
    Oberflächenrechner
    101
    Bohrstellenrechner, Knoten Rechner
    102
    Verkabelung
    103
    Kommunikationseinheit
    104
    Funkantenne

Claims (23)

  1. Kommunikationssystem zur Übertragung von Informationen über Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) eines Bohrstrangs für Erdbohrungen, umfassend ein erstes Bohrgestänge (8, 80), ein oder mehrere zweite Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 9, 10) und einen Bohrantrieb (7), wobei das erste Bohrgestänge (8, 80) und das oder die zweite(n) Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 9, 10) jeweils aus einem hohlzylinderförmigen Gestängerohr (11) mit zumindest einer sich in axialer Richtung erstreckenden Leitung (21, 22) und mit einem oberen Ende (13) und einem unteren Ende (14) gebildet ist/sind, das untere Ende (14) des ersten Bohrgestänges (8, 80) eine Aufnahme für einen Bohrkopf aufweist, jedes der zweiten Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 9, 10) mit seinem unteren Ende (14) mit dem oberen Ende (13) des ersten Bohrgestänges (8, 80) oder eines anderen zweiten Bohrgestänges (3, 4, 5, 6, 9, 10) drehfest verbunden und mit seinem oberen Ende (13) mit dem unteren Ende (14) eines weiteren zweiten Bohrgestänges (3, 4, 5, 6, 9, 10) oder mit dem Bohrantrieb (7) drehfest verbunden ist, wobei das Kommunikationssystem weiterhin umfasst:
    - eine Sensorik (81) und/ oder Aktorik (81), von der oder zu der Mess-, Parametrier-, Status- und/ oder Steuerdaten zu übertragen sind und die am unteren Ende (14) des ersten Bohrgestänges (8, 80) und/ oder am Bohrkopf angeordnet ist/ sind,
    - eine erste Kommunikationseinheit (72) und eine antriebsseitige Elektronik (73), die beide am oder im Bohrantrieb (7) angeordnet und miteinander verbunden sind,
    - einen Oberflächenrechner (100, 101) zur Überwachung der Erdbohrung, der mit der antriebsseitigen Elektronik (73) in Kommunikationsverbindung steht und die Daten der Sensorik (81) und/ oder Aktorik (81) empfängt oder bereitstellt,
    - weitere Kommunikationseinheiten (17, 19), von denen zumindest eine an dem oberen Ende (13) des ersten Bohrgestänges (8, 80) und zumindest jeweils eine an den beiden Enden (13, 14) des oder der zweiten Bohrgestänge(s) (3, 4, 5, 6, 9, 10) angeordnet sind,
    - zumindest eine Elektronik (15) mit einem Mikrocontroller jeweils in den Bohrgestängen (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80), und
    - zumindest eine Energieversorgung für die Kommunikationseinheiten (17, 19) und die Elektronik (15) jeweils in den Bohrgestängen (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10,80),
    wobei die Sensorik (81) und/ oder Aktorik (81) und die Kommunikationseinheit (17) des ersten Bohrgestänges (8, 80) über dessen elektrische Leitung (21, 22) miteinander verbunden sind und die Elektronik (15) des ersten Bohrgestänges (8, 80) datentechnisch zwischen der Sensorik (81) und/ oder Aktorik (81) und der Kommunikationseinheit (17) des ersten Bohrgestänges (8, 80) liegt, und die Kommunikationseinheiten (17, 19) eines jeden zweiten Bohrgestänges (3, 4, 5, 6, 9, 10) über dessen elektrische Leitung (21, 22) miteinander verbunden sind, wobei die Elektronik (15) des jeweiligen zweiten Bohrgestänges (3, 4, 5, 6, 9, 10) datentechnisch zwischen den Kommunikationseinheiten (17, 19) liegt, und wobei die Kommunikationseinheiten (17, 19, 72) Funkmodule sind, und jede der Kommunikationseinheiten (17, 19, 72) dazu eingerichtet ist, die Daten an die unmittelbar benachbarte Kommunikationseinheit (17, 19) des nächsten Bohrgestänges (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) oder des Bohrantriebs (7) zu übertragen und/ oder von dieser Daten zu empfangen, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) eine eindeutige Kennung zugeordnet ist, über die es identifizierbar ist und die in der Elektronik (15) und/ oder in einer oder mehreren der Kommunikationseinheiten (17, 19) gespeichert und von der antriebsseitigen Kommunikationseinheit (72) abfragbar ist.
  2. Kommunikationssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) einen Knoten in einem ad-hoc Netzwerk bildet.
  3. Kommunikationssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) einen RFID-Transponder aufweist, in dem die Kennung gespeichert ist.
  4. Kommunikationssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Bohrantrieb (7) einen Näherungssensor mit einer RFID-Leseeinheit aufweist, der mit der antriebsseitigen Elektronik (73) verbunden und dazu eingerichtet ist, bei Annäherung eines Bohrgestänges (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) dessen RFID-Transponder zur Aussendung der Kennung zu aktivieren.
  5. Kommunikationssystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der RFID-Transponder ein aktiver RFID-Transponder ist, der mit der Energieversorgung verbunden und dazu eingerichtet ist, die Energieversorgung einzuschalten, wenn er ein Aktivierungssignal empfängt.
  6. Kommunikationssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationseinheiten (17, 19) dazu eingerichtet sind, die Daten über WLAN zu übertragen.
  7. Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 9, 10) für einen Bohrstrang für Erdbohrungen zum Aufbau eines Kommunikationssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem hohlzylinderförmigen Gestängerohr (11), das ein oberes Ende (13) und ein unteres Ende (14) aufweist, und mit zumindest einer zwischen dem oberen und dem unteren Ende (13, 14) liegenden elektrischen Leitung (21, 22), die zu den beiden Enden (13, 14) geführt ist, wobei das untere Ende (14) mit dem oberen Ende (13) eines anderen Bohrgestänges (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) drehfest verbindbar und das oberen Ende (13) mit dem unteren Ende (14) eines anderen Bohrgestänges (3, 4, 5, 6, 9, 10) oder mit einem Bohrantrieb (7) drehfest verbindbar ist, wobei an beiden Enden (13, 14) zumindest eine Kommunikationseinheit (17, 19) angeordnet, zumindest eine Elektronik (15) mit einem Mikrocontroller, und zumindest eine Energieversorgung für die Kommunikationseinheiten (17, 19) und die Elektronik (15) vorhanden sind, wobei die Kommunikationseinheiten (17, 19) über die elektrische Leitung (21, 22) miteinander verbunden sind und die Elektronik (15) datentechnisch zwischen den Kommunikationseinheiten liegt,
    und die Kommunikationseinheiten (17, 19) Funkmodule sind, wobei jede der Kommunikationseinheiten (17, 19) dazu eingerichtet ist, Daten an eine unmittelbar benachbarte Kommunikationseinrichtung (17, 19) des nächsten Bohrstrangs (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) oder des Bohrantriebs (7) zu übertragen und/ oder von dieser Daten zu empfangen, dadurch gekennzeichnet, dass dem Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) eine eindeutige Kennung zugeordnet ist, über die es identifizierbar ist und die in der Elektronik (15) und/ oder in einer oder mehreren der Kommunikationseinheiten (17, 19) gespeichert und von der antriebsseitigen Kommunikationseinheit (72) abfragbar ist.
  8. Bohrgestänge (8, 80) für einen Bohrstrang für Erdbohrungen zum Aufbau eines Kommunikationssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem hohlzylinderförmigen Gestängerohr (11), das ein oberes Ende (13) und ein unteres Ende (14) aufweist, und mit zumindest einer zwischen dem oberen und dem unteren Ende (13, 14) liegenden elektrischen Leitung (21, 22), die zu den beiden Enden (13, 14) geführt ist, wobei das untere Ende (14) eine Aufnahme für einen Bohrkopf aufweist und das oberen Ende (13) mit dem unteren Ende (14) eines anderen Bohrgestänges (3, 4, 5, 6, 9, 10) oder mit einem Bohrantrieb (7) drehfest verbindbar ist, wobei eine Sensorik (81) und/ oder Aktorik (81), von der oder zu der Daten übertragbar sind, am unteren Ende (14) angeordnet ist/ sind, eine Kommunikationseinheit (17) am oberen Ende (13) angeordnet ist, zumindest eine Elektronik (15) mit einem Mikrocontroller, und zumindest eine Energieversorgung für die Kommunikationseinheiten (17, 19) und die Elektronik (15) vorhanden sind, wobei die Kommunikationseinheit (17) und die Sensorik (81) und/ oder Aktorik (81) über die elektrische Leitung (21, 22) miteinander verbunden sind und die Elektronik (15) datentechnisch zwischen der Sensorik (81) und/ oder Aktorik (81) und der Kommunikationseinheit (17) liegt, und die Kommunikationseinheit (17) ein Funkmodul ist, wobei die Kommunikationseinheit (17) dazu eingerichtet ist, Daten an eine unmittelbar benachbarte Kommunikationseinrichtung (19) des nächsten Bohrstrangs (3, 4, 5, 6, 9, 10) oder des Bohrantriebs (7) zu übertragen und/ oder von dieser Daten zu empfangen, dadurch gekennzeichnet, dass dem Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) eine eindeutige Kennung zugeordnet ist, über die es identifizierbar ist und die in der Elektronik (15) und/ oder in einer oder mehreren der Kommunikationseinheiten (17, 19) gespeichert und von der antriebsseitigen Kommunikationseinheit (72) abfragbar ist.
  9. Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationseinheiten (17, 19) kombinierte Sende-/ Empfangseinrichtungen (Transceiver) sind.
  10. Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) nach einem der vorherigen Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gestängerohr (11) ein Neigungssensor (16) zur Erfassung des Lagezustands des Bohrgestänges (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) angeordnet ist.
  11. Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) nach einem der vorherigen Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgung entnehmbar am oder im Gestängerohr (11), insbesondere steckbar befestigt ist.
  12. Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) nach einem der vorherigen Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gestängerohr (11) mindestens eine Ausnehmung, insbesondere eine taschenförmige Ausnehmung, zur geschützten Aufnahme der Energieversorgung, der Elektronik (15) und/ oder einer der Kommunikationseinheiten (17, 19) aufweist.
  13. Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ausnehmung Steckkontakte zur elektrischen Steckkontaktierung mit der Energieversorgung, der Elektronik (15) und/ oder einer Kommunikationseinheiten (17, 19) liegen.
  14. Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) nach einem der vorherigen Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass es für jede Kommunikationseinheit (17, 19) eine Elektronik (15) aufweist, wobei Kommunikationseinheit (17, 19) und Elektronik (15) baulich eine Einheit bilden.
  15. Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) nach einem der vorherigen Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationseinheit (17) oder die Kommunikationseinheiten (17, 19) ein Gehäuse aufweist/ aufweisen, mit dem sie außen am Gestängerohr (11) montiert ist/ sind.
  16. Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Gehäuse eine durch ein nichtmetallisches Material verschlossene Öffnung aufweist/ aufweisen, die in Richtung des äußeren Randes des Endes (13, 14) gerichtet ist, an dem die entsprechende Kommunikationseinheit (17, 19) angeordnet ist.
  17. Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) nach einem der vorherigen Ansprüche, 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung eine durch ein nichtmetallisches Material verschlossene Öffnung aufweist, die in Richtung des äußeren Randes des Endes (13, 14) gerichtet ist, an dem die entsprechende Kommunikationseinheit (17, 19) angeordnet ist.
  18. Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) nach einem der vorherigen Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest einen mit der Elektronik (15) verbundenen Sensor, insbesondere einen Drucksensor und/ oder einen Temperatursensor aufweist.
  19. Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) nach einem der vorherigen Ansprüche 7 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest einen mit der Elektronik (15) verbundenen Aktor, insbesondere ein Ventil, einen Motor und/ oder eine Pumpe aufweist.
  20. Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) nach einem der vorherigen Ansprüche 7 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationseinheit (17) oder die Kommunikationseinheit (17, 19) in einem Abstand zwischen 15 cm und 20 cm vor dem Rand des Endes/ der Enden (13, 14) des Gestängerohrs (11) angeordnet ist/ sind.
  21. Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) nach einem der vorherigen Ansprüche 7 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationseinheit (17) oder die Kommunikationseinheit (17, 19) für eine Nahfeldkommunikation derart eingerichtet ist/ sind, dass ihre Senderreichweite(n) weniger als 1m, insbesondere zwischen 30 und 50cm beträgt/ betragen.
  22. Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) nach einem der vorherigen Ansprüche 7 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leitung (21, 22) ein- oder mehrpaarig ist.
  23. Bohrstrang zur Durchführung von Erdbohrungen, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem ersten Bohrgestänge (8, 80) nach einem der Ansprüche 8 bis 22 und zumindest einem zweiten Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 9, 10) nach einem der Ansprüche 7 bis 22 besteht.
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