EP2767672A2 - Vorrichtung zum Erstellen einer Bohrung im Boden - Google Patents

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EP2767672A2
EP2767672A2 EP14151718.5A EP14151718A EP2767672A2 EP 2767672 A2 EP2767672 A2 EP 2767672A2 EP 14151718 A EP14151718 A EP 14151718A EP 2767672 A2 EP2767672 A2 EP 2767672A2
Authority
EP
European Patent Office
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drill string
carriage
force
drive
mast
Prior art date
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Application number
EP14151718.5A
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English (en)
French (fr)
Other versions
EP2767672A3 (de
EP2767672B1 (de
Inventor
Jens Hielscher
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.)
Prakla Bohrtechnik GmbH
Original Assignee
Prakla Bohrtechnik GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Prakla Bohrtechnik GmbH filed Critical Prakla Bohrtechnik GmbH
Publication of EP2767672A2 publication Critical patent/EP2767672A2/de
Publication of EP2767672A3 publication Critical patent/EP2767672A3/de
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Publication of EP2767672B1 publication Critical patent/EP2767672B1/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
    • E21B44/00—Automatic control systems specially adapted for drilling operations, i.e. self-operating systems which function to carry out or modify a drilling operation without intervention of a human operator, e.g. computer-controlled drilling systems; Systems specially adapted for monitoring a plurality of drilling variables or conditions
    • E21B44/02—Automatic control of the tool feed
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/02—Drilling rigs characterised by means for land transport with their own drive, e.g. skid mounting or wheel mounting
    • E21B7/022—Control of the drilling operation; Hydraulic or pneumatic means for activation or operation

Definitions

  • the invention relates to a device for creating a bore in the ground according to the preamble of claim 1.
  • a device for creating a bore in the ground according to the preamble of claim 1.
  • Such a device comprises a carrier device, mounted on the carrier mast, a longitudinally displaceable guided on the mast carriage, on which a drill drive for rotating drives a drill string and a carriage drive for moving the carriage along the mast.
  • the invention further relates to a method for creating a bore in the ground according to the preamble of claim 1.
  • the creation of a borehole in the ground can serve different purposes.
  • the borehole can be filled with a hardenable filling material to create a foundation element in the ground.
  • the borehole can also be used, for example, to create wells, to explore the ground or in the context of geothermal installations, for example for the introduction of geothermal probes. Also other applications are possible.
  • the drilling parameters in particular the rotational speed and the propulsion speed, must be selected differently. For example, if the propulsion speed is too low, it is known to increase the rotational speed of the drill pipe and / or to increase the pressure force.
  • the invention has for its object to provide an apparatus and a method for creating a hole in the ground, which allows a particularly economical creation of a borehole.
  • the device for creating a bore in the ground is according to the invention characterized in that a control device is provided for controlling the carriage drive and that the control device is adapted to output a control signal to the carriage drive, by which the Auflastkraft of the drill string to the borehole bottom to a predetermined value adjustable is.
  • a basic idea of the invention is to carry out the control of the carriage drive, that is to say the control of the axial feed of the carriage, based on the value of the loading force of the drill string on the borehole bottom.
  • the movement of the carriage along the mast is thus dependent on the determined value of the load during the drilling process.
  • the predetermined value of the load force can be set differently depending on the nature of the ground, for example. For example, in a hard soil material such as rock or rock a higher load or pressure force can be selected as in soft soil, such as soil.
  • the predetermined value for the supercharging force can be a time-constant value or a time-variable value, for example a vibration.
  • the setting of a defined load capacity enables a particularly efficient drilling process.
  • the wear on the drilling tools can be reduced. This leads to longer life and consequently a higher economic efficiency.
  • an input unit is provided for inputting a target value for the ballast force, in particular by an operator of the device.
  • the input unit is preferably arranged in a control cabin of the device.
  • the desired value may be a constant value or a time-variable value.
  • the device preferably includes a measuring device or a sensor for determining the current value of the load force.
  • the measuring device or the sensor it is possible for the measuring device or the sensor to be arranged in the area of the drilling tool, that is, at the bottom of the borehole.
  • a sensor is provided, with which a retraction force and / or pressing force, with which the drill string is withdrawn from the bottom of the borehole or pressed against the borehole bottom, can be determined.
  • the retraction force and the pressure force are a preferably vertical force with which the drill string is actively raised above the drill drive or pressed against the bottom hole sole. In particular, it is a force with which the drill drive or the carriage is actively pulled or pushed up or down.
  • the sensor thus determines the force with which the drill string pulls down or pushes upwards on the carriage or drill drive. Based on the determined value of the retraction force and / or pressure force, the ballast can be determined or calculated.
  • the loading force corresponds to the force caused by the dead weight of the drill string.
  • the load force can be reduced or increased.
  • the drill string is raised or retracted. To press it down actively.
  • the retraction force and / or pressure force can be applied in particular by means of the carriage drive on the Bohrgetriebschlitten.
  • the adjustment of the current Auflastkraft thus preferably takes place by a force applied to the carriage retraction force and / or pressure force.
  • the sensor is preferably arranged outside the borehole, in particular in the region of the carriage, the drilling drive and / or the carriage drive.
  • the sensor is, in particular, a force sensor or force transducer with which the force can be directly or indirectly determined the drill string by its own weight and / or an additionally applied force on the carriage, the drill drive and / or the carriage drive exercises.
  • a load cell or a pressure transducer can be provided.
  • the load cell can be arranged in particular at a winch drive of the carriage at the Totseilende.
  • the pressure sensor can be provided in particular on a cylinder of a cylinder drive.
  • the load capacity of the drill string on the bottom hole thus depends inter alia on the weight of the drill string.
  • the control device is set up to determine the dead weight or the gravitational force of the drill string based on the retraction force determined by the sensor.
  • the drill string can be raised, so that the load is zero.
  • the retraction force necessary to specify is measured.
  • the retraction force corresponds to the gravitational force, from which optionally the dead weight can be determined.
  • a storage device is provided which is adapted to store the determined dead weight of the drill string. Since the dead weight of the drill string during a drilling operation, if the drill string is not changed, remains constant, the weight only once before execution of the Drilling be determined. The self-determined and stored self-weight can then be used during the drilling process to determine or calculate the current load on the bottom of the hole.
  • the senor is designed to determine the retraction force and / or pressure during a drilling operation.
  • the force sensor is thus configured to determine the retraction force and / or pressure force continuously or repeatedly during the drilling operation.
  • control device is designed to determine the load on the bottom hole based on the stored dead weight of the drill string and the withdrawal force and / or pressure force exerted during the drilling operation.
  • the carriage drive is formed to actively press the drill string to the bottom hole.
  • the carriage drive is thus designed to actively move the carriage, on which the drill pipe is mounted, downwards, in particular to push or pull.
  • the carriage drive on a hydraulic feed cylinder.
  • the hydraulic feed cylinder preferably allows the carriage to be both raised and actively pushed down or pulled.
  • the carriage drive comprises a cable drive with a winch and a hoist rope.
  • the rope is preferably guided from the winch over the mast and carries the carriage.
  • the control device for controlling the carriage drive is preferably designed as a closed loop.
  • the setpoint is a constant or temporally variable value of the load capacity of the drill string on the bottom of the hole.
  • the actual value of the load force calculated using the force sensor is returned as feedback and subtracted from the setpoint.
  • the calculated so Control deviation is fed to a controller which provides an output value or a manipulated variable for the carriage drive.
  • the control device preferably has a PID controller. This can be designed to perform two to one hundred iteration steps per second. In this way, a precise and fast control can be realized.
  • the control deviation which is preferably calculated by determining the strand weight and the measured value changed by discharging the strand to the borehole bottom, is fed to a regulator which generates an electrical control signal. This controls, preferably via a proportional valve, the winch or the cylinder of the carriage drive.
  • the control parameters are preferably set to maximum speed without the system starting to oscillate.
  • the winch or cylinder pulls up the linkage as soon as there is too much load on the drilling tool and leaves the linkage if there is too little load on the drilling tool. If the linkage or the drill string is too light for the required contact pressure, the linkage is actively pressed downwards.
  • the hydraulic proportional valve is preferably a valve, which is designed specifically for the winch operation. It contains a load-holding function and a compensation of the load-induced forces on the control piston.
  • Fig. 1 shows a device 10 according to the invention with a carrier device 12, for example a carrier vehicle to which a mast 20 is preferably pivotally mounted.
  • a carriage 22 which can also be referred to as a carriage, guided movably.
  • the carriage drive 40 can basically be designed arbitrarily.
  • Fig. 2 shows a carriage drive 40 with a winch 46 and a hoist rope 48.
  • the carriage 22 is suspended from the hoist rope 48.
  • the hoisting cable 48 is guided, starting from the cable winch 46 arranged on the carrier device 12, over rollers 19 on the mast 20, in particular on a roller head 18 of the mast 20, to a deflection roller 23 on the carriage 22. From the pulley 23, the cable 48 passes to a fixed point on the mast 20 and the roller head 28.
  • the cable winch 46 controls the length of the unwound hoisting rope 48, the position of the carriage 22.
  • the hoisting cable 48 in the manner of a Pulley guided.
  • FIG Fig. 3 Another embodiment of a carriage drive 40 is shown in FIG Fig. 3 shown.
  • a hydraulic cylinder 42 To move the carriage 22 along the mast 20, a hydraulic cylinder 42 is provided.
  • the hydraulic cylinder 42 which in principle can be designed as a single-sided or double-acting cylinder, controls the retraction or extension of its piston the position of the carriage 22.
  • the carriage 22 is connected via two traction cables 44.
  • the position of the carriage 22 is controlled by means of ropes 44, which are guided over rollers 26 on the mast 20.
  • the rollers 26 are located at a lower end of the mast 20 and a mast head 21st
  • the carriage 22 which can also be referred to as Bohrgetriebschlitten, there is a drill drive 24 for rotationally driving a drill string 30.
  • the drill string 30 can be axially fixed to the drill drive 24, so that a vertical force can be transmitted to the drill string 30 via the drill drive 24, which is also referred to as a power rotary head.
  • the drill string 30 comprises a drill pipe 32 driven by the drill drive 24, at the lower end of which a drilling tool 34, which may comprise bits and / or drill teeth, is arranged.
  • Fig. 4 shows the forces acting during the drilling process.
  • a retraction force or pressing force is transmitted to the drilling tool 34 via the drill pipe 32 and the loading force of the drilling tool 34 is controlled onto the bottom hole 4 of the borehole 2.
  • the drilling operation is preferably carried out with a constant load or a predetermined time course of the ballast.
  • a sensor 60 for determining the retraction force and / or pressure force is arranged in the area of the carriage drive 40 or in the region of the suspension or connection of the drill string 30 or drill pipe 32 to the drill drive 24, a sensor 60 for determining the retraction force and / or pressure force is arranged.
  • the sensor 60 which may be a force sensor in particular, may be used to determine the dead weight of the drill string 30 by measuring the force required to lift the drill string 30.
  • the measured value of the dead weight of the drill string 30 can be stored in a memory device 70.
  • a controller 80 For setting a load force with a predetermined value, a controller 80 is provided.
  • the control device 80 comprises a controller, which receives as input a difference between a set value of the load force and an actual value and generates an output signal which is used to control the carriage drive 40. If the measured load force is too high, an upward retraction force is exerted on the slide 22. If the measured value of the pressing force is too low, a downward pressing force is exerted on the carriage 22.
  • a particularly efficient drilling process can be realized.
  • the determination of the dead weight of the drill string 30 before commencement of the drilling process by lifting the drill string 30 from the bottom hole allows an indirect determination of the ballast by measuring the additional retraction force applied to the drill string 30.

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Abstract

Die Anmeldung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erstellen einer Bohrung im Boden mit einem Trägergerät, einem an dem Trägergerät gelagerten Mast, einem an dem Mast längs verschiebbar geführten Schlitten, an welchem ein Bohrantrieb zum drehenden Antreiben eines Bohrstrangs angeordnet ist, und einem Schlit-tenantrieb zum Verfahren des Schlittens entlang des Mastes, wobei eine Steuereinrichtung zum Steuern des Schlittenantriebs vorgesehen ist und die Steuereinrichtung ausgebildet ist, ein Steuersignal an den Schlittenantrieb auszugeben, durch welches die Auflastkraft des Bohrstrangs auf die Bohrlochsohle auf einen vorbestimmten Wert einstellbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erstellen einer Bohrung im Boden gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Vorrichtung umfasst ein Trägergerät, einen an dem Trägergerät gelagerten Mast, einen an dem Mast längsverschiebbar geführten Schlitten, an welchem ein Bohrantrieb zum drehenden Antrieben eines Bohrstrangs angeordnet ist, und einen Schlittenantrieb zum Verfahren des Schlittens entlang des Mastes. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Erstellen einer Bohrung im Boden gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Die Erstellung eines Bohrloches im Boden kann unterschiedlichen Zwecken dienen. Beispielsweise kann das Bohrloch zum Erstellen eines Gründungselementes im Boden mit einem aushärtbaren Verfüllmaterial gefüllt werden. Das Bohrloch kann beispielsweise auch zur Erstellung von Brunnen, zur Bodenerkundung oder im Rahmen von Geothermieanlagen, beispielsweise zur Einbringung von Erdwärmesonden, erstellt werden. Auch weitere Anwendungen sind möglich.
  • In Abhängigkeit der Bodenbeschaffenheit sowie der verwendeten Bohrwerkzeuge müssen die Bohrparameter, insbesondere Drehgeschwindigkeit und Vortriebsgeschwindigkeit, unterschiedlich gewählt werden. Ist beispielsweise die Vortriebsgeschwindigkeit zu gering, ist es bekannt, die Drehgeschwindigkeit des Bohrgestänges zu erhöhen und/oder die Andruckkraft zu verstärken.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erstellen einer Bohrung im Boden anzugeben, welche eine besonders wirtschaftliche Erstellung eines Bohrloches ermöglicht.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 beziehungsweise ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Die Vorrichtung zum Erstellen einer Bohrung im Boden ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung zum Steuern des Schlittenantriebs vorgesehen ist und dass die Steuereinrichtung ausgebildet ist, ein Steuersignal an den Schlittenantrieb auszugeben, durch welches die Auflastkraft des Bohrstrangs auf die Bohrlochsohle auf einen vorbestimmten Wert einstellbar ist.
  • Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die Steuerung des Schlittenantriebs, also die Steuerung des axialen Vorschubs des Schlittens, basierend auf dem Wert der Auflastkraft des Bohrstrangs auf die Bohrlochsohle auszuführen. Die Bewegung des Schlittens entlang des Mastes erfolgt also in Abhängigkeit des ermittelten Wertes der Auflastkraft während des Bohrvorgangs.
  • Der vorbestimmte Wert der Auflastkraft kann beispielsweise in Abhängigkeit der Bodenbeschaffenheit unterschiedlich eingestellt werden. Beispielsweise kann bei einem harten Bodenmaterial wie Gestein oder Fels eine höhere Auflastkraft beziehungsweise Andruckkraft gewählt werden als bei weichem Boden, beispielsweise Erdmaterial.
  • Bei dem vorbestimmten Wert für die Auflastkraft kann es sich um einen zeitlich konstanten oder einen zeitlich variablen Wert, beispielsweise eine Schwingung, handeln. Die Einstellung einer definierten Auflastkraft ermöglicht ein besonders effizientes Bohrverfahren. Zudem kann der Verschleiß an den Bohrwerkzeugen reduziert werden. Dies führt zu längeren Standzeiten und folglich einer höheren Wirtschaftlichkeit.
  • Vorzugsweise ist eine Eingabeeinheit zum Eingeben eines Sollwertes für die Auflastkraft, insbesondere durch einen Bediener der Vorrichtung, vorgesehen. Die Eingabeeinheit ist vorzugsweise in einer Bedienkabine der Vorrichtung angeordnet. Bei dem Sollwert kann es sich insbesondere um einen konstanten oder einen zeitlich variablen Wert handeln.
  • Die Vorrichtung enthält vorzugsweise eine Messeinrichtung oder einen Sensor zum Bestimmen des aktuellen Wertes der Auflastkraft. Grundsätzlich ist es möglich, dass die Messeinrichtung beziehungsweise der Sensor im Bereich des Bohrwerkzeugs, also an der Bohrlochsohle, angeordnet ist.
  • Bevorzugt ist es jedoch, dass ein Sensor vorgesehen ist, mit welchem eine Rückzugskraft und/oder Andruckkraft, mit welcher der Bohrstrang von der Bohrlochsohle rückgezogen beziehungsweise an die Bohrlochsohle angedrückt wird, bestimmbar ist. Bei der Rückzugskraft und der Andruckkraft handelt es sich um eine vorzugsweise vertikale Kraft, mit welcher der Bohrstrang aktiv über den Bohrantrieb angehoben beziehungsweise gegen die Bohrlochsohle gedrückt wird. Insbesondere handelt es sich um eine Kraft, mit der der Bohrantrieb beziehungsweise der Schlitten aktiv nach oben oder unten gezogen oder gedrückt wird. Der Sensor bestimmt also die Kraft, mit welcher der Bohrstrang an dem Schlitten oder Bohrantrieb nach unten zieht oder nach oben drückt. Basierend auf dem ermittelten Wert der Rückzugskraft und/oder Andruckkraft kann die Auflast bestimmt beziehungsweise berechnet werden.
  • Ist die Rückzugskraft und/oder Andruckkraft Null, so entspricht die Auflastkraft der durch das Eigengewicht des Bohrstrangs hervorgerufenen Kraft. Durch ein geringfügiges Entlasten des Bohrstrangs oder Andrücken des Bohrstrangs an die Bohrlochsohle kann die Auflastkraft verringert beziehungsweise erhöht werden. Zum Entlasten des Bohrstrangs wird der Bohrstrang angehoben oder rückgezogen. Zum Andrücken wird er aktiv nach unten gedrückt.
  • Durch die zusätzliche Kraft lässt sich also die durch das Eigengewicht hervorgerufene Auflastkraft gezielt verändern. Die Rückzugskraft und/oder Andruckkraft kann insbesondere mittels des Schlittenantriebs auf den Bohrgetriebeschlitten aufgebracht werden. Die Einstellung der aktuellen Auflastkraft erfolgt also vorzugsweise durch eine auf den Schlitten aufgebrachte Rückzugskraft und/oder Andruckkraft.
  • Der Sensor ist vorzugsweise außerhalb des Bohrlochs, insbesondere im Bereich des Schlittens, des Bohrantriebs und/oder des Schlittenantriebs angeordnet. Bei dem Sensor handelt es sich insbesondere um einen Kraftsensor beziehungsweise Kraftaufnehmer, mit welchem direkt oder indirekt die Kraft bestimmt werden kann, welche der Bohrstrang durch sein Eigengewicht und/oder eine zusätzlich aufgebrachte Kraft auf den Schlitten, den Bohrantrieb und/oder den Schlittenantrieb ausübt.
  • Als Sensor kann beispielsweise eine Kraftmessdose oder ein Druckaufnehmer vorgesehen sein. Die Kraftmessdose kann insbesondere bei einem Windenantrieb des Schlittens am Totseilende angeordnet sein. Der Druckaufnehmer kann insbesondere an einem Zylinder eines Zylinderantriebs vorgesehen sein.
  • Die Auflastkraft des Bohrwerkzeugs beziehungsweise Bohrkopfes auf die Bohrlochsohle entspricht der Summe aus der Gravitationskraft des Bohrstrangs und der zusätzlichen, aktiv aufgebrachten Andruckkraft oder Rückzugskraft. Es gilt: F Auflast = m Strang ⋅ g + F Andruck - F Rückzug
    Figure imgb0001
    mit
    • FAuflast:
    Auflastkraft auf die Bohrlochsohle;
    mStrang:
    Gewicht des Bohrstrangs;
    g:
    Erdbeschleunigung;
    FAndruck:
    Andruckkraft in Richtung Bohrlochsohle;
    FRückzug:
    Rückzugkraft von der Bohrlochsohle weg.
  • Die Auflastkraft des Bohrstrangs auf die Bohrlochsohle hängt also unter anderem von dem Eigengewicht des Bohrstrangs ab. Erfindungsgemäß ist es daher bevorzugt, dass die Steuereinrichtung eingerichtet ist, basierend auf der durch den Sensor ermittelten Rückzugskraft das Eigengewicht oder die Gravitationskraft des Bohrstrangs zu bestimmen.
  • Hierzu kann beispielsweise der Bohrstrang angehoben werden, so dass die Auflastkraft Null ist. Die zum Angeben nötige Rückzugskraft wird gemessen. Die Rückzugskraft entspricht der Gravitationskraft, aus welcher gegebenenfalls das Eigengewicht bestimmt werden kann.
  • Vorzugsweise ist eine Speichereinrichtung vorgesehen, welche dazu eingerichtet ist, das ermittelte Eigengewicht des Bohrstrangs zu speichern. Da das Eigengewicht des Bohrstrangs während eines Bohrvorgangs, sofern der Bohrstrang nicht gewechselt wird, konstant bleibt, muss das Eigengewicht lediglich einmal vor Ausführung des Bohrvorgangs bestimmt werden. Das einmal bestimmte und gespeicherte Eigengewicht kann dann während des Bohrvorgangs zur Ermittlung beziehungsweise Berechnung der aktuellen Auflastkraft auf den Bohrlochgrund verwendet werden.
  • Besonders bevorzugt ist es, dass der Sensor ausgebildet ist, die Rückzugskraft und/oder Andruckkraft während eines Bohrvorgangs zu ermitteln. Der Kraftsensor ist also eingerichtet, die Rückzugskraft und/oder Andruckkraft kontinuierlich oder wiederholt während des Bohrvorgangs zu bestimmten.
  • Eine besonders zuverlässige und robuste Bestimmung der tatsächlichen Auflastkraft lässt sich dadurch erreichen, dass die Steuereinrichtung ausgebildet ist, die Auflastkraft auf die Bohrlochsohle basierend auf dem gespeicherten Eigengewicht des Bohrstrangs und der während des Bohrvorgangs ausgeübten Rückzugskraft und/oder Andruckkraft zu ermitteln.
  • Zur Einstellung einer Auflastkraft, welche größer ist als die durch das Eigengewicht des Bohrstrangs hervorgerufene Kraft, ist es bevorzugt, dass der Schlittenantrieb ausgebildet ist, das Bohrgestänge aktiv zur Bohrlochsohle zu drücken. Der Schlittenantrieb ist also dazu ausgelegt, den Schlitten, an welchem das Bohrgestänge gelagert ist, aktiv nach unten zu bewegen, insbesondere zu drücken oder zu ziehen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Schlittenantrieb einen hydraulischen Vorschubzylinder auf. Durch den hydraulischen Vorschubzylinder lässt sich der Schlitten vorzugsweise sowohl anheben als auch aktiv nach unten drücken oder ziehen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst der Schlittenantrieb einen Seilantrieb mit einer Seilwinde und einem Hubseil. Das Seil ist ausgehend von der Seilwinde vorzugsweise über den Mast geführt und trägt den Schlitten.
  • Die Steuereinrichtung zum Steuern des Schlittenantriebs ist vorzugsweise als geschlossener Regelkreis gestaltet. Als Sollwert dient ein konstanter oder zeitlich variabler Wert der Auflastkraft des Bohrstrangs auf die Bohrlochsohle. Der unter Verwendung des Kraftsensors berechnete, tatsächliche Wert der Auflastkraft wird als Rückkopplung zurückgegeben und von dem Sollwert subtrahiert. Die so berechnete Regelabweichung wird einem Regler zugeführt, welcher einen Ausgabewert beziehungsweise eine Stellgröße für den Schlittenantrieb liefert.
  • Vorzugsweise weist die Steuereinrichtung einen PID-Regler auf. Dieser kann ausgebildet sein, zwei bis einhundert Iterationsschritte pro Sekunde durchzuführen. Auf diese Weise lässt sich eine präzise und schnelle Regelung realisieren. Die Regelabweichung, die vorzugsweise durch die Ermittlung des Stranggewichtes und dem durch Ablassen des Stranges auf die Bohrlochsohle veränderten Messwert errechnet wird, wird einem Regler zugeführt, welcher ein elektrisches Steuersignal erzeugt. Dieses steuert, vorzugsweise über ein Proportionalventil, die Winde oder den Zylinder des Schlittenantriebs.
  • Die Regelparameter werden vorzugsweise auf maximale Schnelligkeit eingestellt, ohne dass das System zu schwingen beginnt. Somit zieht die Winde beziehungsweise der Zylinder das Gestänge hoch, sobald zu viel Last auf dem Bohrwerkzeug ist und lässt das Gestänge ab, wenn zu wenig Last auf dem Bohrwerkzeug liegt. Ist das Gestänge beziehungsweise der Bohrstrang für den benötigten Andruck zu leicht, so wird das Gestänge aktiv nach unten gedrückt.
  • Das Hydraulikproportionalventil ist vorzugsweise ein Ventil, welches speziell für den Windenbetrieb ausgelegt ist. Es beinhaltet eine Lasthaltefunktion und eine Kompensation der durch die Last induzierten Kräfte auf den Steuerkolben.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen, welche in den beiliegenden, schematischen Figuren dargestellt sind, weiter erläutert. In den Figuren zeigt:
    • Fig. 1
    eine allgemeine Darstellung einer erfindungsgemäße Vorrichtung;
    Fig. 2
    eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Windenantrieb als Schlittenantrieb;
    Fig. 3
    eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Zylinderantrieb als Schlittenantrieb; und
    Fig.4
    eine schematische Darstellung der auf den Bohrstrang wirkenden Kräfte.
  • Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 mit einem Trägergerät 12, beispielsweise einem Trägerfahrzeug, an welchem ein Mast 20 vorzugsweise schwenkbar gelagert ist. An dem vertikal positionierbaren Mast 20 ist ein Schlitten 22, welcher auch als Laufwagen bezeichnet werden kann, verfahrbar geführt. Zum Verfahren des Schlittens 22 entlang einer Längsachse des Mastes 20 ist ein Schlittenantrieb 40 vorgesehen. Der Schlittenantrieb 40 kann grundsätzlich beliebig gestaltet sein.
  • Fig. 2 zeigt einen Schlittenantrieb 40 mit einer Seilwinde 46 und einem Hubseil 48. Der Schlitten 22 ist an dem Hubseil 48 aufgehängt. Das Hubseil 48 ist ausgehend von der am Trägergerät 12 angeordneten Seilwinde 46 über Rollen 19 am Mast 20, insbesondere an einem Rollenkopf 18 des Mastes 20, zu einer Umlenkrolle 23 am Schlitten 22 geführt. Von der Umlenkrolle 23 gelangt das Seil 48 zu einem Festpunkt am Mast 20 beziehungsweise am Rollenkopf 28. Die Seilwinde 46 steuert über die Länge des abgespulten Hubseils 48 die Position des Schlittens 22. Durch die Umlenkrolle 23 am Schlitten 22 ist das Hubseil 48 nach Art eines Flaschenzuges geführt.
  • Eine weitere Ausführungsform eines Schlittenantriebs 40 ist in Fig. 3 dargestellt. Zum Verfahren des Schlittens 22 entlang des Mastes 20 ist ein Hydraulikzylinder 42 vorgesehen. Der Hydraulikzylinder 42, welcher grundsätzlich als einseitig oder zweiseitig wirkender Zylinder ausgeführt sein kann, steuert durch Einfahren beziehungsweise Ausfahren seines Kolbens die Position des Schlittens 22. In der dargestellten Ausführungsform ist der Schlitten 22 über zwei Zugseile 44 angebunden. Über den Verfahrweg des Hydraulikzylinders 42 wird mit Hilfe der Seile 44, die über Rollen 26 am Mast 20 geführt sind, die Position des Schlittens 22 gesteuert. Die Rollen 26 befinden sich an einem unteren Ende des Mastes 20 und an einem Mastkopf 21.
  • An dem Schlitten 22, welcher auch als Bohrgetriebeschlitten bezeichnet werden kann, befindet sich ein Bohrantrieb 24 zum drehenden Antreiben eines Bohrstrangs 30. Der Bohrstrang 30 lässt sich axial fest mit dem Bohrantrieb 24 verbinden, so dass über den Bohrantrieb 24, welcher auch als Kraftdrehkopf bezeichnet wird, eine vertikale Kraft auf den Bohrstrang 30 übertragen werden kann. Durch Anheben beziehungsweise Absenken des Schlittens 22, an welchem der Bohrantrieb 24 befestigt ist, wird somit die Auflastkraft des Bohrstrangs 30 auf die Bohrlochsohle vergrößert oder verkleinert.
  • Der Bohrstrang 30 umfasst ein von dem Bohrantrieb 24 angetriebenes Bohrgestänge 32, an dessen unterem Ende ein Bohrwerkzeug 34, welches Meißel und/oder Bohrzähne umfassen kann, angeordnet ist.
  • Fig. 4 zeigt die während des Bohrvorgangs wirkenden Kräfte. Durch Anheben oder nach unten Drücken des Schlittens 22 wird über das Bohrgestänge 32 eine Rückzugkraft beziehungsweise Andruckkraft auf das Bohrwerkzeug 34 übertragen und die Auflastkraft des Bohrwerkzeugs 34 auf die Bohrlochsohle 4 des Bohrlochs 2 gesteuert. Der Bohrvorgang erfolgt vorzugsweise mit einer konstanten Auflast oder einem vorgegebenen zeitlichen Verlauf der Auflast.
  • Im Bereich des Schlittenantriebs 40 oder im Bereich der Aufhängung oder Anbindung des Bohrstrangs 30 beziehungsweise Bohrgestänges 32 am Bohrantrieb 24 ist ein Sensor 60 zum Bestimmen der Rückzugskraft und/oder Andruckkraft angeordnet. Der Sensor 60, welcher insbesondere ein Kraftsensor sein kann, kann dazu verwendet werden, das Eigengewicht des Bohrstrangs 30 zu bestimmen, indem die Kraft gemessen wird, die zum Anheben des Bohrstrangs 30 erforderlich ist. Der gemessene Wert des Eigengewichtiges des Bohrstrangs 30 kann in einer Speichereinrichtung 70 gespeichert werden.
  • Durch Aufsetzen des Bohrstrangs 30 auf den Bohrlochgrund 4 reduziert sich die durch den Sensor 60 gemessene Kraft. Ist die Kraft gleich Null, so entspricht die Auflastkraft auf den Bohrlochgrund 4 der durch das Eigengewicht des Bohrstrangs 30 hervorgerufenen Kraft. Durch Aufbringen einer nach oben gerichteten Rückzugskraft auf den Schlitten 22 beziehungsweise den daran befestigten Bohrantrieb 24 lässt sich die Auflastkraft reduzieren. Durch Aufbringen einer nach unten gerichteten Andruckkraft auf den Schlitten 22 beziehungsweise den daran befestigten Bohrantrieb 24 kann die tatsächliche Auflastkraft zusätzlich erhöht werden.
  • Zum Einstellen einer Auflastkraft mit einem vorbestimmten Wert ist eine Steuereinrichtung 80 vorgesehen. Die Steuereinrichtung 80 umfasst einen Regler, welcher als Eingangssignal eine Differenz zwischen einem Sollwert der Auflastkraft und einem Istwert erhält und ein Ausgangssignal erzeugt, welches zur Steuerung des Schlittenantriebs 40 verwendet wird. Ist die gemessene Auflastkraft zu hoch, wird eine nach oben gerichtete Rückzugskraft auf den Schlitten 22 ausgeübt. Ist der gemessene Wert der Andruckkraft zu niedrig, wird eine nach unten gerichtete Andruckkraft auf den Schlitten 22 ausgeübt.
  • Durch die Steuerung des Bohrvorgangs mit der Auflastkraft als Führungsgröße lässt sich ein besonders effizientes Bohrverfahren realisieren. Die Messung der Auflastkraft durch einen Sensor 60 außerhalb des Bohrlochs, insbesondere am Schlitten 22 oder am Schlittenantrieb 40, gewährleistet eine robuste und zuverlässige Messung. Die Bestimmung des Eigengewichtes des Bohrstrangs 30 vor Aufnahme des Bohrverfahrens durch Anheben des Bohrstrangs 30 von der Bohrlochsohle ermöglicht eine indirekte Bestimmung der Auflast durch Messung der aktiv auf den Bohrstrang 30 aufgebrachten, zusätzlichen Rückzugs- beziehungsweise Andruckkraft.

Claims (11)

  1. Vorrichtung zum Erstellen einer Bohrung im Boden mit
    - einem Trägergerät (12),
    - einem an dem Trägergerät (12) gelagerten Mast (20),
    - einem an dem Mast (20) längs verschiebbar geführten Schlitten (22), an welchem ein Bohrantrieb (24) zum drehenden Antreiben eines Bohrstrangs (30) angeordnet ist, und
    - einem Schlittenantrieb (40) zum Verfahren des Schlittens (22) entlang des Mastes (20),
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass eine Steuereinrichtung (80) zum Steuern des Schlittenantriebs vorgesehen ist und
    - dass die Steuereinrichtung (80) ausgebildet ist, ein Steuersignal an den Schlittenantrieb (40) auszugeben, durch welches die Auflastkraft des Bohrstrangs (30) auf die Bohrlochsohle auf einen vorbestimmten Wert einstellbar ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass eine Eingabeeinheit zum Eingeben eines Sollwertes für die Auflastkraft vorgesehen ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass ein Sensor (60) vorgesehen ist, mit welchem eine Rückzugskraft und/oder Andruckkraft, mit welcher der Bohrstrang (30) von der Bohrlochsohle rückgezogen beziehungsweise an die Bohrlochsohle angedrückt wird, bestimmbar ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Steuereinrichtung (80) eingerichtet ist, basierend auf der durch den Sensor (60) ermittelten Rückzugskraft das Eigengewicht des Bohrstrangs (30) zu bestimmen und
    dass eine Speichereinrichtung (70) zum Speichern des Eigengewichtes des Bohrstrangs (30) vorgesehen ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Sensor (60) ausgebildet ist, die Rückzugskraft und/oder Andruckkraft während eines Bohrvorgangs zu ermitteln.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Steuereinrichtung (80) ausgebildet ist, die Auflastkraft auf die Bohrlochsohle basierend auf dem gespeicherten Eigengewicht des Bohrstrangs (30) und der während des Bohrvorgangs ausgeübten Rückzugskraft und/oder Andruckkraft zu ermitteln.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Schlittenantrieb (40) ausgebildet ist, den Bohrstrang (30) aktiv zur Bohrlochsohle zu drücken.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Schlittenantrieb (40) einen Hydraulikzylinder (42) aufweist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Schlittenantrieb (40) einen Seilantrieb mit einer Seilwinde (46) und einem Hubseil (48) aufweist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Steuereinrichtung (40) einen PID-Regler aufweist, welcher vorzugsweise ausgebildet ist, zwei bis einhundert Iterationsschritte pro Sekunde durchzuführen.
  11. Verfahren zum Erstellen einer Bohrung im Boden mit einer Vorrichtung (10), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit einem Trägergerät (12) und
    - einem an dem Trägergerät (12) gelagerten Mast (20), entlang welchem ein Schlitten (22) längs verschiebbar geführt wird, an welchem ein Bohrantrieb (24) angeordnet ist, welcher einen Bohrstrang (30) drehend antreibt, wobei der Schlitten (22) entlang des Mastes (20) mit einem Schlittenantrieb (40) verfahren wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass der Schlittenantrieb (40) durch eine Steuereinrichtung (80) gesteuert wird, wobei die Steuereinrichtung (80) ein Steuersignal an den Schlittenantrieb (40) ausgibt, durch welches die Auflastkraft des Bohrstrangs (30) auf die Bohrlochsohle auf einen vorbestimmten Wert vorgegeben wird.
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