EP2767672B1 - Vorrichtung zum Erstellen einer Bohrung im Boden - Google Patents

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EP2767672B1
EP2767672B1 EP14151718.5A EP14151718A EP2767672B1 EP 2767672 B1 EP2767672 B1 EP 2767672B1 EP 14151718 A EP14151718 A EP 14151718A EP 2767672 B1 EP2767672 B1 EP 2767672B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
force
drill string
carriage
drive
sensor
Prior art date
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Active
Application number
EP14151718.5A
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English (en)
French (fr)
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EP2767672A2 (de
EP2767672A3 (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 hole in the ground according to the preamble of claim 1.
  • a device for creating a hole in the ground according to the preamble of claim 1.
  • Such a device comprises a carrier device, a mast mounted on the carrier device, a carriage which is guided longitudinally displaceably on the mast and on which a drill drive for rotatingly driving a drill string is arranged and a carriage drive for moving the carriage along the mast.
  • the invention further relates to a method for creating a hole in the ground according to the preamble of claim 6.
  • 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 created, for example, for the production of wells, for soil exploration or in the context of geothermal systems, for example for the introduction of geothermal probes. Other applications are also possible.
  • the drilling parameters in particular the speed of rotation and the speed of advance, must be selected differently. If, for example, the speed of advance 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 a device and a method for creating a hole in the ground, which allows a particularly economical creation of a borehole.
  • the device for creating a hole in the ground is characterized according to the invention in that a control device for controlling the slide drive is provided and that the control device is designed to output a control signal to the slide drive, by means of which the load force of the drill string on the bottom of the borehole can be set to a predetermined value is.
  • a basic idea of the invention is to carry out the control of the slide drive, ie the control of the axial feed of the slide, based on the value of the load force of the drill string on the bottom of the borehole.
  • the movement of the carriage along the mast is therefore dependent on the determined value of the load force during the drilling process.
  • the predetermined value of the load force can, for example, be set differently depending on the nature of the ground. For example, a higher loading force or pressure force can be selected for a hard soil material such as rock or rock than for a soft soil, for example earth material.
  • the predetermined value for the load force can be a time-constant or a time-variable value, for example an oscillation. Setting a defined load force enables a particularly efficient drilling process. Wear on the drilling tools can also be reduced. This leads to longer downtimes and consequently greater economy.
  • An input unit is preferably provided for inputting a target value for the load force, in particular by an operator of the device.
  • the input unit is preferably arranged in an operating cabin of the device.
  • the setpoint can in particular be a constant or a time-variable value.
  • the device preferably contains 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 region of the drilling tool, that is to say on 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 bottom of the borehole can be determined.
  • the retraction force and the pressing force are preferably a vertical force with which the drill string is actively lifted via the drill drive or pressed against the bottom of the borehole.
  • it is a force with which the drill drive or the slide is actively pulled or pressed up or down.
  • the sensor therefore determines the force with which the drill string pulls down or pushes up on the slide or drill drive.
  • the load can be determined or calculated based on the determined value of the retraction force and / or pressure force.
  • the load force corresponds to the force caused by the weight of the drill string.
  • the load force can be reduced or increased.
  • the drill string is raised or pulled back. To press it, it is actively pressed down.
  • the retraction force and / or pressure force can be applied to the drilling gear slide in particular by means of the slide drive.
  • the current load force is therefore preferably set by a retraction force and / or pressure force applied to the slide.
  • the sensor is preferably arranged outside the borehole, in particular in the area of the carriage, the drill drive and / or the carriage drive.
  • the sensor is, in particular, a force sensor or force transducer with which the force which can be determined directly or indirectly the drill string exerts on the slide, the drill drive and / or the slide drive by its own weight and / or an additionally applied force.
  • a load cell is provided as a sensor.
  • the load cell is arranged at the end of the dead rope when the carriage is driven by a winch.
  • the load force of the drill string on the bottom of the borehole thus depends, among other things, 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 force is zero.
  • the retraction force required to specify is measured.
  • the retraction force corresponds to the gravitational force from which the dead weight can be determined if necessary.
  • a storage device is preferably provided, which is set up to store the determined dead weight of the drill string. Since the dead weight of the drill string remains constant during a drilling process, unless the drill string is changed, the dead weight only has to be checked once before the Drilling process can be determined. The once determined and stored dead weight can then be used during the drilling process to determine or calculate the current load force on the bottom of the borehole.
  • the senor is designed to determine the retraction force and / or pressure force during a drilling process.
  • the force sensor is thus set up to determine the retraction force and / or pressure force continuously or repeatedly during the drilling process.
  • control device is designed to determine the load force on the bottom of the borehole based on the stored dead weight of the drill string and the retraction force and / or pressure force exerted during the drilling process.
  • the slide drive is designed to actively press the drill string to the bottom of the borehole.
  • the carriage drive is therefore designed to actively move the carriage on which the drill pipe is mounted, in particular to push or pull it.
  • the carriage drive comprises a cable drive with a cable winch and a lifting cable.
  • the rope is preferably guided over the mast and carries the sled.
  • the control device for controlling the slide drive is preferably designed as a closed control loop.
  • a constant or time-variable value of the load force of the drill string on the bottom of the borehole serves as the setpoint.
  • the actual value of the load force calculated using the force sensor is returned as feedback and subtracted from the target value.
  • the control deviation calculated in this way is fed to a controller which delivers an output value or a manipulated variable for the slide drive.
  • the control device has a PID controller. This is designed to carry out two to one hundred iteration steps per second. In this way, precise and fast control can be implemented.
  • the control deviation which is preferably calculated by determining the weight of the strand and the measured value changed by lowering the strand onto the bottom of the borehole, is fed to a controller which generates an electrical control signal. This controls the winch or the cylinder of the slide drive, preferably via a proportional valve.
  • 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 lowers the linkage when there is too little load on the drilling tool. If the rod or the drill string is too light for the required pressure, the rod is actively pressed down.
  • the hydraulic proportional valve is preferably a valve which is specially designed for winch operation. It includes a load holding function and compensation of the forces on the control piston induced by the load.
  • Fig. 1 shows a device 10 according to the invention with a carrier device 12, for example a carrier vehicle, on which a mast 20 is preferably pivotally mounted.
  • a carriage 22, which can also be referred to as a carriage, is movably guided on the vertically positionable mast 20.
  • a carriage drive 40 is provided for moving the carriage 22 along a longitudinal axis of the mast 20.
  • the carriage drive 40 can in principle be of any design.
  • Fig. 2 shows a carriage drive 40 with a cable winch 46 and a lifting rope 48.
  • the carriage 22 is suspended on the lifting rope 48.
  • the lifting cable 48 is guided to a deflection roller 23 on the carriage 22 via rollers 19 on the mast 20, in particular on a roller head 18 of the mast 20.
  • the cable 48 arrives at a fixed point on the mast 20 or on the roller head 28.
  • the cable winch 46 controls the position of the slide 22 over the length of the unwinding lifting cable 48 Pulley led.
  • FIG Fig. 3 Another embodiment of a carriage drive 40 is shown in FIG Fig. 3 shown.
  • a hydraulic cylinder 42 is provided for moving the carriage 22 along the mast 20.
  • the hydraulic cylinder 42 which can basically be designed as a single-sided or double-sided cylinder, controls the position of the slide 22 by retracting or extending its piston.
  • the slide 22 is connected via two pull cables 44.
  • the position of the slide 22 is controlled via the travel path of the hydraulic cylinder 42 with the aid of the ropes 44, which are guided on the mast 20 via rollers 26.
  • the rollers 26 are located on a lower end of the mast 20 and on a mast head 21.
  • a drill drive 24 for rotatingly driving a drill string 30 is located on the carriage 22, which can also be referred to as a drilling gear carriage.
  • the drill string 30 can be axially fixed to the drill drive 24, see above 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 turret.
  • the drill string 30 comprises a drill string 32 driven by the drill drive 24, at the lower end of which a drill tool 34, which can comprise chisels and / or drill teeth, is arranged.
  • Fig. 4 shows the forces acting during the drilling process.
  • a pull-back force or pressing force is transmitted to the drilling tool 34 via the drill rod 32 and the loading force of the drilling tool 34 on the borehole bottom 4 of the borehole 2 is controlled.
  • the drilling process is preferably carried out with a constant load or a predetermined time course of the load.
  • a sensor 60 for determining the retraction force and / or pressure force is arranged in the area of the slide drive 40 or in the area of the suspension or connection of the drill string 30 or drill pipe 32 to the drill drive 24.
  • the sensor 60 which can in particular be a force sensor, can 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 storage device 70.
  • the force measured by the sensor 60 is reduced. If the force is zero, the load force on the bottom of the borehole 4 corresponds to the force caused by the weight of the drill string 30.
  • the load force can be reduced by applying an upward retraction force to the slide 22 or the drilling drive 24 attached to it.
  • the actual loading force can be additionally increased by applying a downward pressure force to the slide 22 or the drilling drive 24 attached to it.
  • a control device 80 is provided for setting a load force with a predetermined value.
  • the control device 80 comprises a controller, which receives as input signal a difference between a target value of the load force and an actual value and generates an output signal which is used to control the slide 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 slide 22.
  • a particularly efficient drilling process can be implemented.
  • the determination of the dead weight of the drill string 30 before the start of the drilling process by lifting the drill string 30 from the bottom of the borehole enables an indirect determination of the load by measuring the additional retraction or pressure force actively applied to the drill string 30.

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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 Antreiben 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 6.
  • 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.
  • Zur Regelung eines Bohrvorgangs ist es von US 7,350,593 B1 auch bekannt, einen hydraulischen Druck auf ein Bohrgestänge nachzuregeln.
  • Eine gattungsgemäße Vorrichtung geht aus der WO 99/39078 A1 hervor.
  • 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 6 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 ist eine Kraftmessdose vorgesehen. Die Kraftmessdose ist bei einem Windenantrieb des Schlittens am Totseilende angeordnet.
  • 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.
  • Gemäß der Erfindung 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.
  • Gemäß der Erfindung weist die Steuereinrichtung einen PID-Regler auf. Dieser ist ausgebildet, 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 erfindungsgemäßen Vorrichtung;
    Fig. 2
    eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Windenantrieb als Schlittenantrieb;
    Fig. 3
    eine 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 (6)

  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,
    - einem Bohrwerkzeug (34) an einem unteren Ende des Bohrstrangs (30),
    - einem Schlittenantrieb (40) zum Verfahren des Schlittens (22) entlang des Mastes (20), wobei der Schlittenantrieb (40) einen Seilantrieb mit einer Seilwinde (46) und einem Hubseil (48) aufweist,
    - einer Steuereinrichtung (80) zum Steuern des Schlittenantriebs (40), und
    - einem Sensor (60) zum Bestimmen einer auf den Schlitten (22) aufgebrachten Rückzugskraft,
    - wobei die Steuereinrichtung (80) ausgebildet ist, ein Steuersignal an den Schlittenantrieb (40) auszugeben, durch welches eine Auflastkraft des Bohrstrangs (30) auf die Bohrlochsohle auf einen vorbestimmten Wert einstellbar ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass der Sensor (60) als eine Kraftmessdose ausgebildet ist, welche an einem Totseilende des Hubseils (48) am Mast (20) angeordnet ist,
    - dass die Steuereinrichtung (80) ausgebildet ist, basierend auf einer durch den Sensor (60) am Totseilende während dem Bohrvorgang ermittelten Rückzugskraft und/oder Andruckkraft und einem in einer Speichereinrichtung (70) gespeicherten Eigengewicht des Bohrstrangs (30) einen aktuellen Wert der Auflastkraft des Bohrstrangs (30) zu ermitteln,
    - dass die Steuereinrichtung (80) ausgebildet ist, während dem Bohrvorgang eine Differenz des aktuellen Werts der Auflastkraft und des vorbestimmten Werts der Auflastkraft als Regelabweichung einem PID-Regler zuzuführen, welcher ausgebildet ist, eine Stellgröße für den Schlittenantrieb (40) zu liefern, und
    - dass der PID-Regler ausgebildet ist, zwei bis einhundert Iterationsschritte pro Sekunde durchzuführen.
  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.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Schlittenantrieb (40) ausgebildet ist, den Bohrstrang (30) aktiv zur Bohrlochsohle zu drücken.
  6. Verfahren zum Erstellen einer Bohrung im Boden mit einer Vorrichtung (10), nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 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, wobei der Schlittenantrieb (40) einen Seilantrieb mit einer Seilwinde (46) und einem Hubseil (48) aufweist, und
    - einem Sensor (60), welcher eine auf den Schlitten (22) aufgebrachte Rückzugskraft bestimmt,
    - wobei 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,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass als Sensor (60) eine Kraftmessdose verwendet und an einem Totseilende des Hubseils (48) am Mast (20) angeordnet wird,
    - dass die Steuereinrichtung (80), basierend auf einer durch den Sensor (60) während dem Bohrvorgang ermittelten Rückzugskraft und/oder Andruckkraft und einem in einer Speichereinrichtung (70) gespeicherten Eigengewicht des Bohrstrangs (30), einen aktuellen Wert der Auflastkraft des Bohrstrangs (30) ermittelt und
    - dass die Steuereinrichtung (80), während dem Bohrvorgang eine Differenz des aktuellen Werts der Auflastkraft und des vorbestimmten Werts der Auflastkraft als Regelabweichung einem PID-Regler zuführt, welcher eine Stellgröße für den Schlittenantrieb (40) liefert und zwei bis hundert Iterationsschritte pro Sekunde durchführt.
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