EP3214260B1 - Verfahren zum einbringen einer bohrung in das erdreich und erdbohrvorrichtung sowie verwendung - Google Patents

Verfahren zum einbringen einer bohrung in das erdreich und erdbohrvorrichtung sowie verwendung Download PDF

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EP3214260B1
EP3214260B1 EP17000323.0A EP17000323A EP3214260B1 EP 3214260 B1 EP3214260 B1 EP 3214260B1 EP 17000323 A EP17000323 A EP 17000323A EP 3214260 B1 EP3214260 B1 EP 3214260B1
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EP
European Patent Office
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drill
drill head
pattern
detected
heads
Prior art date
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EP17000323.0A
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EP3214260A1 (de
Inventor
Hans-Joachim Bayer
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Tracto Technik GmbH and Co KG
Original Assignee
Tracto Technik GmbH and Co KG
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Publication date
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B47/00—Survey of boreholes or wells
    • E21B47/02—Determining slope or direction
    • E21B47/024—Determining slope or direction of devices in the borehole
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/04—Directional drilling
    • E21B7/046—Directional drilling horizontal drilling
    • 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
    • E21B47/02—Determining slope or direction
    • E21B47/022—Determining slope or direction of the borehole, e.g. using geomagnetism
    • E21B47/0228—Determining slope or direction of the borehole, e.g. using geomagnetism using electromagnetic energy or detectors therefor
    • 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
    • E21B47/09—Locating or determining the position of objects in boreholes or wells, e.g. the position of an extending arm; Identifying the free or blocked portions of pipes
    • E21B47/092—Locating or determining the position of objects in boreholes or wells, e.g. the position of an extending arm; Identifying the free or blocked portions of pipes by detecting magnetic anomalies

Definitions

  • the invention relates to a method for drilling a hole in the ground with two drill heads running towards one another and an earth drilling device with a drill head.
  • a mutually converging borehole in which a borehole is created in each case by means of two earth boring devices, which are aligned with one another in such a way that a continuous borehole is to result, i.e. the two boreholes meet at their respective target section (end point).
  • the hitherto achievable "accuracy" in drilling towards each other is low and associated with high costs.
  • a hitherto achievable "accuracy" of +/- 0.5 meters initially seems sufficient, but if the two bores do not meet congruently, it is not possible, for example, to insert a pipe into the resulting bore. Therefore, until now several, often three to eight, corrective bores have been required in the target section. Drilling towards each other is therefore time-consuming and costly.
  • the gyroscopic system in a drill head can be used to determine where the drill head is currently located.
  • Such a system is expensive and there is still a risk in the area of the target section with regard to the alignment of the two drill heads to one another on the same axis and level, so that this system is also associated with time and correction effort, which is also cost-intensive.
  • U.S. 2008/041626 A1 discloses drilling mutually parallel boreholes which are drilled simultaneously, with a magnetic field being generated and received in each case in the drill string and the geometric arrangement of the two drill strings being determined.
  • U.S. 2010/224415 A1 discloses a method and apparatus of U-shaped boreholes wherein first and second boreholes as legs of the U can be drilled simultaneously or sequentially. If the two boreholes are drilled at the same time, the success of the accuracy of the mutual drilling can be determined. To improve the accuracy, methods based on magnetism are described, such as a "magnetic guidance tool” or a “rotating magnet ranging system”.
  • the invention was based on the object of creating an improved method for drilling a hole in the ground with two drill heads running towards one another, which is simple in design and/or reduces the time and correction effort for a drilling towards one another.
  • a (partial) hole is first created in each case, which results in a continuous hole when the two (partial) holes meet.
  • an earth drilling device should be specified with which improved mutual drilling can be achieved.
  • the idea on which the invention is based is that at least one of the two drill heads detects the other drill head and, based on the detection of the other drill head, at least one of the two drill heads is adjusted in its advance direction in relation to the other drill head.
  • the basic idea is therefore that the location, position and/or alignment of the drill head is not primarily important for the success of the mutually converging drilling, but rather the location, position and/or alignment of the other drill head.
  • the alignment does not take place on the basis of a predetermined path that has to be reached, but rather on the basis of the recorded location, position and/or orientation of the other drill head, which is/was also moved to create the mutually-oriented bore.
  • the advancing direction of at least one of the two drill heads is adjusted using a non-static reference point outside of the at least one drilling head, which is a departure from the hitherto increasing accuracy method.
  • the invention provides a method for drilling a hole in the ground with two drill heads running towards each other according to claim 1.
  • one of the two drill heads is detected by means of a detection device on the other drill head and depending on the detected drill head, the direction of advance is at least one of the two Drill heads adjusted in relation to the other drill head. In this way it can be achieved that in response to the detection of the other drill head, the advancing direction can be adapted towards one another.
  • At least one of the two drill heads drilling towards each other is aligned with the other (moving or having performed a movement) of the two drill heads.
  • the term “drill head” includes a front area of a drill rod of an earth drilling device.
  • An “earth drilling device” is understood to mean, in particular, any device which moves a drill rod containing drill rod sections into a channel to be created in the ground in order to create or widen a bore, in particular a horizontal bore, or to pull lines or other long bodies into the ground.
  • the earth drilling device can in particular be an HD (horizontal drilling) device.
  • a “perforation device” comprises a device that drives a drill rod, which works in a soil-displacing manner, and the drill rod can be driven in rotation in the longitudinal axial direction of the drill rod at least over a partial angular range.
  • the term "HD" in the context of the present invention includes a bore that runs essentially horizontally or can be a bore that is inclined to the horizontal.
  • the drill head can in particular be a drill head in which nozzles are present, through which drilling fluid can be discharged into the ground in the area around the drill head.
  • a drilling fluid containing bentonite preferably in the form of particles, can be used.
  • the drilling fluid may be pressurized to allow the pressurized drilling fluid to exit nozzles on the drill bit.
  • the soil in the area around the drill head can be loosened by means of the drilling fluid.
  • the drilling fluid escaping from the drill head, which can be pressurized, can loosen the soil.
  • the earth drilling device can have a corresponding pump for applying the drilling fluid.
  • the drill pipe which connects the earth drilling device to the drill head, can have a channel through which the drilling fluid can be drawn, for example from a storage container, which can be arranged in particular above ground, is transported to the drilling head.
  • the detection unit is designed in such a way that it enables electromagnetic radiation to be emitted and received.
  • the detection unit can be part of a unit for transmitting and receiving electromagnetic radiation.
  • the detection unit can also be separate from a unit for transmitting and receiving electromagnetic radiation.
  • Electrical radiation within the meaning of the invention includes any electromagnetic wave, in particular radar waves, so that the detection unit can be designed as a radar.
  • the outer contour of other objects in the ground can be detected in a simple manner by means of a radar.
  • the shape and position of another drill head can be detected with a radar antenna because the other drill head is easily recognizable due to the hard reflection on the metal.
  • the distance to the other of the two drill heads can be easily determined.
  • the front contour of the other drill head can be determined.
  • at least one of the following parameters, which describe the position of the front contour, of the other drill head can be recorded: Inclination (pitch), roll (tools face position), axis (level and lateral alignment).
  • Inclination pitch
  • roll tool face position
  • axis level and lateral alignment
  • one of the two drill heads after the other drill head has been slowly retracted, can move precisely and without deviations into the bore of the retracting drill head and, in particular, can travel through it.
  • a joint borehole expansion and a joint pipe or cable pull-in can be made possible.
  • long boreholes can be made possible, which can be drilled with relatively small earth drilling devices—and therefore inexpensively.
  • the rock loosening zone in front of the drill head is detected by means of the detection unit.
  • rock loosening zone includes an area in front of the drill head in which drilling fluid escaping from the drill head loosens the soil in front of the drill head.
  • the drilling fluid can exit the drill head by means of nozzles configured in the drill head.
  • the drilling fluid can be pressurized so that there is a (high) pressure drilling fluid and a Rock loosening zone is formed in front of the drill head.
  • a hydro-mechanical performance component during tunneling in loose rock is addressed, into which the mechanical component can then penetrate more easily.
  • the area of the rock loosening zone ie a hydromechanical loosening zone, is usually in the range of a few centimeters, in particular 7 to 17 centimeters, preferably 10 centimeters to 15 centimeters.
  • radar waves detect foreign bodies, differences in density in the ground through reflection (return of the wave signals), which means that they can also identify the location of former service trenches, can depict clay deposits and clay horizons, can identify the surface of the groundwater and can, for example, be detected by particularly hard reflection of metal deposits ( metal pipes; foreign drilling rods) precisely.
  • another drill head such as the one approaching the drill head here when drilling towards one another, can be recorded "razor-sharp", which means that the contour can be imaged and the distance from the drill head can be determined.
  • a pattern detected by one of the two drill heads is compared with a reference pattern.
  • the term "pattern" within the meaning of the invention includes a contour of the detected drill head, the contour containing in particular the drill head front of the drill head.
  • the reference pattern is a pattern stored in memory which describes the other drill head being detected in a predetermined position or positions.
  • a computer unit in the form of a (mini) computer or another unit, which processes data using programmable rules, can be provided in addition to or integrated in the detection unit. Provision can be made for the detection unit to be designed in such a way that the pattern can be formed by the detection unit from the reflected signals and can be compared with at least one of the patterns stored in the memory.
  • the data of the acquisition unit are transmitted to a unit arranged in the drill string or to a unit arranged above the ground, wherein the unit in the drill string or unit arranged above the ground can have the computer unit.
  • the unit can be the machine control station of the earth drilling device.
  • the term "above ground” also includes placement in a launch or target pit.
  • Software for pattern recognition is installed on the computer unit, with which the pattern from the recorded drill head is compared with one or more comparison patterns become. In this way, the recorded drill head can be precisely located and lateral and/or height deviations can be determined. The direction of advance of at least one of the two drilling heads is adjusted if predetermined deviations between the detected sample and the reference sample(s) are exceeded.
  • An adjustment can then be carried out automatically or by the machine operator in one of the two earth drilling directions, in that the exceeding of the predetermined deviation is transmitted to the machine control station and corrected by the machine operator using counter-control commands on an orientation unit, or an automatic control (e.g. based on fuzzy logic) corresponding counter-control commands generated without human intervention and transmitted to an orientation unit of the machine control station.
  • an automatic control e.g. based on fuzzy logic
  • the two drill heads can be aligned towards one another. Both drill heads can thus experience an approximation and optimization with regard to drilling towards one another.
  • the method according to the invention can thus be implemented not only in that one of the two drill heads has a detection unit, but both.
  • the invention also provides an earth boring device comprising a boring head according to claim 4.
  • the invention also provides a use of a detection unit in a drill head according to claim 5.
  • the drill heads 1, 2 are connected to a drill rod 3 or drill string, which consists of a large number of rod sections connected to one another.
  • the rod sections are connected to each other according to the course of the drilling.
  • the drill heads 1, 2 are advanced by means of the drill rod 3 by a drive device 4 arranged on the earth's surface and are (temporarily) driven in rotation.
  • the rotating drive serves to improve propulsion of the drill heads 1, 2 in the ground and on the other hand, a control function is achieved in connection with the formation of at least one of the two drill heads 1, 2 as an inclined drill head.
  • the drill head 1, 2 designed as an inclined drill head When the drill head 1, 2 designed as an inclined drill head is pushed forward through the ground, the inclined surface of the drill head 1, 2 produces a deflection, the effect of which is balanced over a complete revolution of the drill head 1, 2. If the drill heads 1, 2 designed as oblique drilling heads are driven in continuous rotation during the advance, the earth drilling device drills straight ahead.
  • the Erdbohrvorraum is reversed by the drill heads 1, 2 being stopped in a defined alignment, ie a specific position of the inclined surface of the drill heads 1, 2 (the so-called "roll angle") and being advanced further at the same time.
  • the deflection caused by the inclined surface then leads to an arcuate course of the drill. This continues until the desired new drilling direction is reached.
  • the rotary drive is then switched on again to continue drilling straight ahead.
  • each of the two drill heads 1, 2 has a radar unit 5 which is arranged behind or in the inclined surface of the drill heads 1, 2. This defines a detection range that (partially) precedes the drill head 1 , 2 .
  • the drill heads 1 , 2 each have a detection unit 6 functionally connected to the radar unit 5 .
  • the radar unit 5 can be a radar designed as a combined front and side radar, which emits bundled electromagnetic waves as a primary signal and receives the signals reflected from objects as secondary signals.
  • the detection unit 6 evaluates the reflected (secondary) signals from the radar unit 5 in order to obtain information about the objects, with the outer contour of the detected objects being determined in particular.
  • the radar waves reflected from the drill head front of the respective other drill head 1, 2 can be evaluated using pattern recognition software installed in a computer unit 7 in the respective drill head 1, 2.
  • the inclination, roll, lateral deviation and/or height deviation of the other drill head 1, 2 can be detected by means of the pattern recognition software.
  • One or more reference patterns for the drill head 1, 2 are stored in the memory of the computer unit 7 for comparison purposes.
  • the direction of advance of at least one of the two drill heads 1, 2 is adjusted when a predetermined deviation between the detected pattern and the reference pattern(s) is exceeded.
  • two adjustments are possible.
  • an automatic adjustment can be carried out by reacting to the comparison of the computer unit 7 commands are generated, which are transmitted to the machine control station of the earth drilling device (drive device 4) in order to adapt the advance direction to an orientation unit 8 of the drive device 4 of at least one of the two drilling heads 1, 2.
  • the adjustment can be shown on a display of the drive device 4 .

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen einer Bohrung in das Erdreich mit zwei aufeinander zulaufenden Bohrköpfen sowie eine Erdbohrvorrichtung mit einem Bohrkopf.
  • Es ist eine Aufeinander-zu-Bohrung bekannt, bei der mittels zweier Erdbohrvorrichtungen jeweils eine Bohrung erstellt wird, die so zueinander ausgerichtet sind, dass sich eine durchgängige Bohrung ergeben soll, die beiden Bohrungen sich also an ihrem jeweiligen Zielabschnitt (Endpunkt) treffen. Die bisher erreichbare "Treffsicherheit" in der Aufeinander-zu Bohrung ist dabei gering und mit hohen Kosten verbunden. Eine bisher erreichbare "Treffsicherheit" von +/- 0,5 Meter erscheint zunächst ausreichend, aber sofern sich die beiden Bohrungen nicht deckungsgleich treffen, kann beispielsweise kein Rohr in die sich ergebende Bohrung eingeschoben werden. Daher sind bisher mehrere, oft drei bis acht, Korrekturbohrungen im Zielabschnitt erforderlich. Das Aufeinander-zu-Bohren ist daher zeitaufwendig und kostenaufwändig.
  • Zur Erhöhung der Treffsicherheit wurde bisher zum einen vorgeschlagen, eine Ortung der Bohrköpfe unter Ausnutzung starker künstlicher Magnetfelder und/oder künstlicher magnetischer Zielpunkte (sogenannte "beacons" für den Landeinsatz und "benchmarks" für den Unterwassereinsatz) durchzuführen. Das Vorsehen der künstlichen Magnetfelder oder künstlichen magnetischen Zielpunkte erfordert eine weitere Maßnahme, die im Vorfeld der Bohrung durchgeführt werden muss. Die künstlichen Magnetfelder beziehungsweise künstlichen magnetischen Zielpunkte müssen an vorbestimmten Stellen eingebracht werden, welches auch aufwendig ist. Zudem müssen die künstlichen Magnetfelder und/oder magnetischen Zielpunkte unter Umständen wieder aus dem Erdreich entfernt werden. Zum anderen wurde bisher vorgeschlagen, eine jeweilige Ortung der zwei verwendeten Bohrköpfe mittels geeigneter Systeme, beispielsweise einem hochpräzisen optischen Kreiselsystem, durchzuführen. Mit dem Kreiselsystem in einem Bohrkopf kann bestimmt werden, wo sich der Bohrkopf derzeit befindet. Ein derartiges System ist teuer und gerade im Bereich des Zielabschnitts verbleibt hierbei ein Risiko hinsichtlich der achs- und niveaugleichen Ausrichtung der beiden Bohrköpfe zueinander, so dass auch dieses System mit Zeit- und Korrekturaufwand, der zudem kostenintensiv ist, verbunden ist.
  • US 2008/041626 A1 offenbart ein Bohren von zueinander parallelen Bohrlöchern, die gleichzeitig gebohrt werden, wobei im Bohrstrang jeweils ein magnetisches Feld erzeugt und empfangen wird und die geometrische Anordnung der beiden Bohrstränge ermittelt wird.
  • US 2010/224415 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung von U-förmigen Bohrlöchern, wobei ein erstes und ein zweites Bohrloch als Schenkel des U gleichzeitig oder nacheinander gebohrt werden können. Sofern die beiden Bohrlöcher gleichzeitig gebohrt werden, so kann der Erfolg der Genauigkeit des Aufeinander-Zu-Bohrens ermittelt werden. Zur Verbesserung der Genauigkeit werden auf Magnetismus beruhende Verfahren beschreiben, wie beispielsweise ein "Magnetic guidance tool" oder ein "rotating magnet ranging system".
  • Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Einbringen einer Bohrung in das Erdreich mit zwei aufeinander zulaufenden Bohrköpfen zu schaffen, welches einfach aufgebaut ist und/oder den Zeit- und Korrekturaufwand bei einer Aufeinander-zu-Bohrung verringert. Mit den aufeinander zu laufenden Bohrköpfen wird jeweils zunächst eine (Teil-)Bohrung erstellt, die beim Aufeinandertreffen der beiden (Teil-)Bohrungen eine durchgehende Bohrung ergibt. Ferner sollte eine Erdbohrvorrichtung angegeben werden, mit der ein verbessertes Aufeinander-zu-Bohren erreichbar ist.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Idee liegt darin, dass mindestens einer der beiden Bohrköpfe den anderen Bohrkopf erfasst und aufgrund der Erfassung des anderen Bohrkopfes mindestens einer der beiden Bohrköpfe in Bezug auf den anderen Bohrkopf in seiner Vortriebsrichtung angepasst wird. Der Grundgedanke geht damit davon aus, dass für das Gelingen der Aufeinander-zu-Bohrung primär nicht die eigene Lage, Position und/oder Ausrichtung des Bohrkopfes von Bedeutung ist, sondern die Lage, Position und/oder Ausrichtung des anderen Bohrkopfes. Die Ausrichtung erfolgt nicht anhand einer vorbestimmten Bahn, die es zu erreichen gilt, sondern anhand der erfassten Lage, Position und/oder Ausrichtung des anderen Bohrkopfes, der zum Erstellen der Aufeinander-zu-Bohrung ebenfalls bewegt wird/wurde. Die Anpassung der Vortriebsrichtung mindestens eines der beiden Bohrköpfe erfolgt damit anhand eines nicht statischen Bezugspunkts außerhalb des mindestens einen Bohrkopfs, welches eine Abkehr von der bisher die Treffsicherheit erhöhenden Verfahren ist.
  • Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Einbringen einer Bohrung in das Erdreich mit zwei aufeinander zulaufenden Bohrköpfen gemäß Anspruch 1. Bei dem Verfahren wird einer der beiden Bohrköpfe mittels einer Erfassungseinrichtung am anderen Bohrkopf erfasst und in Abhängigkeit von dem erfassten Bohrkopf wird die Vortriebsrichtung mindestens eines der beiden Bohrköpfe in Bezug auf den anderen Bohrkopf angepasst. Hierdurch kann erreicht werden, dass in Reaktion auf die Erfassung des anderen Bohrkopfes die Anpassung der Vortriebsrichtung aufeinander zu durchgeführt werden kann. Zumindest einer der beiden aufeinander-zu-bohrenden Bohrköpfe wird am anderen (sich bewegenden oder eine Bewegung ausgeführt habenden) der beiden Bohrköpfe ausgerichtet.
  • Der Begriff "Bohrkopf" umfasst im Sinne der Erfindung einen vorderseitigen Bereich eines Bohrgestänges einer Erdbohrvorrichtung. Unter einer "Erdbohrvorrichtung" wird insbesondere jede Vorrichtung verstanden, welche ein Bohrgestängeschüsse aufweisendes Bohrgestänge in einen zu erstellenden Kanal im Erdreich bewegt, um eine Bohrung, insbesondere eine Horizontalbohrung, zu erstellen oder aufzuweiten oder um Leitungen oder andere lange Körper in das Erdreich einzuziehen. Bei der Erdbohrvorrichtung kann es sich insbesondere um eine HD-Vorrichtung (horizontal drilling, Horizontalbohrung) handeln. Eine erfindungsgemäße "Erbohrvorrichtung" umfasst eine ein Bohrgestänge antreibende Vorrichtung, die erdreichverdrängend arbeitet, und das Bohrgestänge zumindest über einen Teilwinkelbereich drehend in längsachsialer Richtung des Bohrgestänges angetrieben werden kann. Der Begriff "HD" im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst eine Bohrung, die im Wesentlichen horizontal verläuft oder eine zur Horizontalen geneigte Bohrung sein kann.
  • Bei dem Bohrkopf kann es sich insbesondere um einen Bohrkopf handeln, in dem Düsen vorhanden sind, durch die Bohrflüssigkeit in den Bereich um den Bohrkopf in das Erdreich ausgebracht werden kann. Insbesondere kann eine Bohrflüssigkeit verwendet werden, die Bentonit, bevorzugt in Form von Partikeln, enthält. Die Bohrflüssigkeit kann mit Druck beaufschlagt werden, so dass die mit Druck beaufschlagte Bohrflüssigkeit aus den Düsen am Bohrkopf austreten kann. Mittels der Bohrflüssigkeit kann eine Lockerung des Erdreichs im Bereich um den Bohrkopf erfolgen. Die aus dem Bohrkopf austretende Bohrflüssigkeit, die mit Druck beaufschlagt sein kann, kann das Erdreich lockern. Die Erdbohrvorrichtung kann zur Beaufschlagung der Bohrflüssigkeit eine entsprechende Pumpe aufweisen. Zur Zuleitung der Bohrflüssigkeit zum Bohrkopf kann das Bohrgestänge, welches die Erdbohrvorrichtung mit dem Bohrkopf verbindet, einen Kanal aufweisen, über den die Bohrflüssigkeit beispielsweise von einem Vorratsbehälter, der insbesondere über Tage angeordnet sein kann, zum Bohrkopf transportiert wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Erfassungseinheit derart ausgestaltet, dass diese ein Aussenden und Empfangen von elektromagnetischer Strahlung ermöglicht. Die Erfassungseinheit kann Teil einer Einheit zum Aussenden und Empfangen elektromagnetischer Strahlung sein. Die Erfassungseinheit kann auch separat zu einer Einheit zum Aussenden und Empfangen von elektromagnetischer Strahlung sein. "Elektromagnetische Strahlung" im Sinne der Erfindung umfasst jedwede elektromagnetische Welle, insbesondere Radarwellen, so dass die Erfassungseinheit als ein Radar ausgebildet sein kann. Mittels eines Radars kann in einfacher Weise die äußere Kontur von anderen Objekten im Erdreich erfasst werden. Insbesondere kann mit einer Radarantenne die Form und Lage eines anderen Bohrkopfes erfasst werden, weil durch die harte Reflektion am Metall des anderen Bohrkopfes dieser leicht erkennbar ist. Insbesondere kann der Abstand zum anderen der beiden Bohrköpfe leicht ermittelt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform kann insbesondere die Frontkontur des anderen Bohrkopf ermittelt werden. Hierzu kann mindestens einer der nachfolgenden, die Lage der Frontkontur beschreibenden Parameter des anderen Bohrkopfs erfasst werden: Neigung (pitch), Verrollung (toolsface position), Achse (Niveau- und Seitenangleichung). Die Erfassung mindestens eines der vorstehenden Parameter ermöglicht ein genaues Aufeinander-zu-Bohren, indem ein achs- und lagegenaues aufeinander Zulaufen möglich ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform kann einer der beiden Bohrköpfe nach langsamem Zurückfahren des anderen, genau und ohne Abweichungen in die Bohrung des zurückfahrenden Bohrkopfs einfahren und diese insbesondere durchfahren. Hierdurch kann eine gemeinsame Bohrlochaufweitung und ein gemeinsamer Rohr- oder Kabeleinzug ermöglicht werden. Beispielsweise können hierdurch lange Bohrungen ermöglich werden, die mit relativ kleinen Erdbohrvorrichtungen - und damit kostengünstig - gebohrt werden können.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird mittels der Erfassungseinheit die Gesteinslösungszone vor dem Bohrkopf erfasst.
  • Der Begriff "Gesteinslösezone" umfasst einen Bereich vor dem Bohrkopf, bei dem eine aus dem Bohrkopf austretende Bohrflüssigkeit eine Lockerung des vor dem Bohrkopf befindlichen Erdreichs bewirkt. Die Bohrflüssigkeit kann mittels im Bohrkopf ausgestalteten Düsen aus dem Bohrkopf austreten. Die Bohrflüssigkeit kann mit einem Druck beaufschlagt werden, so dass es zu einer (Hoch-) Druckbohrspülung kommt und eine Gesteinslösezone vor dem Bohrkopf ausgebildet wird. Es wird ein hydromechanischer Leistungsanteil beim Vortrieb im Lockergestein angesprochen, in den der mechanische Anteil dann leichter vordringen kann. Üblicherweise liegt der Bereich der Gesteinslösezone, das heißt eine hydromechanische Lockerungszone, im Bereich von einigen Zentimetern, insbesondere 7 bis 17 Zentimeter, bevorzugt 10 Zentimeter bis 15 Zentimeter vor. Obwohl in der Gesteinslösezone vor dem Bohrkopf aufgrund der verwendeten Bohrflüssigkeit, die insbesondere Bentonit in Form von Bentonitpartikeln enthalten kann, davon ausgegangen wurde, dass eine Erfassung eines der beiden Bohrköpfe mittels des anderen Bohrkopfes schwierig sein könnte, da die Bentonitpartikel eine Abschirmung bewirken könnten, ist es dennoch möglich, den Bohrkopf erfindungsgemäß zu erfassen. Insbesondere mittels elektromagnetischer Strahlung, bevorzugt Radarwellen, ist ein Eindringen in den Bereich vor und seitlich des Bohrkopfes bis zu mehreren Dezimetern bis mehreren Metern möglich. Insbesondere Radarwellen erfassen durch Reflektion (Rücklauf der Wellensignale) Fremdkörper, Dichteunterschiede im Boden, wodurch diese somit auch die Lage ehemaliger Leitungsgräben erkennen können, können Toneinlagerungen und Tonhorizonte abbilden, können die Oberfläche des Grundwassers erkennen und können zum Beispiel durch besonders harte Reflektion von Metalleinlagerungen (Metallrohre; fremdes Bohrgestänge) genau erkennen. Insbesondere ein anderer Bohrkopf, wie hier beim Aufeinander-zu-Bohren auf den Bohrkopf zukommt, lässt sich "messerscharf" erfassen, wodurch zum einen die Kontur abgebildet, als auch die Entfernung des Bohrkopfs bestimmt werden kann.
  • Es wird ein von dem einen der beiden Bohrköpfe erfasstes Muster mit einem Vergleichsmuster verglichen. Der Begriff "Muster" im Sinne der Erfindung umfasst eine Kontur des erfassten Bohrkopfs, wobei die Kontur insbesondere die Bohrkopffront des Bohrkopfs beinhaltet. Das Vergleichsmuster ist ein in einem Speicher abgelegtes Muster sein, welches den anderen Bohrkopf, der erfasst wird, in einer vorbestimmten Position oder vorbestimmten Positionen beschreibt. Es kann insbesondere zusätzlich oder integriert in der Erfassungseinheit eine Rechnereinheit, in Form eines (Mini-)Computers oder einer anderen Einheit, vorgesehen sein, die mittels programmierbarer Vorschriften Daten verarbeitet. Es kann vorgesehen sein, dass die Erfassungseinheit derart ausgestaltet ist, dass das Muster von der Erfassungseinheit aus den reflektierten Signalen gebildet und mit mindestens einem von im Speicher abgelegten Mustern vergleichen werden kann. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Daten der Erfassungseinheit zu einer im Bohrstrang oder zu einer oberhalb des Erdreichs angeordneten Einheit übermittelt werden, wobei die Einheit im Bohrstrang bzw. oberhalb des Erdreichs angeordnete Einheit die Rechnereinheit aufweisen kann. Die Einheit kann der Maschinenleitstand der Erdbohrvorrichtung sein. Der Begriff "oberhalb des Erdreichs" umfasst auch die Anordnung in einer Start- oder Zielgrube. Auf der Rechnereinheit ist eine Software zur Mustererkennnung installiert, mit der Muster von dem erfassten Bohrkopf mit einem oder mehreren Vergleichsmustern verglichen werden. Damit kann der erfasste Bohrkopf lagegenau geortet und Seiten- und/oder Höhenabweichungen ermittelt werden. Die Vortriebsrichtung mindestens eines der beiden Bohrköpfe wirdangepasst, wenn vorbestimmte Abweichungen zwischen dem erfassten Muster und dem oder den Vergleichsmuster(n) überschritten werden. Es kann dann eine automatische oder durch den Maschinenführer einer der beiden Erdbohrrichtungen initiierte Anpassung durchgeführt werden, indem das Überschreiten der vorbestimmten Abweichung an den Maschinenleitstand übertragen und vom Maschinenführer durch Gegensteuerbefehle an einer Orientierungseinheit korrigiert wird oder eine Automatiksteuerung (z.B. auf Fuzzylogik-Basis) entsprechende Gegensteuerbefehle ohne menschliches Zutun generiert und an eine an eine Orientierungseinheit des Maschinenleitstands übermittelt wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform können die beiden Bohrköpfe aufeinander zu ausgerichtet werden. Beide Bohrköpfe können damit eine Annäherung und Optimierung hinsichtlich des Aufeinander-zu-Bohrens erfahren. Das erfindungsgemäße Verfahren kann damit nicht nur dadurch realisiert werden, dass einer der beiden Bohrköpfe eine Erfassungseinheit aufweist, sondern beide.
  • Die Erfindung schafft auch eine Erdbohrvorrichtung mit einem Bohrkopf gemäß Anspruch 4.
  • Die Erfindung schafft auch eine Verwendung einer Erfassungseinheit in einem Bohrkopf gemäß Anspruch 5.
  • Die vorstehenden Ausführungen stellen ebenso wie die nachfolgende Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen keinen Verzicht auf bestimmte Ausführungsformen oder Merkmale dar.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Zeichnung
    • Fig. 1
    zeigt ein Einbringen einer Bohrung in das Erdreich mit zwei aufeinander zulaufenden Bohrköpfen.
  • Fig. 1 zeigt ein Einbringen einer Bohrung in das Erdreich mittels zweier Bohrköpfe 1, 2. Die Bohrköpfe 1, 2 sind mit einem Bohrgestänge 3 bzw. Bohrstrang verbunden, das bzw. der aus einer Vielzahl miteinander verbundener Gestängeschüsse besteht. Dem Bohrverlauf entsprechend werden die Gestängeschüsse miteinander verbunden. Die Bohrköpfe 1, 2 werden mittels des Bohrgestänges 3 von einer an der Erdoberfläche angeordneten Antriebsvorrichtung 4 vorgetrieben und (temporär) rotierend angetrieben. Der rotierende Antrieb dient zum einen der Verbesserung des Vortriebs der Bohrköpfe 1, 2 im Erdreich und zum anderen wird dadurch in Verbindung mit der Ausbildung mindestens eines der beiden Bohrköpfe 1, 2 als Schrägbohrkopf eine Steuerungsfunktion erreicht. Bei dem Vorschieben des als Schrägbohrkopf ausgestalteten Bohrkopfs 1, 2 durch das Erdreich erzeugt die Schrägfläche des Bohrkopfs 1, 2 eine Ablenkung, deren Wirkung sich über einer vollständigen Umdrehung des Bohrkopfs 1, 2 ausgleicht. Werden die als Schrägbohrköpfe ausgestalteten Bohrköpfe 1, 2 demnach während des Vorschubs kontinuierlich rotierend angetrieben, bohrt die Erdbohrvorrichtung geradeaus. Ein Umsteuern der Erdbohrvorrichtung erfolgt, indem die Bohrköpfe 1, 2 in einer definierten Ausrichtung, d. h. einer bestimmten Lage der Schrägfläche der Bohrköpfe 1, 2 (der sogenannte "Rollwinkel") gestoppt wird und gleichzeitig weiter vorgeschoben wird. Die durch die Schrägfläche bewirkte Ablenkung führt dann zu einem bogenförmigen Bohrverlauf. Dieser wird fortgesetzt, bis die gewünschte neue Bohrrichtung erreicht ist. Daraufhin wird der Rotationsantrieb wieder zugeschaltet, um weiter geradeaus zu bohren.
  • In dem in der Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist jeder der beiden Bohrköpfe 1, 2 eine Radareinheit 5 auf, die hinter bzw. in der Schrägfläche der Bohrköpfe 1, 2 angeordnet ist. Dadurch wird ein Erfassungsbereich definiert, der (teilweise) dem Bohrkopf 1, 2 vorauseilt. Die Bohrköpfe 1, 2 weisen jeweils eine mit der Radareinheit 5 funktionell verbundene Erfassungseinheit 6 auf.
  • Bei der Radareinheit 5 kann es sich um ein als kombiniertes Front- und Seitenradar ausgestaltetes Radar handeln, welches elektromagnetische Wellen gebündelt als Primärsignal aussendet und die von Objekten reflektierten Signale als Sekundärsignale empfängt.
  • Die Erfassungseinheit 6 wertet die reflektierten (Sekundär-)Signale der Radareinheit 5 aus, um Informationen über die Objekte zu erhalten, wobei insbesondere die äußere Kontur der erfassten Objekte ermittelt wird. Hierdurch können insbesondere die von der Bohrkopffront des jeweils anderen Bohrkopfs 1, 2 reflektierten Radarwellen, die mittels einer Mustererkennungssoftware, die in einer Rechnereinheit 7 im jeweiligen Bohrkopf 1, 2 installiert ist, ausgewertet werden. Mittels der Mustererkennungssoftware kann die Neigung, Verrollung, Seitenabweichung und/oder Höhenabweichung des anderen Bohrkopfs 1, 2 erfasst werden. Für den Vergleich ist im Speicher der Rechnereinheit 7 ein oder mehrere Vergleichsmuster für den Bohrkopf 1, 2 abgespeichert.
  • Die Vortriebsrichtung mindestens eines der beiden Bohrköpfe 1, 2 wird angepasst, wenn eine vorbestimmte Abweichung zwischen dem erfassten Muster und dem oder den Vergleichsmuster(n) überschritten wird. Mit der in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsform sind zwei Anpassungen möglich. Zum einen kann eine automatische Anpassung durchgeführt werden, indem in Reaktion auf den Vergleich der Rechnereinheit 7 Befehle generiert werden, die an den Maschinenleitstand der Erdbohrvorrichtung (Antriebsvorrichtung 4) übermittelt werden, um die Vortriebsrichtung an einer Orientierungseinheit 8 der Antriebsvorrichtung 4 mindestens eines der beiden Bohrköpfe 1, 2 anzupassen. Die Anpassung kann auf einem Display der Antriebsvorrichtung 4 angezeigt werden. Es ist aber auch möglich, dass das Ergebnis des Vergleichs - ohne automatische Anpassung - einem Maschinenführer der Antriebsvorrichtung 4 eines der beiden Bohrköpfe 1, 2 beispielsweise auf einem Display der Antriebsvorrichtung 4 angezeigt wird, und dass der Maschinenführer selbst mittels einer Orientierungseinheit 8 die Anpassung der Vortriebsrichtung vornimmt.

Claims (5)

  1. Verfahren zum Einbringen einer Bohrung in das Erdreich mit zwei aufeinander zulaufenden Bohrköpfen (1, 2), umfassend die Schritte: Erfassen eines der beiden Bohrköpfe (1, 2) mittels einer Erfassungseinheit (6) am anderen Bohrkopf (1, 2) und Anpassen der Vortriebsrichtung mindestens eines der Bohrköpfe (1, 2) in Bezug auf den anderen Bohrkopf (1, 2), wobei ein von einem der beiden Bohrköpfe (1, 2) erfasstes Muster mit einem Vergleichsmuster verglichen wird, wobei das Vergleichsmuster ein in einem Speicher abgelegtes Muster ist, welches den Bohrkopf, der erfasst wird, in einer vorbestimmten Position oder vorbestimmten Positionen beschreibt, und die Neigung, Verrollung, Seitenabweichung und/oder Höhenabweichung des erfassten Bohrkopfs erfasst wird, und die Vortriebsrichtung mindestens eines der beiden Bohrköpfe (1, 2) bei Überschreiten einer vorbestimmten Abweichung zwischen dem erfassten Muster und dem Vergleichsmuster angepasst wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Aussenden und Empfangen von elektromagnetischer Strahlung mittels der Erfassungseinheit (6).
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Ausrichten der beiden Bohrköpfe (1, 2) aufeinander zu.
  4. Erdbohrvorrichtung mit einem ersten Bohrkopf (1, 2) aufweisend eine Erfassungseinheit (6), wobei die Erfassungseinheit (6) zum Ermitteln einer äußeren Kontur eines erfassten Objekts als Muster ausgestaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Erdbohrvorrichtung zum Einbringen einer Aufeinander-zu-Bohrung mit dem ersten Bohrkopf (1, 2) und einem zweiten Bohrkopf (1, 2) ausgestaltet ist, wobei eine Rechnereinheit (7) vorhanden ist, auf der eine Software zur Mustererkennung installiert ist, mittels derer das von der Erfassungseinheit (6) erfasste Muster mit einem Vergleichsmuster vergleichbar ist, wobei das Vergleichsmuster ein in einem Speicher abgelegtes Muster ist, welches den zweiten Bohrkopf, der erfasst wird, in einer vorbestimmten Position oder vorbestimmten Positionen beschreibt, und die Neigung, Verrollung, Seitenabweichung und/oder Höhenabweichung des erfassten, zweiten Bohrkopfs erfasst wird, wobei mittels der einer Orientierungseinheit (8) mindestens einer der beiden Bohrköpfe (1, 2) mit seiner Vortriebsrichtung zum anderen Bohrkopf (1, 2) bei Überschreiten einer vorbestimmten Abweichung zwischen dem erfassten Muster und dem Vergleichsmuster anpassbar ist.
  5. Verwendung einer Erfassungseinheit (6) in einem Bohrkopf (1, 2), der eine Bohrung in Erdreich erstellen kann, wobei die Erfassungseinheit (6) dazu verwendet wird, einen weiteren Bohrkopf (1, 2) zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinheit für ein Aufeinander-zu-Bohren des Bohrkopfs (1, 2) und des weiteren Bohrkopfs (1, 2) verwendet wird, wobei ein von der Erfassungseinheit (6) erfasstes Muster mit einem Vergleichsmuster verglichen wird, wobei das Vergleichsmuster ein in einem Speicher abgelegtes Muster ist, welches den weiteren Bohrkopf, der erfasst wird, in einer vorbestimmten Position oder vorbestimmten Positionen beschreibt, und die Neigung, Verrollung, Seitenabweichung und/oder Höhenabweichung des erfassten Bohrkopfs erfasst und verwendet wird, die Vortriebsrichtung eines der beiden Bohrköpfe (1, 2) in Bezug auf den anderen der beiden Bohrköpfe (1, 2) mittels einer Orientierungseinheit (8) bei Überschreiten einer vorbestimmten Abweichung zwischen dem erfassten Muster und dem Vergleichsmuster auszurichten.
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