EP4110997A1 - Vorrichtung und verfahren zur drucksondierung - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur drucksondierung

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Publication number
EP4110997A1
EP4110997A1 EP21704789.3A EP21704789A EP4110997A1 EP 4110997 A1 EP4110997 A1 EP 4110997A1 EP 21704789 A EP21704789 A EP 21704789A EP 4110997 A1 EP4110997 A1 EP 4110997A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
probe
rod
probing
pressure
pivot bearing
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.)
Pending
Application number
EP21704789.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tim Freudenthal
Markus BERGENTHAL
Erik LINOWSKI
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.)
Bauer Maschinen GmbH
Original Assignee
Bauer Maschinen 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 Bauer Maschinen GmbH filed Critical Bauer Maschinen GmbH
Publication of EP4110997A1 publication Critical patent/EP4110997A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D1/00—Investigation of foundation soil in situ
    • E02D1/02—Investigation of foundation soil in situ before construction work
    • E02D1/022—Investigation of foundation soil in situ before construction work by investigating mechanical properties of the soil

Definitions

  • the invention relates to a device for pressure probing according to the preambles of claims 1 or 2. Furthermore, the invention relates to a Sond michsge rods according to claim 14. The invention also relates to a drill rod according to claim 15. In addition, the invention relates to a method for Carrying out pressure probes according to the preamble of claim 16.
  • a well-known and frequently used method for carrying out in-situ geotechnical investigations is pressure probing such as Cone Penetration Testing (CPT), in which a probe is pressed into a subsurface. Any peak resistances (cone) and skin friction on a probe allow conclusions to be drawn about the properties, in particular the shear strength, of the subsoil or of a soil.
  • CPT Cone Penetration Testing
  • a probe rod is used, for example, to the lower end of which the probe can be attached.
  • a cable is used within the probing rod to supply the probe with energy and to enable the data obtained to be checked during the pressure test.
  • the use of an autonomous probe with its own power supply with batteries and data logger for data storage is also known.
  • the autonomous probe can be used with a modem for wireless data transfer (eg acoustically) within the probe rod.
  • the probe and the probing rods are pushed into the ground by an appropriate system or drive.
  • This system can be designed as a special device for corresponding pressure tests.
  • this system can also be, for example, a drilling system or a device for drilling holes. These systems can be installed on the subsoil or soil to be examined, for example on land or under water or on a floating platform (e.g. drilling ship).
  • a drill rod such as that used for core drilling, can also be used to carry out a pressure test.
  • the drill string is provided at a lower end with a drill bit which has a central opening.
  • One or more scrapers are usually located above the drill bit. Flushing holes in the area of the drill bit allow the use of a flushing medium, in particular a flushing liquid or a Spülga ses, preferably air, to z. B. to stabilize the borehole and to flush out drilling cuttings from the borehole during rotary drilling.
  • the sensor unit of the pressure probe is passed through the drill bit and is located below the drill string.
  • the probe can either be verse with a locking unit or a support tube is used that is locked in the drill string and supports the probe during the pressure test; as described, for example, in DE 10 2018 006 176. Then the drill pipe can be pressed into the ground with the leading probe. In this case, the drill string is also used as a probe rod in the "Top Push Technique". Alternatively, the probe can be pressed into the ground with a separate drive (downhole operation).
  • the use of the probe in connection with a drill string has the advantage that pressure tests and core drilling, e.g. B. for the extraction of core samples or other borehole measurements, are feasible.
  • the use of special probing rods has the advantage that rods with a smaller outer diameter that are optimized for the pressure test can be used, which reduces the force required for the pressure test.
  • the probing depth to be achieved in the compression test depends, in addition to the force of the drive for the pressing, in particular on the geotechnical properties of the soil. Often a high skin friction is the reason for terminating the pressure test.
  • the skin friction which counteracts the driving force during the pressure test, acts on both the probe and the probing or drill rods, and therefore increases with increasing probing depth.
  • Vibration can be used to achieve greater probing depths with the same drive force.
  • the skin friction can be reduced during the compression test due to the vibration of the rods.
  • the vibration also affects the measurements of the probe, so that the results of pressure tests carried out with or without vibration cannot be directly compared with one another.
  • the rod can be turned or rotated by the drive.
  • the rotation due to the rotating probe has an effect on the measured pressure measurement data, so that comparative measurements are necessary.
  • the present invention is based on the object of creating a device and a method for pressure probing with which the skin friction of the rod is reduced without the probing result of the probe being influenced thereby.
  • the probe at the end of the rods can be connected to the rod in a rotationally decoupled manner. Due to this rotational decoupling of the probe from the rods, in particular the probing rods or the drill rods, the entire rod system can reduce the skin friction during the Rotate the pressure test, without the probe rotating at the same time. As a result, the probe only experiences resistance parallel to the longitudinal axis of the rod. Any further friction factors or friction components that arise from an additional rotation and are laborious to calculate from the result can thereby be avoided. By rotating the probing rods, higher probing depths can be achieved than before, namely by reducing the skin friction on the rods. The skin friction on the probe is not influenced by this solution.
  • a rod preferably a first probing rod of a rod, in particular a probing rod, has at least one flushing hole through which a flushing medium that is guided through the rod can be guided to the outside.
  • the flushing of the rods, in particular the probing rods or the drill rods reduces the skin friction of the rods during the pressure test.
  • the skin friction of the probe is not influenced by this, so that the measurement results are not influenced by this reduction in friction.
  • the invention can preferably provide that a pivot bearing is arranged above a sensor system of the probe, preferably on the first probe rod or on a probe carrier, the pivot bearing being a ball bearing, cylinder bearing, barrel bearing, slide bearing or the like.
  • the pivot bearing can be integrated in a probe rod of the probe rod, preferably a first probe rod directly above the probe, or directly in the probe or the probe carrier.
  • the pivot bearing is a slip ring. This slip ring can have sliding contacts in order, for example, to transmit energy and / or data.
  • the pivot bearing is fastened in a locking unit in a drill string, a support tube of a drill string or directly on a drill string, or can be coupled or releasably coupled.
  • the pivot bearing can be used both with a probing rod and with a drill rod use flexible. Due to this flexible configuration of the device according to the invention or the pivot bearing, flexible use is possible.
  • a probing rod preferably a first probing rod of the probing rod, has a drill bit and / or at least one reamer in front of the probe and in front of the pivot bearing.
  • the probing rod preferably the first probing rod above the probe, has at least one flushing hole through which a flushing medium that is passed through the Sond michsge can be conducted to the outside.
  • the rinsing medium which penetrates into an annular space between the probing rods and the ground to be probed, can also reduce the friction on the probing rod.
  • the annulus is widened and flushed even more effectively, with the cuttings produced during the drilling process being conveyed out.
  • the skin friction of the rod with the subsurface can be reduced even when using a known exploratory rod. This reduction in friction or resistance allows the probing depth to be increased further.
  • the probe can be supplied with energy wirelessly via the pivot bearing, for example via sliding contacts.
  • the pivot bearing exchanges data between the probe and the linkage or a control unit, which can be positioned at an upper end of the linkage, wirelessly, e.g. via sliding contacts or via an acoustic, optical or radio connection.
  • This eliminates the need for a complicated and error-prone cable connection between the probe and the rods.
  • a reliable energy and data transfer between the probe and a control unit above the bearing can be achieved via sliding contacts.
  • no cable for energy or data transfer has to be carried in the probe string.
  • an autonomous probe can be used, in which, for example, a data logger and / or an energy supply can be integrated.
  • data control can be carried out in real time even when working with an autonomous probe, or wireless data can be read out immediately after use.
  • a modem can be used for this, which can be positioned for data transmission in the probing line (optimally in the uppermost area of the probe installation, above the bearing). If the modem and the probe have separate energy supplies, wireless data transmission in the area of the pivot bearing is sufficient.
  • the probe has its own power supply, control and data recording.
  • a battery or a rechargeable battery is arranged in the probe, which provides sufficient electrical energy for the duration of the pressure probe to supply the probe or measuring devices with energy.
  • a transmitter and / or a receiver, in particular a modem for the wireless transmission of the data obtained in the probing line are arranged on the probe, the support tube or the locking unit. Thanks to this wireless data transfer, the data obtained and the quality of the measurement can be assessed even in the autonomous probe operation during the probing test. This online evaluation allows the entire pressure probe to be designed particularly efficiently.
  • the probe or the linkage has a sensor by means of which it can be determined whether the probe is moving relative to the linkage or is stationary.
  • This sensor can be controlled via the aforementioned data transfer device or read out online.
  • Another embodiment of the present invention can provide that the pivot bearing can be locked during the pressure probe, whereby a relative movement between the linkage and the probe for a comparison measurement, for example, is prevented. In this way, the effect of the skin friction on the sounding string can be examined depending on the nature of the soil. From this additional data, for example, additional properties of the ground that has been probed can be determined.
  • a probe rod for solving the problem mentioned at the beginning is described by claim 14. Furthermore, a drill rod for solving the aforementioned object is claimed by claim 15.
  • the probe in order to record pressure probing measurements, the probe is rotationally decoupled from a rod, in particular from a probing rod or a drill rod, as described above, and / or the rod, in particular the probing rod, is surrounded by a flushing medium.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a system for pressure probing
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a section of a probing rod with a probe
  • Fig. 3 is a schematic representation of a section of a drill string with egg ner probe
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a further exemplary embodiment of the drill rod according to FIGS. 3 and
  • FIG. 5 shows a schematic representation of the probing rod according to FIG. 2 using a rinsing liquid.
  • pressure probes can be carried out in a substrate 11.
  • a probe 12 which is fastened or coupled to a linkage 13 is pressed into the substrate 11.
  • This underground 11 can be either on land or under water.
  • the linkage 13 with the probe 12 can accordingly, for example, as shown in FIG. 1, be driven into the subsurface 11 by a system 14.
  • This on location 14 can for example be assigned to a vehicle 15 or, in the case of an offshore drilling, an oil rig, a ship or a robot on the sea floor.
  • the probe 12 is not only pressed in the probing direction 16 parallel to a longitudinal axis of the rod 13, but also rotated or rotated around it according to the arrow direction 17 shown in FIG. 2.
  • This additional Rotationsbe movement of the linkage 13 can be performed by the system 14. This rotation reduces the skin friction on a jacket of the rod assembly 13.
  • this rotational movement can also have a detrimental effect on the measurement data of the pressure probing.
  • a pivot bearing 18 is provided between the probe 12 and the rod 13 or integrated into the rod 13.
  • the linkage 13 is designed as a probing linkage 19.
  • the first probe rod 20 has the pivot bearing 18 above the probe.
  • the pivot bearing 18 can, deviating from the illustration in FIG. 2, also be arranged in a different position, such as on the probe 12 above a sensor system or further above on the probing rod 19 Probing rod 19 is driven into the ground 11 in the probing direction 16, the probe 12 is thus rotationally decoupled from the probing rod 19.
  • the probing rod 19 In order to reduce the skin friction of the probing rod 19 even further, it can, as shown in FIG. 2, have a drill bit 21 above the probe 12 and above the pivot bearing 18. Through this drill bit 21, a hole is drilled out after the probe 10, the diameter of which is larger than the probe rod 19. The use of a drill bit 21 is only possible if the probe rod 19 is rotatable. Contrary to the probing direction 16 of the drill bit 21 following, additional scrapers 22 are also conceivable on the Sond michsge rod 19. These scrapers 22 comminute further rock or keep an annular space 23, which is formed around the probing rod 19 during drilling, free.
  • FIG. 5 shows schematically how the probing rod 19 shown in FIG. 2 is driven with the probe 12 into the ground 11. Since it is easy to see how the annular space 23 is generated by the drill bit 21. In the exemplary embodiment shown in FIG. 5, this annular space 23 is flushed out by the flushing medium. The direction of flow of the flushing medium is shown in FIG. 5 by arrows 24.
  • the invention also provides that the probe 12 is rotationally decoupled from a drill rod 25 by the rotary bearing 18.
  • the drill rod 25 also has a drill bit 21 for core drilling and flushing openings.
  • the pivot bearing 18 is arranged between a probe carrier 26 and a locking unit 27. It is conceivable that the pivot bearing 18 is connected or coupled to the locking unit 27 or the probe carrier 26.
  • the Verriege treatment unit 27 is guided to carry out the probing measurements in the drill rod 25 and locked at the lower end for the pressure measurements.
  • the locking unit 27 in the drill rod 25 can be positioned or recovered.
  • the probe 12 with the probe carrier 26 is rotationally decoupled from the rest of the drill rod 25 by the pivot bearing 18. In this way, as previously described for the probing rod, a pressure probing with the drill rod 25 can be carried out. As a result, the drill rod 25 can be used, on the one hand, to extract drill cores and, on the other hand, to carry out the pressure probing described.
  • a further embodiment of the invention is shown.
  • the probe 12 or the probe carrier 26 is supported by a support tube 29 with the locking unit 27.
  • the son carrier 26 has a mandrel 31 for releasable coupling with the support tube 29.
  • the probe carrier 26 can be temporarily coupled to the support tube 29 and decoupled again via this mandrel 31.
  • the pivot bearing 18 can be integrated into the support tube 29 or into the locking unit 27, for example.
  • the probe 12 is energy self-sufficient, that is, that it is provided, for example, with batteries or a rechargeable battery, which ensures a sufficient electrical energy supply for the operation of the probe.
  • the probe 12 is supplied with electrical energy via the rotary bearing 18.
  • 13 cables are passed through the linkage, via which the probe 12 can be provided with electrical energy via the pivot bearing 18.
  • the probe 12 for wireless communication has appropriate transmitters and receivers in order to communicate with an external location.
  • the probe 12 or the locking unit 27 has a modem 30 via which data can be exchanged with the probe 12.
  • the use of a slip ring with sliding contacts is preferred for supplying the probe 12 with electrical energy and for exchanging data via the rotary bearing 18.

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Abstract

Ein bekanntes und häufig eingesetztes Verfahren zur Durchführung von geotechnischen Untersuchungen ist das Cone Penetration Testing, bei dem eine Sonde in einen Untergrund gedrückt wird. Für das Erreichen einer größeren Sondiertiefe ist es außerdem bekannt das Gestänge durch einen Antrieb zu drehen. Allerdings wirkt sich die Rotation durch die sich mitdrehenden Sonde negativ auf die gemessenen Druckdaten aus. Die Erfindung schafft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Drucksondierung mit dem die Mantelreibung eines Gestänges reduziert werden kann. Das wird dadurch erreicht, dass eine Sonde am Ende des Gestänges rotationsentkoppelt mit selbigem verbindbar ist und/oder das Gestänge umspülbar ist.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR DRUCKSONDIERUNG
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Drucksondierung gemäß den Oberbegrif fen der Ansprüche 1 oder 2. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Sondierungsge stänge gemäß dem Anspruch 14. Weiter betrifft die Erfindung ein Bohrgestänge ge mäß dem Anspruch 15. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Durchführung von Drucksondierungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 16.
Ein bekanntes und häufig eingesetztes Verfahren zur Durchführung von in-situ geo- technischen Untersuchungen ist eine Drucksondierung wie z.B. das Cone Penetrati on Testing (CPT), bei dem eine Sonde in einen Untergrund gedrückt wird. Dabei auf tretende Spitzenwiderstände (cone) sowie Mantelreibungen an einer Sonde lassen Rückschlüsse auf eine Beschaffenheit, insbesondere die Scherfestigkeit, des Unter grundes bzw. eines Bodens zu. Um die Sonde in den Untergrund zu drücken, wird beispielsweise ein Sondiergestänge eingesetzt, an dessen unteren Ende die Sonde befestigbar ist.
Im klassischen Verfahren wird ein Kabel innerhalb des Sondiergestänges genutzt, um die Sonde mit Energie zu versorgen und um eine Überprüfung der gewonnenen Daten während des Druckversuches zu ermöglichen. Bekannt ist zudem die Nutzung von einer autonomen Sonde mit eigener Energieversorgung mit Batterien und Daten logger für die 20 Datenspeicherung. Weiterhin kann die autonome Sonde mit einem Modem für einen kabellosen Datentransfer (z.B. akustisch) innerhalb des Sondierge stänges eingesetzt werden. Bei der "Top Push Technique" wird die Sonde zusammen mit dem Sondiergestänge von einer entsprechenden Anlage bzw. von einem Antrieb in den Untergrund ge drückt. Dabei kann diese Anlage als spezielle Vorrichtung für entsprechende Druck tests ausgebildet sein. Alternativ kann es sich bei dieser Anlage z.B. auch um eine Bohranlage bzw. um eine Vorrichtung zur Durchführung von Bohrungen handeln. Diese Anlagen können auf dem zu untersuchenden Untergrund bzw. Boden bei spielsweise auf dem Land oder unter Wasser oder auf einer schwimmenden Platt form (z. B. Bohrschiff) installiert werden.
Alternativ zum Sondiergestänge kann auch ein Bohrgestänge, wie es z.B. für Kern bohrungen eingesetzt wird, für die Durchführung eines Druckversuches genutzt wer den. Das Bohrgestänge ist an einem unteren Ende mit einer Bohrkrone versehen, die eine zentrale Öffnung aufweist. Üblicherweise befinden sich oberhalb der Bohrkrone ein oder mehrere Räumer. Spülungslöcher im Bereich der Bohrkrone erlauben den Einsatz eines Spülmediums, insbesondere einer Spülflüssigkeit oder eines Spülga ses, vorzugsweise Luft, um z. B. das Bohrloch zu stabilisieren und beim Rotations bohren entstehendes Bohrklein aus dem Bohrloch herauszuspülen. Für den Druck versuch mit dem Bohrstrang wird die Sensoreinheit der Drucksonde durch die Bohr krone durchgeführt und befindet sich unterhalb des Bohrstranges. Für die Veranke rung im Bohrstrang kann die Sonde entweder mit einer Verriegelungseinheit verse hen werden oder es wird ein Stützrohr genutzt, das im Bohrgestänge verriegelt ist und die Sonde während des Druckversuchs abstützt; wie beispielsweise in DE 10 2018 006 176 beschrieben. Anschließend kann das Bohrgestänge mit voreilender Sonde in den Boden gedrückt werden. In diesem Fall wird der Bohrstrang ebenfalls in der "Top Push Technique" als Sondiergestänge genutzt. Alternativ kann die Sonde mit einem separaten Antrieb in den Boden gedrückt werden (Downhole Operation).
Der Einsatz der Sonde in Verbindung mit einem Bohrstrang hat den Vorteil, dass im selben Bohrloch alternierend Druckversuche und Kernbohrungen, z. B. für die Ge winnung von Kernproben oder anderweitige Bohrlochmessungen, durchführbar sind. Der Einsatz von speziellem Sondiergestänge hat hingegen den Vorteil, dass mit für den Druckversuch optimierten Gestänge mit geringerem Außendurchmesser gear beitet werden kann, wodurch sich der Kraftbedarf für den Druckversuch reduziert.
Die im Druckversuch zu erreichende Sondiertiefe hängt neben der Kraft des Antrie bes für das Drücken insbesondere von den geotechnischen Eigenschaften des Bo dens ab. Häufig ist eine hohe Mantelreibung Grund für einen Abbruch des Druckver suches. Die Mantelreibung, die der Antriebskraft beim Druckversuch entgegenwirkt, wirkt sowohl auf die Sonde als auch auf das Sondier- bzw. Bohrgestänge, und nimmt daher mit zunehmender Sondiertiefe zu.
Um bei gleicher Antriebskraft größere Sondiertiefen zu erreichen, kann mit Vibration gearbeitet werden. Durch die Vibration des Gestänges kann die Mantelreibung wäh rend des Druckversuchs reduziert werden. Allerdings wirkt sich die Vibration bei dem sogenannten Vibro Cone Penetration Test auch auf die Messungen der Sonde aus, sodass die Ergebnisse von Druckversuchen, die mit bzw. ohne Vibration durchge führt werden, nicht direkt miteinander vergleichbar sind.
Für das Erreichen einer größeren Sondiertiefe kann das Gestänge durch den Antrieb gedreht bzw. zu rotiert werden. Allerdings wirkt sich auch hier die Rotation durch die sich mitdrehenden Sonde auf die gemessene Druckmessdaten aus, so dass Ver gleichsmessungen notwendig sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Drucksondierung zu schaffen, mit der die Mantelreibung des Gestän ges reduziert wird und zwar ohne dass dadurch das Sondierergebnis der Sonde be einflusst wird.
Eine Lösung dieser Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 beschrieben. Dabei ist es vorgesehen, dass die Sonde am Ende des Gestänges rotationsentkop pelt mit selbigen verbindbar ist. Durch diese Rotationsentkopplung der Sonde von dem Gestänge, insbesondere dem Sondierungsgestänge oder dem Bohrgestänge, kann das gesamte Gestänge zur Verringerung der Mantelreibung während des Druckversuches rotieren, und zwar ohne dass sich dabei die Sonde mitdreht. Die Sonde erfährt dadurch lediglich einen Widerstand parallel zur Längsachse des Ge stänges. Etwaige weitere Reibungsfaktoren bzw. Reibungskomponenten, die durch eine zusätzliche Drehung entstehen und aufwendig aus dem Ergebnis herauszu rechnen sind, können dadurch vermieden werden. Durch die Rotation des Sondie rungsgestänges können höhere Sondiertiefen erreicht werden als bisher, und zwar durch die Reduzierung der Mantelreibung auf das Gestänge. Die Mantelreibung auf die Sonde wird bei dieser Lösung nicht beeinflusst.
Eine Lösung der Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 2 beschrieben. Demnach ist es denkbar, dass ein Gestänge, vorzugsweise eine erste Sondierstange eines Gestänges, insbesondere eines Sondierungsgestänges, mindestens ein Spü lungsloch aufweist, durch welches ein Spülmedium, das durch das Gestänge geführt wird, nach außen leitbar ist. Durch die Umspülung des Gestänges, insbesondere des Sondierungsgestänges oder des Bohrgestänges, reduziert sich die Mantelreibung des Gestänges während des Druckversuches. Die Mantelreibung der Sonde wird dadurch nicht beeinflusst, so dass die Messergebnisse nicht von dieser Reibungsre duzierung beeinflusst werden.
Weiter kann es die Erfindung vorzugsweise vorsehen, dass ein Drehlager oberhalb einer Sensorik der Sonde, vorzugsweise an der ersten Sondierstange oder an einem Sondenträger, angeordnet ist, wobei es sich bei dem Drehlager um ein Kugellager, Zylinderlager, Tonnenlager, Gleitlager oder dergleichen handelt. Das Drehlager kann dabei in einer Sondierstange des Sondiergestänges, vorzugsweise einer ersten Son dierstange direkt oberhalb der Sonde, integriert sein oder direkt in der Sonde bzw. dem Sondenträger. Darüber hinaus ist es denkbar, dass es sich bei dem Drehlager um einen Schleifring handelt. Dieser Schleifring kann Schleifkontakte aufweisen, um bspw. Energie und/oder Daten zu übertragen.
Außerdem ist es denkbar, dass das Drehlager in einer Verriegelungseinheit in einem Bohrstrang, einem Stützrohr eines Bohrstrangs oder direkt an einem Bohrstrang be festigt, bzw. koppelbar oder lösbar koppelbar ist. Auf diese Weise lässt sich das Drehlager sowohl zusammen mit einem Sondier- als auch mit einem Bohrgestänge flexibel verwenden. Durch diese flexible Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vor richtung bzw. des Drehlagers ist ein flexibler Einsatz möglich.
Weiter kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass ein Sondierungsgestänge, vorzugsweise eine erste Sondierstange des Sondierungsgestänges, vor der Sonde und vor dem Drehlager eine Bohrkrone und/oder mindestens einen Räumer aufweist. Hierdurch kann bei Rotation des Sondiergestänges das Sondierloch im Durchmesser aufgeweitet werden, wodurch die Reibung am Sondierstrang zusätzlich reduziert wird.
Alternativ oder ergänzend ist außerdem denkbar, dass das Sondierungsgestänge, vorzugsweise die erste Sondierstange oberhalb der Sonde, mindestens ein Spü lungsloch aufweist, durch welches ein Spülmedium, das durch das Sondierungsge stänge geführt wird, nach außen leitbar ist. Durch das Spülmedium, welches in einen Ringraum zwischen Sondierungsgestänge und dem zu sondierenden Untergrund eindringt, kann die Reibung am Sondierstrang ebenfalls reduziert werden. In Kombi nation mit der Nutzung einer Bohrkrone und/oder Räumer wird der Ringraum erwei tert und noch effektiver gespült, wobei Bohrklein, welches bei dem Bohrprozess ent steht, herausgefördert wird. Dadurch lässt sich auch bei der Verwendung eines be kannten Sondiergestänges die Mantelreibung des Gestänges mit dem Untergrund reduzieren. Durch diese Reduzierung der Reibung bzw. des Widerstandes lässt sich die Sondiertiefe weiter erhöhen.
Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann es vorsehen, dass die Sonde über das Drehlager kabellos z.B. über Schleifkontakte mit Energie versorgbar ist. Gleichermaßen kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass das Drehlager kabellos, z.B. über Schleifkontakte oder über eine akustische, optische oder Funkverbindung, Daten zwischen der Sonde und dem Gestänge bzw. einer Steuereinheit, die an einem oberen Ende des Gestänges positioniert sein kann, austauscht. Dadurch erübrigt sich eine komplizierte sowie fehleranfällige Kabelan bindung der Sonde an das Gestänge. Insbesondere bei der Verwendung eines Schleifrings lässt sich über Schleifkontakte ein verlässlicher Energie- und Daten transfer zwischen der Sonde und einer Steuereinheit oberhalb des Lagers realisie- ren. Durch diese Lösung muss, wie bei der klassischen CPT-Sondierung, im Son dierstrang kein Kabel für den Energie- bzw. Datentransfer mitgeführt werden. Für die Verwendung eines Kabels im Zusammenhang mit dem Drehlager müsste das Kabel durch das Lager axial durchgeführt werden, damit es nicht zu einer Aufdrillung kommt. Sofern auf ein Kabel verzichtet wird, kann eine autonome Sonde verwendet werden, in der bspw. ein Datenlogger und/oder eine Energieversorgung integriert sein kann. Durch die Verwendung von Schleifkontakten oder alternativen Kontakten zum kabellosen Datenverkehr können auch beim Arbeiten mit einer autonomen Son de eine Datenkontrolle in Echtzeit durchgeführt werden, bzw. ist ein kabelloses Da tenauslesen unmittelbar nach dem Einsatz möglich. Dafür kann insbesondere ein Modem verwendet werden, welches für die Datenübertragung im Sondierstrang (op timaler Weise im obersten Bereich der Sondeninstallation, oberhalb des Lagers) po sitioniert sein kann. Sofern das Modem und die Sonde separate Energieversorgun gen besitzen, reicht eine kabellose Datenübertragung im Bereich des Drehlagers.
Alternativ oder ergänzend ist es außerdem denkbar, dass die Sonde eine eigene Energieversorgung, Steuerung und Datenaufzeichnung aufweist. Es ist beispielswei se denkbar, dass in der Sonde eine Batterie oder ein Akku angeordnet sind, die für die Dauer der Drucksondierung genügend elektrische Energie zur Verfügung stellen, um die Sonde bzw. Messeinrichtungen mit Energie zu versorgen. Weiter ist es denk bar, dass an der Sonde, dem Stützrohr oder der Verriegelungseinheit ein Sender und/oder ein Empfänger, insbesondere ein Modem für die Kabellose Übertragung der gewonnenen Daten im Sondierstrang angeordnet sind. Durch diesen kabellosen Datentransfer lassen sich auch im autonomen Sondenbetrieb schon während des Sondierversuches die gewonnenen Daten und die Qualität der Messung begutach ten. Durch diese Online-Auswertung lässt sich die gesamte Drucksondierung beson ders effizient gestalten.
Es ist vorzugsweise denkbar, dass die Sonde bzw. das Gestänge einen Sensor auf weist, durch den sich feststellen lässt, ob sich die Sonde relativ zu dem Gestänge bewegt oder stillsteht. Dieser Sensor lässt sich über die vorgenannte Datentransfer einrichtung steuern bzw. online auslesen. Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann es vorsehen, dass das Drehlager während der Drucksondierung arretierbar ist, wodurch eine rela tive Bewegung zwischen dem Gestänge und der Sonde für beispielsweise eine Ver gleichsmessung unterbunden wird. Auf diese Weise lässt sich der Effekt der Mantel reibung auf den Sondierstrang abhängig von der Bodenbeschaffenheit untersuchen. Aus diesen zusätzlichen Daten können beispielsweise zusätzliche Eigenschaften des sondierten Untergrundes ermittelt werden.
Ein Sondierungsgestänge zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird durch den Anspruch 14 beschrieben. Weiter wird durch den Anspruch 15 ein Bohrgestänge zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe beansprucht.
Maßnahmen zur Lösung der genannten Aufgabe werden durch den Anspruch 16 beschrieben. Dabei ist es vorgesehen, dass zur Aufnahme von Drucksondierungs messungen die Sonde von einem Gestänge, insbesondere von einem Sondierungs gestänge oder einem Bohrgestänge, wie zuvor beschrieben, rotationsentkoppelt wird und/oder das Gestänge, insbesondere das Sondierungsgestänge, von einem Spül medium umspült wird. Durch diese Maßnahmen lässt sich die Mantelreibung auf das Gestänge reduzieren.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert.
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anlage zur Drucksondierung,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Sondiergestänges mit einer Sonde,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Bohrgestänges mit ei ner Sonde,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels des Bohrgestänges gemäß Fig. 3 und Fig. 5 eine schematische Darstellung des Sondiergestänges gemäß Fig. 2 unter Verwendung einer Spülflüssigkeit.
Mit der in den Figuren dargestellten Vorrichtung 10 können Drucksondierungen in einem Untergrund 11 durchgeführt werden. Dabei kann beispielsweise, wie in der Fig. 1 stark schematisiert dargestellt, eine Sonde 12, die an einem Gestänge 13 be festigt bzw. gekoppelt ist, in den Untergrund 11 gedrückt werden. Bei diesem Unter grund 11 kann es sich sowohl um einen Boden an Land oder unter Wasser handeln. Das Gestänge 13 mit der Sonde 12 kann demnach beispielsweise, wie in der Fig. 1 dargestellt, durch eine Anlage 14 in den Untergrund 11 getrieben werden. Diese An lage 14 kann beispielsweise einem Fahrzeug 15 zugeordnet sein oder, für den Fall einer Offshore-Bohrung, einer Bohrinsel, einem Schiff oder einem Roboter am Mee resboden.
Um für die Drucksondierungsmesssungen größere Bohrtiefen bzw. Sondiertiefen zu erzielen, wird die Sonde 12 nicht nur in Sondierrichtung 16 parallel zu einer Längs achse des Gestänges 13 gedrückt, sondern auch um diese gemäß der in Fig. 2 dar gestellten Pfeilrichtung 17 gedreht bzw. rotiert. Auch diese zusätzliche Rotationsbe wegung des Gestänges 13 kann durch die Anlage 14 vollführt werden. Durch diese Rotation reduziert sich die Mantelreibung an einem Mantel des Gestänges 13. Aller dings kann sich, sofern die Sonde 12 mitrotiert, diese Rotationsbewegung auch nachteilig auf die Messdaten der Drucksondierung auswirken.
Erfindungsgemäß ist zwischen der Sonde 12 und dem Gestänge 13, bzw. in das Ge stänge 13 integriert, ein Drehlager 18 vorgesehen. Bei dem in der Fig. 2 dargestell ten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist das Gestänge 13 als Sondie rungsgestänge 19 ausgebildet. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die erste Son dierstange 20 oberhalb der Sonde das Drehlager 18 auf. Das Drehlager 18 kann, abweichend von der Darstellung in der Fig. 2, auch an einer anderen Position ange ordnet sein, wie beispielsweise an der Sonde 12 oberhalb einer Sensorik bzw. weiter oberhalb am Sondierungsgestänge 19. Bei der Drucksondierung, d.h. wenn das Sondierungsgestänge 19 in Sondierrichtung 16 in den Untergrund 11 getrieben wird, ist die Sonde 12 somit rotationsentkoppelt von dem Sondierungsgestänge 19.
Um die Mantelreibung des Sondierungsgestänges 19 noch weiter zu reduzieren, kann dieses, wie in der Fig. 2 dargestellt, oberhalb der Sonde 12 und oberhalb des Drehlagers 18 eine Bohrkrone 21 aufweisen. Durch diese Bohrkrone 21 wird der Sondierung 10 nacheilend ein Loch aufgebohrt, das in seinem Durchmesser größer ist als das Sondierungsgestänge 19. Der Einsatz einer Bohrkrone 21 ist insbesonde re nur möglich, wenn das Sondierungsgestänge 19 rotierbar ausgebildet ist. Entge gen der Sondierrichtung 16 der Bohrkrone 21 folgend sind an dem Sondierungsge stänge 19 außerdem zusätzliche Räumer 22 denkbar. Diese Räumer 22 zerkleinern weiteres Gestein bzw. halten einen Ringraum 23, der sich bei dem Bohren um das Sondierungsgestänge 19 bildet, frei.
Außerdem ist es denkbar, dass vorzugsweise im Bereich der Bohrkrone 21 das Son dierungsgestänge 19 nicht dargestellte Spüllöcher aufweist. Durch die Spüllöcher lässt sich bei dem Drucksondierungsprozess das Spülmedium, insbesondere ein Li quid bzw. eine Flüssigkeit oder ein Gas, durch das Gestänge 19 in den Ringraum 23 leiten. In der Fig. 5 ist schematisch dargestellt, wie das in der Fig. 2 dargestellte Sondierungsgestänge 19 mit der Sonde 12 in den Untergrund 11 getrieben wird. Da bei ist gut zu erkennen, wie durch die Bohrkrone 21 der Ringraum 23 erzeugt wird. Dieser Ringraum 23 wird bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel durch das Spülmedium ausgespült. Die Strömungsrichtung des Spülmediums ist in der Fig. 5 durch Pfeile 24 dargestellt. Durch die Verwendung der Bohrkrone 21 und des Spülmediums im Zusammenhang mit dem Sondierungsgestänge 19 und der rotati onsentkoppelten Sonde 12 können besonders große Sondierungstiefen erreicht wer den.
Alternativ sieht es die Erfindung außerdem vor, dass die Sonde 12 durch das Dreh lager 18 von einem Bohrgestänge 25 rotationsentkoppelt wird. In den Fig. 3 und 4 ist jeweils der Anschauung halber lediglich ein unterer Abschnitt des Bohrgestänges 25 dargestellt. Auch das Bohrgestänge 25 weist eine Bohrkrone 21 für Kernbohrungen sowie Spülöffnungen auf. Bei dem in der Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Drehlager 18 zwischen einem Sondenträger 26 und einer Verriegelungseinheit 27 angeordnet. Dabei ist es denkbar, dass das Drehlager 18 mit der Verriegelungs einheit 27 oder dem Sondenträger 26 verbunden bzw. gekoppelt ist. Die Verriege lungseinheit 27 wird für die Durchführung der Sondierungsmessungen in das Bohr gestänge 25 geführt und am unteren Ende für die Druckmessungen arretiert. Mittels eines Fängers 28 ist die Verriegelungseinheit 27 in dem Bohrgestänge 25 positio nierbar bzw. wieder zu bergen. Durch das Drehlager 18 ist die Sonde 12 mit dem Sondenträger 26 von dem übrigen Bohrgestänge 25 rotationsentkoppelt. Auf diese Weise kann genau wie zuvor für das Sondierungsgestänge beschrieben, eine Druck sondierung mit dem Bohrgestänge 25 durchgeführt werden. Dadurch lässt sich das Bohrgestänge 25 zum einen für die Gewinnung von Bohrkernen und zum anderen zur Durchführung der beschriebenen Drucksondierung nutzen.
In der Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Dort wird in Ergänzung zu dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 die Sonde 12 bzw. der Sonden träger 26 durch ein Stützrohr 29 mit der Verriegelungseinheit 27 gestützt. Der Son denträger 26 weist zur lösbaren Kopplung mit dem Stützrohr 29 ein Dorn 31 auf. Über diesen Dorn 31 lässt sich der Sondenträger 26 mit dem Stützrohr 29 temporär koppeln und wieder entkoppeln. Das Drehlager 18 kann beispielsweise in das Stütz rohr 29 oder in die Verriegelungseinheit 27 integriert sein. Durch die Verwendung des Stützrohrs 29 lässt sich die Sonde 12 bzw. der Sondenträger 26 auf eine flexible re Art und Weise verwenden bzw. die notwendige Gesamtlänge der Sonde reduzie ren, was insbesondere bei einem robotischen Einsatz von Vorteil sein kann.
Es ist weiter denkbar, dass die Sonde 12 energieautark ist, d. h., dass sie beispiels weise mit Batterien oder einem Akku versehen ist, der eine ausreichende elektrische Energieversorgung für den Betrieb der Sonde gewährleistet. Gleichermaßen ist es aber auch denkbar, dass die Sonde 12 über das Drehlager 18 mit elektrischer Ener gie versorgt wird. Dabei ist es denkbar, dass durch das Gestänge 13 Kabel geführt werden, über die die Sonde 12 über das Drehlager 18 mit elektrischer Energie ver sorgbar ist. Gleichermaßen ist es denkbar, dass die Sonde 12 für die kabellose Kommunikation über entsprechende Sender und Empfänger verfügt, um mit einer Außenstelle zu kommunizieren. Gleichermaßen ist es denkbar, dass die Sonde 12 oder die Verriegelungseinheit 27 über ein Modem 30 verfügt, über welches ein Aus tausch mit Daten mit der Sonde 12 erfolgen kann. Für die Versorgung der Sonde 12 mit elektrischer Energie sowie für den Austausch von Daten über das Drehlager 18 wird die Verwendung eines Schleifringes mit Schleifkontakten bevorzugt.
Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele zu beschränken ist. Vielmehr ist es vorgesehen, dass die Erfindung auch weitere Ausführungsformen umfasst.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Vorrichtung (10) zur Drucksondierung mit einer in einen Untergrund (11) zu drü ckenden Sonde (12), wobei die Sonde (12) an einem Ende eines Gestänges (13), insbesondere eines Sondierungsgestänges (19) oder eines Bohrgestänges (25), befestigbar ist und wobei zur Drucksondierung das Gestänge (13) mit der Sonde (12) voran rotierend von einem Antrieb in den Untergrund (11) beförder bar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde (12) rotationsentkoppelt mit dem Gestänge (13) verbindbar ist.
2. Vorrichtung (10) zur Drucksondierung mit einer in einen Untergrund (11) zu drü ckenden Sonde (12), wobei die Sonde (12) an einem Ende eines Gestänges (13), insbesondere eines Sondierungsgestänges (19) oder eines Bohrgestänges (25), befestigbar ist, insbesondere nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Gestänge (13), vorzugsweise eine erste Sondierstange (20) des Son dierungsgestänges (19), mindestens ein Spülungsloch aufweist, durch welches ein Spülmedium, welches durch das Gestänge (13) führbar ist, aus dem Gestän ge (13) hinaus leitbar ist.
3. Vorrichtung (10) zur Drucksondierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drehlager (18) oberhalb einer Sensorik der Sonde (12), vorzugsweise an der ersten Sondierstange (20) oder an einem Sondenträger (26), angeordnet ist, wobei es sich bei dem Drehlager (18) um ein Kugellager, Zylinderlager, Ton nenlager, Gleitlager oder dergleichen handelt.
4. Vorrichtung (10) zur Drucksondierung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehlager (18) in das Sondierungsgestänge (19), vorzugsweise in die erste Sondierstange (20) integriert ist, wobei die erste Sondierstange (20) mit der Sonde (12) gekoppelt ist.
5. Vorrichtung (10) zur Drucksondierung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sondierungsgestänge (19), insbesondere eine erste Sondierstange (20) des Sondierungsgestänges (19), vor der Sonde (12) und vor dem Drehlager (18), eine Bohrkrone (21) und/oder mindestens einen Räumer (22) aufweist.
6. Vorrichtung (10) zur Drucksondierung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bohrstange des Sondierungsgestänges (19), vorzugsweise die erste Sondierstange (20) des Sondierungsgestänges (19) mindestens ein Spülungs loch aufweist, durch welches ein Spülmedium, das durch das Sondierungsge stänge (19) geführt wird, nach außen leitbar ist.
7. Vorrichtung (10) zur Drucksondierung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde (12) durch eine Verriegelungseinheit (27) in einem Bohrstrang bzw. des Bohrgestänges (25) verriegelbar ist, wobei das Drehlager (18) in die Verriegelungseinheit (27) integriert bzw. mit der Verriegelungseinheit (27) kop pelbar ist oder das Drehlager (18) in einem Sondenträger (26) der Sonde (12) in tegriert ist.
8. Vorrichtung (10) zur Drucksondierung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde (12) durch eine Verriegelungseinheit (27) und ein Stützrohr (29), das zwischen der Sonde (12) und der Verriegelungseinheit (27) positioniert ist, in einem Bohrstrang bzw. in dem Bohrgestänge (25) verriegelbar ist, wobei das Drehlager (18) in das Stützrohr (29) oder in einen Sondenträger (26) integriert ist bzw. mit dem Stützrohr (29) koppelbar ist.
9. Vorrichtung (10) zur Drucksondierung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Energietransfer zwischen dem Gestänge (13) und der Sonde (12) durch das Drehlager (18) über Kabel oder kabellos, insbesondere über Schleifkontakte, erfolgt.
10. Vorrichtung (10) zur Drucksondierung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Datentransfer zwischen dem Gestänge (13) und der Sonde (12) durch das Drehlager (18) über Kabel oder kabellos, insbesondere über Schleifkontakte, Funk oder optisch erfolgt.
11. Vorrichtung (10) zur Drucksondierung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonde (12) oder das Stützrohr (29) oder die Verriegelungseinheit (27) eine eigene Energieversorgung aufweisen und/oder einen Sender und/oder ei nen Empfänger, vorzugsweise ein Modem (30), zum Austausch von Daten mit einer Steuereinheit, das einem gegenüberliegenden Ende des Gestänges (13) zugeordnet ist.
12. Vorrichtung (10) zur Drucksondierung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine relative Bewegung zwischen dem Gestänge (13) und der Sonde (12) durch einen der Sonde (12) zugeordneten Sensor feststellbar ist.
13. Vorrichtung (10) zur Drucksondierung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehlager (18) arretierbar ist, wodurch eine relative Bewegung zwi schen dem Gestänge (13) und der Sonde (12) für beispielsweise eine Ver gleichsmessung unterbindbar ist.
14. Sondierungsgestänge (19) zur Durchführung von Drucksondierungen mit einer Vorrichtung (10) gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13.
15. Bohrgestänge (25) zur Durchführung von Drucksondierungen mit einer Vorrich tung (10) gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13.
16. Verfahren zur Durchführung von Drucksondierungen mit einer Vorrichtung (10) gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass zur Aufnahme von Drucksondierungsmessungen eine Sonde (12) von ei nem Gestänge (13), insbesondere von einem Sondierungsgestänge (19) oder ei nem Bohrgestänge (25), rotationsentkoppelt wird und/oder das Gestänge (13), insbesondere das Sondierungsgestänge (19), mit einem Spülmedium umspült wird.
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