EP3385495B1 - Arbeitsmaschine zum durchführen von bohrarbeiten - Google Patents

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EP3385495B1
EP3385495B1 EP17205701.0A EP17205701A EP3385495B1 EP 3385495 B1 EP3385495 B1 EP 3385495B1 EP 17205701 A EP17205701 A EP 17205701A EP 3385495 B1 EP3385495 B1 EP 3385495B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
kelly
working machine
vibration
machine according
kelly bar
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP17205701.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3385495A1 (de
Inventor
Dr. Nicola SCHLATTER
Dr. Patrick JUSSEL
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.)
Liebherr Werk Nenzing GmbH
Original Assignee
Liebherr Werk Nenzing GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Liebherr Werk Nenzing GmbH filed Critical Liebherr Werk Nenzing GmbH
Publication of EP3385495A1 publication Critical patent/EP3385495A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3385495B1 publication Critical patent/EP3385495B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B17/00—Drilling rods or pipes; Flexible drill strings; Kellies; Drill collars; Sucker rods; Cables; Casings; Tubings
    • E21B17/02—Couplings; joints
    • E21B17/04—Couplings; joints between rod or the like and bit or between rod and rod or the like
    • E21B17/07—Telescoping joints for varying drill string lengths; Shock absorbers
    • 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

Definitions

  • Generic machines are used, for example, to drill holes for pillars in an underground.
  • the Kelly rods used make it possible to drill holes of different depths.
  • DE 198 13 902 C1 discloses a method for monitoring the intended behavior of individual tubes of a telescopic boring bar (Kelly bar) when pulling up the pulled-apart tubes, in which a holding force is measured and compared with a theoretical tensile force.
  • the object of the invention is therefore to provide a work machine which supports the driver or the operator of the work machine when adjusting the Kelly bar, for example when lowering and also when lifting the same.
  • the device can be designed to provide the driver with information as to when jamming or dragging of Kelly elements occurs when lowering or lifting. If necessary, the process can be stopped automatically.
  • this object is achieved by a work machine according to the preamble of claim 1, a regulation / control being provided which is set up to generate an output signal as a function of the detected vibration signals.
  • the output signal can be the indication that jamming or entrainment of Kelly elements has been detected.
  • the output signal can alternatively or additionally be a regulating / control signal which, for example, stops the adjustment process of the Kelly bar.
  • the output signal can include information about the Kelly bar, such as its telescoped length or the weight force introduced from the Kelly bar into the drilling table or into the Kelly cushioning.
  • the output signal can thus include information about parameters of a model of the Kelly bar.
  • the detection of the vibration signals advantageously enables a significantly faster procedure than would be the case, for example, when comparing forces in a quasi-static state of the working machine or the drilling device.
  • the Kelly bar can be raised or lowered at high speed, with braking not being necessary. This can accelerate the work process accordingly.
  • vibrations can be introduced into the drilling device, which can be used to calculate and output a corresponding output signal.
  • the evaluation of the vibration signals that can be carried out by means of the working machine is independent of the drilling tool and also of the material in the drilling tool.
  • the device according to the invention can also be used as a general scanner, for example to assist in the automated learning or detection of a Kelly rod geometry.
  • the state of the kelly damping can be checked in reverse by means of the work machine according to the invention by long-term observation and corresponding storage of output signals.
  • the working machine makes it possible to record information about the Kelly bar when lowering and lifting the Kelly bar and to use this information to check the correct functionality of the damping and the leader wire of a leader carrying the drilling device. This enables damage to the machine to be recognized early and possibly prevented.
  • the regulation / control is set up to calculate the force introduced by the Kelly rod into the drilling table as a function of the detected vibration signals.
  • the force introduced corresponds to the proportion by weight of the Kelly bar that is carried by the drilling table and not by the Kelly rope.
  • the total weight of the Kelly bar can be taken up in part by the Kelly rope and in part by the drilling table. If the Kelly bar or the drilling tool rests on the base of the working machine so a further part of the weight of the Kelly bar and / or the drilling tool is additionally taken up directly by the base.
  • the regulation / control can access parameters of the working machine and / or the drilling device which relate to their vibration properties. The parameters can be weights, spring hardness and / or degrees of damping of the corresponding vibration system.
  • the force introduced by the Kelly rod can be determined from the parameters and the detected vibration signal.
  • the oscillation is caused by the telescoping of the Kelly rod, the oscillation being caused in particular by loosening or establishing a coupling of two Kelly rod elements and / or by jamming and / or dragging Kelly rod elements.
  • the regulation / control can be set up to prevent vibrations caused by a jamming when a coupling of two Kelly rod elements is released or locked or to distinguish entraining from Kelly bar elements. If the lengths of the Kelly rod elements and their weights are stored, then corresponding reference vibration signals can also be stored, which correspond to the loosening or fixing of individual Kelly rod elements. If the detected vibration signals deviate from the reference vibration signals, this can be interpreted as an indication of jamming and / or entrainment of Kelly rod elements and a corresponding output signal can be generated.
  • the device can be used to record the geometry when the Kelly bar is being extended and retracted.
  • the Kelly bar can be partially or completely retracted or extended and the generated vibration signals can be recorded and stored. If similar vibration signals occur repeatedly, this can be evaluated by the regulation / control system in such a way that these similar vibration signals correspond to a release or detection of a coupling of two Kelly rod elements. Said reference vibration signals can be determined from such similar vibration signals.
  • the vibration sensor is a sensor for detecting a time-variable force, acceleration, speed and / or deflection.
  • at least one such sensor can be provided on the Kelly rod, on the Kelly cushioning, on the drilling table, on the Kelly rope and / or on the cable and / or detect corresponding vibration signals there.
  • more than one sensor for detecting different sizes, if necessary, is provided on more than one component of the drilling device. This can increase the measurement accuracy of the measurements.
  • a first rope length sensor is provided for detecting the Kelly rope and / or that a second rope length sensor is provided for detecting the position of the drilling table.
  • Appropriate rope length sensors can be used, for example, to measure the length of a Kelly bar with unknown geometry. In particular, it is possible to assign vibration signals occurring when telescoping the Kelly bar to corresponding lengths of the Kelly bar.
  • the regulation / control system accesses a model of the Kelly rod which describes the Kelly rod by means of pairs of numbers, the pairs of numbers relating to lengths of the Kelly rod elements and weights associated with the lengths of the Kelly rod elements.
  • the model can be created with the help of the regulation / control, if the Kelly rod geometry is not known or the regulation / control can access an already known Kelly rod geometry or its model.
  • the regulation / control is set up to compare the weights of the model with the calculated force. If, for example, it is determined that a certain force is being introduced into the drilling table, although according to the model another force would have to be introduced into the drilling table, this can be seen as an indication that jamming or entrainment of Kelly elements occurs and it a corresponding output signal can be generated.
  • an inclination sensor is provided for detecting the inclination angle of the drilling device.
  • the regulation / control can accordingly access the angle of inclination or the values detected by it and thus correctly evaluate the vibration signals even when the drilling device acts obliquely in the subsurface.
  • the inclination sensor can be set up in such a way that it outputs signals that correlate with the inclination angle of the Kelly rod.
  • a memory device is provided which is set up to store the vibration signals, the regulation / control system being set up in particular to determine wear on the Kelly damping on the basis of the vibration signals. Stored, older vibration signals can be compared with current vibration signals. If deviations between old and current vibration signals exceed certain limit values, this can be understood as an indication of wear on the Kelly damping and a corresponding output signal can be generated.
  • the storage device can also be set up to include data of the model of the Kelly rod and to provide the regulation / control system for comparing the model with the detected vibration signals.
  • Figure 1 shows a work machine 1, equipped with a leader 2, on which a vertically movable drilling table 3 is mounted.
  • the vertical position of the drilling table 3 can be changed with the aid of the cables 6a, 6b, which are guided to a cable winch via the deflection rollers 5a, 5b.
  • the Kelly damping 4 protects the drilling table 3 and the machine parts located thereon against impacts when a Kelly element 7a, 7b, 7c of the Kelly rod 7 is deposited or raised.
  • the Kelly damping 4 usually consists of spring assemblies or a combination of spring assemblies and damper elements.
  • the kelly bar 7 comprises kelly elements 7a, 7b, 7c and the drilling tool 7d, which can be held by a kelly rope 9 and, during drilling, can rest partially or entirely on the kelly damping 4 and thus on the drilling table.
  • the drilling tool 7d can be with the innermost or last Kelly element 7c coupled and telescopic together with this. Part of the weight of the Kelly bar 7 and other components of the working machine 1 can be guided into the ground, for example, via the drilling tool 7d.
  • the Kelly bar 7 is a telescopic boring bar which consists of two or more tubes which are guided into one another and which are axially movable relative to one another. The axial movement is limited by stops at the pipe ends. A jamming of Kelly elements 7a, 7b, 7c occurs analogously to being carried along, but relates to the process of lowering the Kelly rod 7.
  • the length L k of the telescoped Kelly rod 7 can be determined via a rope length measurement of the Kelly rope 9 and via the rope length (vertical position) of the drilling table 3.
  • a Kelly rod 7 can therefore be described by a list of pairs of numbers: ((L k1 , M k1 ), (L k2 , M k2 ), (L k3 , M k3 ), ... (L kmax , M kmax )).
  • This model can either be learned independently from the work machine presented here or, alternatively, can be specified using a known Kelly bar, for example from the machine control or the regulation / control.
  • a mass M k is shown placed on the Kelly damping 4, the mass M k being simplified by a spring with a spring constant K k and a damping C k .
  • the deflection of the Kelly damping 4 causes a force which counteracts the original movement and there is a reduction in the speed of this movement until it stops.
  • Due to the energy partially stored in the damping 4, the dampers and those resting thereon begin Moving mass in the opposite direction. This means that the dampers and the mass resting on them vibrate around their rest position. After a certain time, this oscillation subsides due to losses.
  • Such a vibrating system is well known as a damped spring-mass system.
  • the quasi-static state that is reached after the transient phase can be used to identify possible entrainment by comparing the masses on the drilling table 3 and the load on the Kelly rope 9.
  • the overall system comprising Kelly damping 4, drilling table 3 and cables 6a, 6b is a coupled and damped spring-mass system.
  • Kelly damping 4 is described here as a spring-mass system, it does not matter to the invention whether it is actually a classic spring or another damping element.
  • the damping element can be adequately described by a parameter model.
  • vibration of the Kelly damping 4 induced by a change in weight occurs at a certain length of the Kelly bar L k .
  • the settling process of the Kelly damping 4 around its rest position with changed mass and / or a pulse transfer is described here via the spring-mass system.
  • the mass of the kelly elements 7a, 7b, 7c lying on the table can be inferred from an analysis of the vibration signal.
  • the analysis can relate, for example, to the oscillation period of the measurement signal or to the amplitude of the oscillation signal when the speed of the kelly element 7a, 7b, 7c is known.
  • the touchdown speed can be determined, for example, by means of a corresponding rope length sensor or can be predetermined by the predetermined speed of a corresponding drive.
  • measurements can be carried out by means of the working machine according to the invention which result in pairs of numbers L k , M k .
  • the analysis of the oscillation signal or the time-varying signal allows a quick measurement and thus a quick comparison with a possibly available Kelly model ((L k1 , M k1 ), (L k2 , M k2 ), (L k3 , M k3 ) ,. .. (L kmax , M kmax )).
  • vibration signals are detected in a so-called forbidden zone, this can be interpreted as an indication of jamming or entrainment of Kelly elements.
  • the forbidden zones include length ranges of the Kelly rod, in which two Kelly elements can be moved axially to one another and the Kelly rod can thus be telescoped.
  • the analyzed vibration signal can be, for example, the variable force F k , which acts on the drilling table 3, or the rope forces F tu or F td .
  • a measurement of acceleration forces, speeds or deflections are equivalent to the measurement of the time-variable force for the application of the described method and thus also part of this invention.
  • several sensors can also be used individually or in combination: for example, accelerometers on the Kelly rod 7, on the Kelly cushioning 4 or on the drilling table 3, or about the length of the damping elements, or the cable forces of the cables 6a, 6b on the table. In order to recognize a measurement even when the leader is tilted, a measurement of the tilt angle is also advantageous.
  • the drilling table 3 is fixed vertically, for example by being placed on the floor or the piping, and thus the acceleration forces which act on the drilling table 3 and furthermore the holding forces F tu and F td are not meaningful.
  • the measurement of the deflection y k and the measurement of the acceleration forces which act on M k or the Kelly damping 4 are therefore of particular importance.
  • An advantage of these measurements is that they make it possible to determine the pair of numbers L k , M k with each lifting or depositing process.
  • a known Kelly rod 7 corresponds to a Kelly rod, the model of which is known.
  • the Kelly parameters ((L k1 , M k1 ), (L k2 , M k2 ), (L k3 , M k3 ), ... (L kmax , M kmax )) can be stored in the regulation / control of the machine or determined via a self-learning system.
  • the function of can be reversed Check Kelly cushioning 4. If, for example, a known mass M k1 is deposited on the Kelly damping 4, the damper dynamics can be used to ensure the correct function of the Check damping. This means that parameters describing the damper function are derived from the measured vibration signal, and these measured parameters are compared with known target parameters. If a deviation of the measured parameters from the target parameters is determined, the driver can be informed about possible damage or wear. See also application example 2 described below.
  • Another advantage of the invention is that it is not necessary for the function of the invention to know the drilling tool 7d or the mass of the drilling tool 7d.
  • the unknown mass of the drilling tool 7d is added to the mass M kmax in the Kelly rod 7 model.
  • L kmax the mass of the last Kelly element 7c
  • the mass to be determined is M kmax-1 .
  • the mass of the last Kelly element 7c and the drilling tool 7d does not matter here either.
  • a work machine is equipped with a Kelly bar 7 known to the system in order to dig a borehole.
  • a scanner is now active which searches for vibration signals corresponding to the placement (or lifting) of a Kelly rod element 7a, 7b, 7c from the drilling table 3 or from another Kelly rod element 7a, 7b, 7c (see Figure 3 ).
  • the scanner can include the regulation / control and other of the above-mentioned devices of the working machine, such as the vibration sensor 10. If such a signal occurs, a pair of numbers L k , M k is generated by this scanner.
  • M k is then compared with M ki . If M k is not statistically compatible with M ki , then a Kelly rod 7a, 7b, 7c is probably jammed, a warning is issued. If, on the other hand, the two values are statistically compatible, then the Kelly rod was sunk or retracted correctly.
  • a work machine is equipped with a Kelly rod 7 known in the system in order to dig a borehole.
  • the working machine can monitor the process and recognize that the mass deposited corresponds to the outer cell hypothesis.
  • the parameters of the kelly damping 4 are subsequently calculated and stored under the hypothesis outer kelly 7a.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Arbeitsmaschine zum Durchführen von Bohrarbeiten, mit wenigstens einer Bohreinrichtung umfassend
    • wenigstens einen mittels einer Beseilung verstellbaren Bohrtisch,
    • wenigstens eine teleskopierbare, mittels eines Kellyseils verstellbare Kellystange, die wenigstens zwei Kellystangenelemente umfasst,
    • wenigstens eine Kellydämpfung, über welche die Kellystange mit dem Bohrtisch koppelbar ist und
    • wenigstens einen Schwingungssensor, der dazu eingerichtet ist, Schwingungssignale einer Schwingung der Bohreinrichtung zu erfassen.
  • Gattungsgemäße Arbeitsmaschinen dienen beispielsweise dazu, Löcher für Pfeiler in einen Untergrund zu bohren. Die dabei verwendeten Kellystangen ermöglichen es, Löcher unterschiedlich großer Tiefen zu bohren.
  • Bei den Bohrvorgängen besteht die Problematik, dass Kellystangen oder einzelne Kellystangenelemente herunterfallen können und dadurch Beschädigungen an der Arbeitsmaschine oder im Bereich der Arbeitsmaschine hervorgerufen werden können.
  • DE 198 13 902 C1 offenbart ein Verfahren zum Überwachen des bestimmungsgemäßen Verhaltens einzelner Rohre einer teleskopierbaren Bohrstange (Kellystange) beim Hochziehen der auseinandergezogenen Rohre, beim dem eine Haltekraft gemessen und mit einer theoretischen Zugkraft verglichen wird.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Arbeitsmaschine bereitzustellen, die dem Fahrer bzw. der Bedienperson der Arbeitsmaschine beim Verstellen der Kellystange, also beispielsweise beim Absenken und auch beim Anheben derselben, unterstützt. Die Vorrichtung kann dazu ausgebildet sein, dem Fahrer Hinweise zu geben, wann beim Absenken ein Verklemmen oder beim Anheben ein Mitschleppen von Kellyelementen auftritt. Der Vorgang kann gegebenenfalls automatisch gestoppt werden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Arbeitsmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gelöst, wobei eine Regelung/Steuerung vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von dem erfassten Schwingungssignalen ein Ausgabesignal zu erzeugen.
  • Bei dem Ausgabesignal kann es sich um den genannten Hinweis darauf handeln, dass ein Verklemmen oder ein Mitschleppen von Kellyelementen erfasst wurde. Das Ausgabesignal kann alternativ oder zusätzlich ein Regel-/Steuersignal sein, welches beispielsweise den Verstellvorgang der Kellystange stoppt. Alternativ oder zusätzlich kann das Ausgabesignal Informationen zur Kellystange umfassen wie beispielsweise deren austeleskopierte Länge oder die von der Kellystange in den Bohrtisch oder in die Kellydämpfung eingeleitete Gewichtskraft. Das Ausgabesignal kann damit Informationen über Parameter eines Modells der Kellystange umfassen.
  • Die Erfassung der Schwingungssignale ermöglicht dabei vorteilhafterweise eine entscheidend schnellere Vorgehensweise als dies beispielsweise bei einem Kräftevergleich in einem quasi-statischen Zustand der Arbeitsmaschine bzw. der Bohreinrichtung der Fall wäre.
  • Ferner kann erfindungsgemäß die Kellystange mit großer Geschwindigkeit angehoben oder abgesenkt werden, wobei ein Abbremsen entsprechend nicht notwendig sein muss. Dadurch kann der Arbeitsprozess entsprechend beschleunigt werden. Bei einem derartigen Verstellen der Kellystange können bei jedem Ein- oder Ausfahren eines Kellystangenelements bzw. eines entsprechenden Teleskopschusses der Kellystange Schwingungen in die Bohreinrichtung eingebracht werden, welche zur Berechnung und Ausgabe eines entsprechenden Ausgabesignals genutzt werden können.
  • Durch die Betrachtung der dynamischen Schwingungssignale ist die mittels der Arbeitsmaschine ausführbare Auswertung der Schwingungssignale unabhängig vom Bohrwerkzeug und auch vom Material im Bohrwerkzeug. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ferner als allgemeiner Scanner verwendet werden um etwa beim automatisierten Lernen bzw. Erfassen einer Kellystangengeometrie behilflich zu sein. Bei einer bekannten Kellystange bzw. Kellystangengeometrie kann dagegen mittels der erfindungsgemäßen Arbeitsmaschine im Umkehrschluss auch der Zustand der Kellydämpfung durch Langzeitbeobachtung und entsprechende Abspeicherung von Ausgabesignalen überprüft werden.
  • Damit ermöglicht es die erfindungsgemäße Arbeitsmaschine beim Absenken und Anheben der Kellystange Informationen über die Kellystange zu erfassen und mit diesen Informationen die korrekte Funktionalität der Dämpfung und der Mäkler-Beseilung eines die Bohreinrichtung tragenden Mäklers zu überprüfen. Hierdurch können Schäden an der Maschine frühzeitig erkannt und ggf. verhindert werden.
  • In einer bevorzugten Ausführung ist denkbar, dass die Regelung/Steuerung dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von den erfassten Schwingungssignalen die von der Kellystange in den Bohrtisch eingeleitete Kraft zu berechnen. Die eingeleitete Kraft entspricht dabei demjenigen Gewichtsanteil der Kellystange, welcher vom Bohrtisch und nicht vom Kellyseil getragen wird. Allgemein kann in der vorliegenden Arbeitsmaschine das Gesamtgewicht der Kellystange zu einem Teil von dem Kellyseil und zu dem anderen Teil von dem Bohrtisch aufgenommen werden. Wenn die Kellystange oder das Bohrwerkzeug auf dem Untergrund der Arbeitsmaschine aufliegt so wird ein weiterer Teil des Gewichts der Kellystange und/oder des Bohrwerkzeugs zusätzlich direkt vom Untergrund aufgenommen. Zur Berechnung der eingeleiteten Kraft kann die Regelung/Steuerung auf Parameter der Arbeitsmaschine und/oder der Bohreinrichtung zugreifen, die deren Schwingungseigenschaften betreffen. Bei den Parametern kann es sich um Gewichte, Federhärten und/oder Dämpfungsgrade des entsprechenden Schwingungssystems handeln. Aus den Parametern und dem erfassten Schwingungssignal kann die von der Kellystange eingeleitete Kraft ermittelt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführung ist denkbar, dass die Schwingung durch das Teleskopieren der Kellystange verursacht ist, wobei die Schwingung insbesondere durch das Lösen oder Feststellen einer Kopplung zweier Kellystangenelemente und/oder durch ein Verklemmen und/oder ein Mitschleppen von Kellystangenelementen verursacht ist.
  • In einer Ausführung, bei der Informationen zur Geometrie der Kellystange bekannt sind und von der Regelung/Steuerung abgerufen werden können, kann die Regelung/Steuerung dazu eingerichtet sein, Schwingungen, die beim Lösen oder Feststellen einer Kupplung zweier Kellystangenelemente von Schwingungen, die durch ein Verklemmen oder ein Mitschleppen von Kellystangenelementen zu unterscheiden. Sind die Längen der Kellystangenelemente und deren Gewichte hinterlegt, so können auch entsprechende Referenzschwingungssignale hinterlegt sein, welche dem Lösen oder Feststellen einzelner Kellystangenelemente entsprechen. Weichen die erfassten Schwingungssignale von dem Referenzschwingungssignalen ab, so kann dies als Hinweis auf ein Verklemmen und/oder ein Mitschleppen von Kellystangenelementen gedeutet werden und ein entsprechendes Ausgabesignal erzeugt werden.
  • Ist die Geometrie der Kellystange nicht bekannt, so kann die Vorrichtung dazu genutzt werden, die Geometrie beim Ein- und Ausfahren der Kellystange zu erfassen. Hierzu kann die Kellystange teilweise oder vollständig ein- oder ausgefahren werden und es können dabei die erzeugten Schwingungssignale erfasst und abgespeichert werden. Treten ähnliche Schwingungssignale wiederholt auf, so kann dies von der Regelung/Steuerung dahingehend ausgewertet werden, dass diese sich ähnelnden Schwingungssignale einem Lösen oder Feststellen einer Kopplung zweier Kellystangenelementen entsprechen. Aus derartigen sich ähnelnde Schwingungssignalen können die besagten Referenzschwingungssignale festgelegt werden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist denkbar, dass der Schwingungssensor ein Sensor zum Erfassen einer zeitlich variablen Kraft, Beschleunigung, Geschwindigkeit und/oder Auslenkung ist. Wenigstens ein derartiger Sensor kann in einer bevorzugten Ausführung an der Kellystange, an der Kellydämpfung, am Bohrtisch, an dem Kellyseil und/oder an der Beseilung vorgesehen sein und/oder dort entsprechende Schwingungssignale erfassen. Denkbar ist selbstverständlich auch, dass mehr als ein Sensor zur Erfassung ggf. unterschiedlicher Größen an mehr als einer Komponente der Bohreinrichtung vorgesehen ist. Hierdurch kann die Messgenauigkeit der Messungen erhöht werden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist denkbar, dass ein erster Seillängensensor zur Erfassung des Kellyseils vorgesehen ist und/oder dass ein zweiter Seillängensensor zur Erfassung der Position des Bohrtisches vorgesehen ist.
  • Durch entsprechende Seillängensensoren kann beispielsweise die Länge einer Kellystange mit unbekannter Geometrie erfasst werden. Insbesondere ist es möglich, beim Teleskopieren der Kellystange auftretende Schwingungssignale entsprechenden Längen der Kellystange zuzuordnen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist denkbar, dass die Regelung/Steuerung auf ein Modell der Kellystange zugreift, welches die Kellystange mittels von Zahlenpaaren beschreibt, wobei die Zahlenpaare Längen der Kellystangenelemente und den Längen zugeordnete Gewichte der Kellystangenelemente betreffen. Das Modell kann dabei mit Hilfe der Regelung/Steuerung erstellt werden, wenn die Kellystangengeometrie nicht bekannt ist oder die Regelung/Steuerung kann auf eine bereits bekannte Kellystangengeometrie bzw. deren Modell zugreifen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist denkbar, dass die Regelung/Steuerung dazu eingerichtet ist, die Gewichte des Modells mit der berechneten Kraft zu vergleichen. Wenn dabei beispielsweise festgestellt wird, dass eine bestimmte Kraft in den Bohrtisch eingeleitet wird, obwohl gemäß dem Modell eine andere Kraft in den Bohrtisch eingeleitet werden müsste, so kann dies als Hinweis darauf gesehen werden, dass ein Verklemmen oder ein Mitschleppen von Kellyelementen auftritt und es kann ein entsprechendes Ausgabesignal erzeugt werden.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist denkbar, dass ein Neigungssensor zum Erfassen des Neigungswinkels der Bohreinrichtung vorgesehen ist. Die Regelung/Steuerung kann entsprechend auf den Neigungswinkel bzw. den von ihm erfassten Werten zugreifen und so die Schwingungssignale auch dann korrekt auswerten, wenn die Bohreinrichtung schräg in den Untergrund einwirkt. Der Neigungssensor kann so eingerichtet sein, dass er Signale ausgibt, die mit dem Neigungswinkel der Kellystange korrelieren.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist denkbar, dass eine Speichereinrichtung vorgesehen ist, die zum Speichern der Schwingungssignale eingerichtet ist, wobei die Regelung/Steuerung insbesondere dazu eingerichtet ist, auf Grundlage der Schwingungssignale einen Verschleiß der Kellydämpfung zu ermitteln. Dabei können abgespeicherte, ältere Schwingungssignale mit aktuellen Schwingungssignalen verglichen werden. Wenn Abweichungen zwischen alten und aktuellen Schwingungssignalen bestimmte Grenzwerte übersteigen, kann dies als Hinweis auf Verschleiß der Kellydämpfung verstanden und ein entsprechendes Ausgabesignal erzeugt werden.
  • Die Speichereinrichtung kann auch dazu eingerichtet sein, Daten des Modells der Kellystange zu umfassen und der Regelung/Steuerung zum Vergleichen des Modells mit den erfassten Schwingungssignalen bereitzustellen.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind anhand der in den Figuren beispielhaft gezeigten Ausführung erläutert. Dabei zeigen:
    • Figur 1:
    eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Arbeitsmaschine mit einer Bohreinrichtung;
    Figur 2:
    ein Schwingungsmodell der erfindungsgemäßen Arbeitsmaschine; und
    Figur 3:
    eine schematische Darstellung zur Erkennung von Verklemmungen und/oder Mitschleppen einer Kellystange durch eine erfindungsgemäße Arbeitsmaschine.
  • Figur 1 zeigt eine Arbeitsmaschine 1, ausgestattet mit einem Mäkler 2, an welchem ein vertikal beweglicher Bohrtisch 3 montiert ist. Die vertikale Position des Bohrtisches 3 kann mit Hilfe der Beseilung 6a, 6b, welche über die Umlenkrollen 5a, 5b zu einer Seilwinde geführt wird, verändert werden. Auf dem Bohrtisch 3 befindet sich die Kellydämpfung 4, auf welchem die Kellystange 7 zum Bohren aufgesetzt werden kann. Die Kellydämpfung 4 schützt den Bohrtisch 3 und sich darauf befindliche Maschinenteile vor Stößen beim Absetzen oder Anheben eines Kellyelements 7a, 7b, 7c der Kellystange 7. Die Kellydämpfung 4 besteht dabei üblicherweise aus Federpaketen oder aus einer Kombination aus Federpaketen und Dämpferelementen.
  • Die Kellystange 7 umfasst Kellyelemente 7a, 7b, 7c und das Bohrwerkzeug 7d, welche von einem Kellyseil 9 gehalten werden können und beim Bohren zum Teil oder zur Gänze auf der Kellydämpfung 4 und damit auf dem Bohrtisch aufliegen können. Das Bohrwerkzeug 7d kann mit dem innersten bzw. letzten Kellyelement 7c gekoppelt und gemeinsam mit diesem teleskopierbar sein. Ein Teil der Gewichtskraft der Kellystange 7 und weiterer Komponenten der Arbeitsmaschine 1 kann beispielsweise über das Bohrwerkzeug 7d in den Untergrund geleitet werden.
  • Die Kellystange 7 ist eine teleskopierbare Bohrstange welche aus zwei oder mehr Rohren besteht, die ineinander geführt werden und die axial zueinander beweglich sind. Die axiale Bewegung ist dabei über Anschläge an den Rohrenden begrenzt. Ein Verklemmen von Kellyelementen 7a, 7b, 7c tritt analog zum Mitschleppen auf bezieht sich allerdings auf den Vorgang des Absenkens der Kellystange 7.
  • Die Länge Lk der austeleskopierten Kellystange 7 kann über eine Seillängenmessung des Kellyseils 9 und über die Seillänge (vertikale Position) des Bohrtisches 3 ermittelt werden. Folgende einfache Modellierung der Kellystange 7 ist nun möglich:
    Wenn Lk1 = 0m, also die Außenkelly 7a auf der Kellydämpfung 4 aufsetzt, wird die Masse Mk1 auf der Dämpfung abgesetzt. Wenn bei Lk2 das nächste Kellyelement 7b auf die Außenkelly 7a aufsetzt, wird die Masse Mk entsprechend höher. Eine Kellystange 7 lässt sich also durch eine Liste von Zahlenpaaren beschreiben: ((Lk1, Mk1), (Lk2, Mk2), (Lk3, Mk3), ... (Lkmax, Mkmax)). Dieses Modell kann von der hier vorgestellten Arbeitsmaschine entweder selbständig erlernt werden oder alternativ bei der Verwendung einer bekannten Kellystange vorgegeben werden, etwa von der Maschinensteuerung bzw. der Regelung/Steuerung.
  • Wie in Figur 2 dargestellt wird eine Masse Mk auf die Kellydämpfung 4 aufgesetzt, wobei die Masse Mk vereinfacht durch eine Feder mit Federkonstante Kk und eine Dämpfung Ck dargestellt ist. Dabei kommt es aufgrund des Impulses und der veränderten wirkenden Gewichtskraft zu einer Auslenkung yk der Kellydämpfung 4. Die Auslenkung der Kellydämpfung 4 bewirkt eine Kraft, welche der ursprünglichen Bewegung entgegen wirkt und es kommt zu einer Reduktion der Geschwindigkeit dieser Bewegung bis diese stoppt. Aufgrund der in der Dämpfung 4 zum Teil gespeicherten Energie beginnen sich nun die Dämpfer und die darauf aufliegende Masse in die entgegengesetzte Richtung zu Bewegen. D.h. es kommt zu einer Schwingung der Dämpfer und der darauf aufliegenden Masse um deren Ruhelage. Nach einer bestimmten Zeit kommt es aufgrund von Verlusten zum Ausklingen dieser Schwingung. Ein solches schwingendes System ist hinlänglich als gedämpftes Feder-Masse-System bekannt. Der quasi-statische Zustand der nach der Einschwingphase erreicht wird, kann ausgenutzt werden um durch einen Vergleich der Massen auf dem Bohrtisch 3 und der Last am Kellyseil 9 ein mögliches Mitschleppen zu erkennen.
  • Wird die aufliegende Masse Mk durch Anheben eines Kellyelementes 7a, 7b, 7c verringert, so ändert sich die Gewichtskraft welche auf die Dämpfer wirkt und damit die Ruhelage der Masse Mk. Es kommt in weiterer Folge zu einer Auslenkung der Dämpfer und wie bereits oben beschrieben wieder zu einer gedämpften Schwingung um die neue Ruhelage yk des Systems, welche durch die Masse Mk bestimmt ist.
  • Die beschriebene Schwingung der Kellydämpfung 4 und der aufliegenden Masse hat zur Folge, dass eine zeitlich variable Kraft Fk (t) auf den Bohrtisch mit der Masse Mt wirkt. Hierdurch kann beispielsweise eine gedämpfte Oszillation hervorgerufen werden. Diese variable Kraft Ftu, Ftd wird auch auf die Beseilung 6a, 6b des Mäklers, welche den Bohrtisch 3 hält, übertragen. Aufgrund der auftretenden Dehnung der Beseilung 6a, 6b wird auch der Bohrtisch 3 zu einer gedämpften, vertikalen Schwingung angeregt. Die Beseilung 6a, 6b ist vereinfacht durch zwei Federn mit Federkonstanten Ktu und Ktd modelliert.
  • Das Gesamtsystem aus Kellydämpfung 4, Bohrtisch 3 und Beseilung 6a, 6b ist ein gekoppeltes und gedämpftes Feder-Masse-System. Obwohl die Kellydämpfung 4 hier als Feder-Masse-System beschrieben wird, spielt es für die Erfindung keine Rolle ob es sich tatsächlich um klassische Federn handelt oder um ein anderes dämpfendes Element. Für die Funktion der Erfindung ist es lediglich notwendig, dass das dämpfende Element hinlänglich durch ein Parametermodel beschrieben werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird anstelle einer quasi-statischen Messung der Gewichtskräfte an Kellyseil 9 und Bohrtisch 3 eine Analyse des dynamischen Einschwingvorgangs vorgenommen: eine Schwingung der Kellydämpfung 4 induziert durch eine Gewichtsänderung tritt bei einer bestimmten Länge der Kellystange Lk auf. Der Einschwingvorgang der Kellydämpfung 4 um deren Ruhelage bei veränderter Masse und/oder einem Impulsübertrag wird hier über das Feder-Masse-System beschrieben. Aufgrund der bekannten Parameter dieses Übergangs (Masse, Federkonstante, Dämpfungswerte) kann durch eine Analyse des Schwingungssignals auf die Masse der auf dem Tisch liegenden Kellyelemente 7a, 7b, 7c geschlossen werden. Die Analyse kann sich dabei z.B. auf die Schwingungsperiode des Messsignals beziehen bzw. auf die Amplitude des Schwingungssignals bei bekannter Aufsetzgeschwindigkeit des Kellyelementes 7a, 7b, 7c. Die Aufsetzgeschwindigkeit kann beispielsweise mittels eines entsprechenden Seillängensensors ermittelt werden oder durch die vorgegebene Geschwindigkeit eines entsprechenden Antriebs vorgegeben sein.
  • Wie in Figur 3 dargestellt können mittels der erfindungsgemäßen Arbeitsmaschine Messungen durchgeführt werden, die Zahlenpaare Lk, Mk ergeben. Die Analyse des Schwingungssignals bzw. des zeitlichen veränderlichen Signals erlaubt eine rasche Messung und damit einen raschen Vergleich mit einem gegebenenfalls vorhandenen Kellymodell ((Lk1, Mk1), (Lk2, Mk2), (Lk3, Mk3), ... (Lkmax, Mkmax)).
  • Wenn, wie in Figur 3 gezeigt, Schwingungssignale in einer sogenannten verbotenen Zone erfasst werden, so kann dies als Hinweis auf ein Verklemmen oder Mitschleppen von Kellyelementen gedeutet werden. Die verbotenen Zonen umfassen dabei Längenbereiche der Kellystange, in welchen zwei Kellyelemente axial zueinander bewegbar sind und die Kellystange damit teleskopierbar ist.
  • Damit ist dieses System entscheidend schneller als bisher bekannte Lösungen. Das folgende Anwendungsbeispiel 1 erläutert wie eine solche Methode im Detail aussehen kann.
  • Das analysierte Schwingungssignal kann etwa die variable Kraft Fk sein, welche auf den Bohrtisch 3 wirkt, oder etwa auch die Seilkräfte Ftu oder Ftd. Eine Messung von Beschleunigungskräften, Geschwindigkeiten bzw. Auslenkungen sind für die Anwendung der beschriebenen Methode äquivalent zur Messung der zeitlich variablen Kraft und damit ebenfalls Teil dieser Erfindung. Zur Durchführung dieser Methode können also auch mehrere Sensoren einzeln oder in Kombination verwendet werden: beispielsweise Beschleunigungsmesser an der Kellystange 7, an der Kellydämpfung 4 oder am Bohrtisch 3, oder etwa die Länge der Dämpfungselemente, oder die Seilkräfte der Seile 6a, 6b am Tisch. Um eine Messung auch bei geneigtem Mäkler zu erkennen ist auch eine Messung des Neigungswinkels vorteilhaft.
  • Unter gewissen Umständen kann es sein, dass der Bohrtisch 3 beispielsweise durch Absetzten auf dem Boden oder der Verrohrung vertikal fixiert ist und somit die Beschleunigungskräfte, die auf den Bohrtisch 3 wirken und weiter die Haltekräfte Ftu und Ftd nicht aussagekräftig sind. Somit kommen insbesondere der Messung der Auslenkung yk und der Messung der Beschleunigungskräfte, die auf Mk bzw. die Kellydämpfung 4 wirken, besondere Bedeutung zu. Ein Vorteil dieser Messungen ist, dass sie es ermöglichen, das Zahlenpaar Lk, Mk bei jedem Anhebevorgang bzw. Absetzevorgang zu bestimmen.
  • Für den Fall, dass es sich bei der Kellystange 7 um eine unbekannte Kellystange 7 handelt, müssen vor einer Erkennung von Verklemmungen oder Mitschleppen die Kellyparameter bekannt sein. Eine bekannte Kellystange 7 entspricht hierbei einer Kellystange, dessen Modell bekannt ist. Die Kellyparameter ((Lk1, Mk1), (Lk2, Mk2), (Lk3, Mk3), ... (Lkmax, Mkmax)) können dabei etwa in der Regelung/Steuerung der Maschine hinterlegt werden oder über ein selbstlernendes System bestimmt werden.
  • Für eine Kellystange 7 mit bekannten Kellyparameter ((Lk1, Mk1), (Lk2, Mk2), (Lk3, Mk3), ... (Lkmax, Mkmax)) lässt sich im Umkehrschluss die Funktion der Kellydämpfung 4 überprüfen. Wird beispielsweise eine bekannte Masse Mk1 auf der Kellydämpfung 4 abgesetzt, lässt sich mithilfe der Dämpferdynamik die korrekte Funktion der Dämpfung überprüfen. D.h. aus dem gemessenen Schwingungssignal werden Parameter abgeleitet, welche die Dämpferfunktion beschreiben und diese gemessenen Parameter werden mit bekannten Soll-Parametern abgeglichen. Wird eine Abweichung der gemessenen Parameter von den Soll-Parametern festgestellt, kann der Fahrer über möglichen Schaden bzw. Verschleiß informiert werden. Siehe hierzu auch das unten beschriebene Anwendungsbeispiel 2.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass es für die Funktion der Erfindung ist nicht notwendig ist, das Bohrwerkzeug 7d bzw. die Masse des Bohrwerkzeuges 7d zu kennen. Die unbekannte Masse des Bohrwerkzeuges 7d kommt zur Masse Mkmax im Modell der Kellystange 7 hinzu. Beim Austeleskopieren des letzten Kellyelementes 7c gilt es jedoch nur Lkmax zu überprüfen, die Überprüfung der Masse ist nicht notwendig. Beim Anheben des letzten Kellyelementes 7c ist die zu ermittelnde Masse Mkmax-1. Die Masse des letzten Kellyelementes 7c und des Bohrwerkzeuges 7d spielt also auch hier keine Rolle.
    • Anwendungsbeispiel 1:
  • Eine Arbeitsmaschine ist mit einer dem System bekannten Kellystange 7 ausgestattet, um ein Bohrloch auszuheben. Bei jedem Eintauchen der Kellystange 7 wird nun ein Scanner aktiv, der nach Schwingungssignalen entsprechend dem Aufsetzen (oder Abheben) eines Kellystangenelements 7a, 7b, 7c vom Bohrtisch 3 oder von einem anderen Kellystangenelement 7a, 7b, 7c sucht (siehe Figur 3). Der Scanner kann dabei die Regelung/Steuerung und weitere der genannten Einrichtungen der Arbeitsmaschine wie den Schwingungssensor 10 umfassen. Wenn ein solches Signal auftritt, wird von diesem Scanner ein Zahlenpaar Lk, Mk erzeugt. Nun wird dieses Zahlenpaar mit dem Modell der Kellystange ((Lk1, Mk1), (Lk2, Mk2), (Lk3, Mk3), ... (Lkmax, Mkmax)) verglichen.
  • Wenn die gemessene Länge Lk kompatibel mit einer der Längen im Modell ist (etwa Lki), dann wird in weiterer Folge Mk mit Mki verglichen. Wenn Mk nicht mit Mki statistisch kompatibel ist, dann hat sich vermutlich eine Kellystange 7a, 7b, 7c verklemmt, eine Warnung wird abgesetzt. Wenn die beiden Werte dagegen statistisch kompatibel sind, dann wurde die Kellystange korrekt abgeteuft bzw. eingefahren.
  • Wenn beim Vergleich der Länge Lk keine kompatible Länge im Modell der Kellystange gefunden wird (wir uns also in einer verbotenen Zone befinden) kann auch eine Warnung abgesetzt werden.
    • Anwendungsbeispiel 2:
  • Eine Arbeitsmaschine ist mit einer dem System bekannten Kellystange 7 ausgestattet, um ein Bohrloch auszuheben. Beim Aufsetzen des Außenkelly 7a auf den Bohrtisch 3, kann die erfindungsgemäße Arbeitsmaschine den Vorgang überwachen und erkennen, dass die abgelegte Masse mit der Hypothese Außenkelly übereinstimmt. Im Umkehrschluss werden in weiterer Folge unter der Hypothese Außenkelly 7a die Parameter der Kellydämpfung 4 berechnet und abgespeichert. Durch eine langfristige Beobachtung dieser Variablen kann ein Verschleiß der Kellydämpfung 4 frühzeitig erkannt werden, etwa wenn die Federkonstante statistisch relevant kontinuierlich schwächer wird und irgendwann beispielsweise einen Grenzwert unterschreitet.

Claims (10)

  1. Arbeitsmaschine zum Durchführen von Bohrarbeiten, mit wenigstens einer Bohreinrichtung umfassend
    wenigstens einen mittels einer Beseilung (6a, 6b) verstellbaren Bohrtisch (3), wenigstens eine teleskopierbare, mittels eines Kellyseils (9) verstellbare Kellystange (7), die wenigstens zwei Kellystangenelemente (7a, 7b, 7c) umfasst,
    wenigstens eine Kellydämpfung (4), über welche die Kellystange (7) mit dem Bohrtisch (3) koppelbar ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsmaschine wenigstens einen Schwingungssensor (10) umfasst, der dazu eingerichtet ist, Schwingungssignale einer Schwingung der Bohreinrichtung zu erfassen, und dass eine Regelung/Steuerung vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von den erfassten Schwingungssignalen ein Ausgabesignal zu erzeugen.
  2. Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung/Steuerung dazu eingerichtete ist, in Abhängigkeit von den erfassten Schwingungssignalen die von der Kellystange (7) in den Bohrtisch (3) eingeleitete Kraft zu berechnen.
  3. Arbeitsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingung durch das Teleskopieren der Kellystange (7) verursacht ist, wobei die Schwingung insbesondere durch das Lösen oder Feststellen eine Kopplung zweier Kellystangenelemente (7a, 7b, 7c) und/oder durch ein Verklemmen und/oder ein Mitschleppen von Kellystangenelementen (7a, 7b, 7c) verursacht ist.
  4. Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungssensor (10) ein Sensor zur Erfassung einer zeitlich variablen Kraft, Beschleunigung, Geschwindigkeit und/oder Auslenkung ist.
  5. Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingungssensor (10) Schwingungssignale an der Kellystange (7), an der Kellydämpfung (4), am Bohrtisch (3), an dem Kellyseil (9) und/oder an der Beseilung (6a, 6b) erfasst.
  6. Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Seillängensensor (11) zur Erfassung der Länge des Kellyseils (9) vorgesehen ist, und/oder dass ein zweiter Seillängensensor (12) zur Erfassung der Position des Bohrtisches (3) vorgesehen ist.
  7. Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung/Steuerung auf ein Model der Kellystange (7) zugreift, welches die Kellystange (7) mittels von Zahlenpaaren beschreibt, wobei die Zahlenpaare Längen der Kellystangenelemente (7a, 7b, 7c) und den Längen zugeordnete Gewichte der Kellystangenelemente (7a, 7b, 7c) betreffen.
  8. Arbeitsmaschine wenigstens nach den Ansprüchen 2 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung/Steuerung dazu eingerichtet ist, die Gewichte des Models mit der berechneten Kraft zu vergleichen.
  9. Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Neigungssensor (13) zum Erfassen des Neigungswinkels der Bohreinrichtung vorgesehen ist.
  10. Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Speichereinrichtung vorgesehen ist, die zum Speichern der Schwingungssignale eingerichtet ist, wobei die Regelung/Steuerung insbesondere dazu eingerichtet ist, auf Grundlage der Schwingungssignale einen Verschleiß der Kellydämpfung (4) zu ermitteln.
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