EP4239162A1 - Bohranlage - Google Patents

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Publication number
EP4239162A1
EP4239162A1 EP23000024.2A EP23000024A EP4239162A1 EP 4239162 A1 EP4239162 A1 EP 4239162A1 EP 23000024 A EP23000024 A EP 23000024A EP 4239162 A1 EP4239162 A1 EP 4239162A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
drilling
unit
subsoil
designed
type
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
EP23000024.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Heidler
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.)
H & E Bohrtechnik GmbH
Original Assignee
H & E Bohrtechnik 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 H & E Bohrtechnik GmbH filed Critical H & E Bohrtechnik GmbH
Publication of EP4239162A1 publication Critical patent/EP4239162A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B49/00—Testing the nature of borehole walls; Formation testing; Methods or apparatus for obtaining samples of soil or well fluids, specially adapted to earth drilling or wells
    • E21B49/003—Testing the nature of borehole walls; Formation testing; Methods or apparatus for obtaining samples of soil or well fluids, specially adapted to earth drilling or wells by analysing drilling variables or conditions
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B44/00—Automatic control systems specially adapted for drilling operations, i.e. self-operating systems which function to carry out or modify a drilling operation without intervention of a human operator, e.g. computer-controlled drilling systems; Systems specially adapted for monitoring a plurality of drilling variables or conditions

Definitions

  • the invention relates to a drilling rig with subsoil detection, which is designed to analyze the subsoil during an earth bore.
  • Drilling rigs for ground drilling are known in various designs from the prior art.
  • a drill head is attached to an extendable rod and rotated into the ground. Drilling takes place via a drive that sets the drill rods in rotating motion.
  • Such a drilling rig is usually of compact design, so that it can be made transportable.
  • Erdlochbohrmaschinen can be designed in particular for vertical and horizontal drilling.
  • Drilling emulsions make it possible to soften the area of the drill channel in front of the drill head and thus improve the cutting effect. Furthermore, the removed earth material is flushed out and for this purpose an annular gap between the drill rod and the drill channel is kept open, which at the same time reduces the skin friction between the drill rod and the drill channel wall, with the drilling emulsion also acting as a lubricant.
  • Drilling emulsions are in particular in the form of a dispersion of water and bentonite and can also contain additives, with adjustment to the material properties of the drill bed being necessary here.
  • An advantageous solution for the material composition-adaptive provision of a drilling emulsion is, for example, by DE 10 2017 002 336 A1 known.
  • the mechanical operating parameters such as speed, penetration depth, penetration depth per revolution, etc. can usually be set via the machine according to the prior art. Furthermore, with an existing device In addition, the composition of the drilling emulsion can be prepared and supplied according to requirements.
  • the operating parameters it is usual here for the operating parameters to be set manually by the system operator. It is particularly disadvantageous here that the decision-making basis for the setting of the operating parameters is based on the assessment and the experience required for this by the plant operator or on subsoil analyzes carried out beforehand. The disadvantage here is that subsoil analyzes are time-consuming and costly and generally only provide information on certain reference sections of the future drill channel.
  • the quality of a borehole depends on the experience of the plant operator and thus on subjective factors.
  • the quality of a well including the time required, energy required, the consumption of drilling emulsion and in particular the stress and wear on the drilling rig, can thus be disadvantageously suboptimal and fluctuate greatly.
  • the object of the invention is to provide a drilling rig with which ground drilling can be carried out efficiently and with high quality and the service life of the rig or of components of the rig can be increased.
  • the drilling rig according to the invention is preferably designed as a horizontal drilling rig and has a mechanical drilling unit, a sensor unit and a subsoil detection unit as basic components.
  • the drilling rig is preferably designed to be compact so that it is easily transportable.
  • the system can, for example, be set up directly on various chassis or housed in standardized freight containers.
  • the drilling mechanism unit has a drive assembly, a drilling assembly and a drilling emulsion unit.
  • the mechanical drilling unit includes, in particular, the drill head and the drill rods and is used directly for the mechanical removal of the soil in the form of a borehole. To do this, a drill head with an extendable rod is driven into the ground.
  • the area of the subsoil into which the borehole is to be drilled is referred to below as the subsoil.
  • a pilot bore is preferably first introduced in a feed movement.
  • the pilot bore is guided to an outlet opening at the target point.
  • the drill head is now accessible and is now exchanged for a clearing drill head, which is designed for removing subsoil in a clearing bore and usually has a larger diameter than the drill head for the pilot bore.
  • the clearing bore is then carried out by a retraction movement with a simultaneous rotating cutting movement of the clearing drill head and the drill channel is thus widened.
  • the rotary movement required for this and the superimposed feed movement, as well as the retraction movement in the case of a clearing bore, are generated by the drive assembly.
  • This is also known as such from the prior art and preferably has at least one motor, one gear and a correspondingly solid frame.
  • the drilling rig according to the invention is characterized in particular by the sensor unit and the subsoil detection unit.
  • the sensor unit according to the invention is designed to record a number of parameters of a drilling process.
  • the sensor unit has a plurality of sensors. The parameters are recorded using these sensors.
  • sensors can be arranged as additional structural units on the relevant elements of the mechanical drilling unit. However, it is also possible that the sensors are already present as integrated structural units of the mechanical drilling unit and the mechanical drilling unit provides an interface via which the data from the sensors can be output and then further processed.
  • the sensors thus determine the parameters that are important for the process. These are in particular mechanical parameters.
  • the shearing or pulling force provides information about the axial force applied to the drill head in relation to the ground for drilling advance or about axial skin friction when pulling out the drill rods and thus enables conclusions to be drawn about the properties of the subsoil material such as in particular the soil density or hardness. This also applies in a corresponding manner to the torque in connection with the speed. Further of the sensors correspondingly record further characteristic values.
  • the amount of drilling emulsion and the drilling emulsion pressure applied can also be related to one another and to parameters and thus allow more precise conclusions to be drawn about the properties of the subsoil material.
  • the properties of the subsoil material are also referred to below as subsoil properties or subsoil properties.
  • the important parameters for each drilling process can be determined, with the strength and rock mechanics being different depending on the type of rock or soil.
  • some of the parameters can also be specified as setting values by the plant operator during the operational management of the drilling plant.
  • the parameters are partly inevitably related to one another, so that, for example, at a certain speed and a certain rate of advance depending on the subsoil properties - at the same time depending on the amount of drilling emulsion and other factors - a certain torque results.
  • the sensor unit is designed to provide the detected parameters in a transferrable manner, so that they are available for further processing by the subsoil detection unit.
  • the subsoil detection unit according to the invention is connected to the sensor unit and receives the data from the sensors in this way.
  • the subsoil detection unit has, in particular, an evaluation unit.
  • the evaluation unit is preferably a computer.
  • the evaluation unit according to the invention is designed to evaluate the detected parameters and to provide an evaluation result.
  • both the absolute values of the individual parameters referred to below as absolute values, and their relative ratios as relative values to one another are used.
  • the more parameters are recorded and evaluated, the more different relationships and thus different relative values can be between the individual parameters are formed.
  • an evaluation result is provided, for example, as a data set that has relative values and preferably both absolute values and relative values.
  • relative values are preferably set in relation to one another, so that derived relative values can also be formed and made available as part of the evaluation result.
  • further derived relative values can be set in further relationships to parameter values, so that derived relative values of the second and higher orders can also be formed.
  • Absolute values, relative values and derived relative values of all orders are collectively referred to as the parameter values
  • the evaluation unit is also designed to assign the evaluation result to a subsoil type that can be stored.
  • the evaluation unit preferably has a storable database.
  • Multi-dimensional value corridors for characteristic values such as absolute values, relative values and derived relative values can be stored here for different subsoil types.
  • a comparison module is used to compare the evaluation result and the range of values, with the relevant subsoil type being assigned to the evaluation result if there is a match.
  • the evaluation unit also has a data output unit which is designed to output the allocated subsoil type as a determined subsoil type.
  • a data output unit is any device that is designed to make a determined subsoil type recognizable for a plant operator or for further technical processing.
  • the data output unit can therefore be, for example, a display, a monitor, an interface or a memory, for example for documentation of a drilled hole.
  • the present invention is based on the fact that, surprisingly, it was found that a significant improvement in the service life of a drilling rig and in particular "the drilling tools such as the drill heads and the drill rods can be achieved with little effort by means of reliable subsoil detection. It was also found that, in particular, the formation of relative values and derived relative values enables a high assignment reliability.
  • Operating processes of this kind are understood to mean, in particular, the operational management of the drilling rig with the aim of achieving certain operating states, as well as tamper-proof documentation of a drilling operation.
  • the rig operator can be provided with a model operating scheme that serves as a guide and significantly reduces the likelihood of sub-optimal operation.
  • the technical requirements for the personnel are reduced so that even less experienced plant operators can operate a drilling rig.
  • the effectiveness of the drilling can be increased, for example by making better use of the subsoil type-specific possible advance speeds, reducing the energy consumption to the required level and the wear and tear of plant parts and consumption of drilling emulsion, for example, can be reduced.
  • Another important advantage is the objectivity of the assessment of the subsoil based on measurement data. Both the measurement data and the output subsoil types can be documented in a tamper-proof manner and thus a This can be the basis, for example, for a cost calculation as well as for a wear assessment of the drilling rig.
  • the drilling rig is characterized in that the evaluation unit is designed to assign a drilling head position to the type of subsoil determined.
  • the exact geoposition data of the subsoil type can be assigned and documented. Furthermore, there is the advantage that information about the drill rods that are subject to skin friction is also available, so that the torque component that is attributable to the drill head and the torque component that is attributable to the skin friction can be better expressed in the evaluation result, thus further increasing the assignment reliability can.
  • the drilling rig is characterized in that the sensor system has a GPS module with which geoposition data can be provided and the evaluation unit is designed to evaluate the geoposition data.
  • a subsoil cadastre can be created with the help of the geoposition data.
  • a drilling area can be stored in the database with its locally recognized subsoil conditions. This means that the data on the condition of the subsoil can also be read from the database using the geoposition for any later applications such as further drilling or for construction work.
  • data that is already available on the condition of the subsoil can be assigned to an evaluation result and used for a Subsoil type recognition or in addition to a recognized subsoil type for a plausibility check.
  • the drilling rig is characterized in that the evaluation unit has a control module which is designed to assign a determined subsoil type to an operating scheme that can be stored. Furthermore, the control module is designed to call up the assigned operating scheme as an established operating scheme and to use the established operating scheme to generate control commands that are transmitted to the drilling mechanism.
  • the control unit then controls and regulates the drilling mechanism, preferably similar to a computer-programmable control based on a microprocessor unit.
  • the system is designed to be self-learning, based on a neural network that adds artificial intelligence to the control.
  • the evaluation unit can further develop an operating scheme in the case of manual plant management. The improved data can thus be accessed for the next comparable well.
  • the invention is an exemplary embodiment based on 1 schematic representation of the drilling rig structure explained in more detail.
  • the figure 1 describes the drilling rig 1 in a schematic representation of the basic structure.
  • the components of the system are accommodated in a system carrier, such as a transport container or the like.
  • the drilling rig 1 is driven by the mechanical drilling unit 2.
  • the drilling assembly 6 represents the tool that penetrates into the subsoil 11 and creates a borehole.
  • the drilling emulsion unit 7 is connected here as a further unit.
  • the drilling emulsion is used to avoid the subsoil 11, to reduce friction and wear on the drilling assembly 6 and to flush out the soil that has been removed in the subsoil 11.
  • a plurality of sensors 8 are distributed on the drilling mechanics unit 2 and the drilling assembly 6 .
  • the sensors 8 are attached in such a way that they can directly determine the influencing variable to be measured.
  • the sensors 8 are combined as a sensor unit 3 .
  • the evaluation unit 9 of the subsoil detection unit 4 has a control module 12 .
  • the control module 12 has a memory with which an operating scheme is stored for a number of subsoil types. The operating scheme in question is called up as soon as a certain subsoil type has been detected. Control commands are generated from the retrieved operating scheme, which control the operating states of the mechanical drilling unit 2 and the drilling emulsion unit 7, for example the speed, the feed force and the amount and composition of the drilling emulsion.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bohranlage (1), aufweisend eine Bohrmechanikeinheit (2), eine Sensorikeinheit (3) und eine Bohrgrunderkennungseinheit (4), wobei die Bohrmechanikeinheit (2) eine Antriebsbaugruppe (5), eine Bohrbaugruppe (6) und eine Bohremulsionseinheit (7) aufweist, wobei die Sensorikeinheit (3) mehrere Sensoren (8) aufweist und ausgebildet ist zur Erfassung mehrerer Kenngrößen eines Bohrvorgangs mittels der Sensoren (8) aus der Gruppe:- Schub-/Zugkraft- Drehmoment- Drehzahl- Vortriebsgeschwindigkeit- Bohrungsweg- Bohrungsneigung- Bohremulsionsmenge- Bohremulsionsdrucksowie ausgebildet ist, die erfassten Kenngrößen übertragbar bereitzustellen, wobei die Baugrunderkennungseinheit (4) mit der Sensorikeinheit (3) verbunden ist und eine Auswertungseinheit (9) aufweist und ausgebildet ist, die erfassten Kenngrößen auszuwerten, ein Auswertungsergebnis bereitzustellen und das Auswertungsergebnis einem hinterlegbaren Baugrundtyp zuzuordnen, und wobei die Auswertungseinheit (9) eine Datenausgabeeinheit (10) aufweist die ausgebildet ist, den zugeordneten Baugrundtyp als einen ermittelten Baugrundtyp auszugeben.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Bohranlage mit Baugrunderkennung die ausgebildet ist, bei einer Erdbohrung den Baugrund zu analysieren.
  • Aus dem Stand der Technik sind Bohranlagen für Erdbohrungen in unterschiedlichen Ausführungen bekannt. Ein Bohrkopf wird an einem verlängerbaren Gestänge angebracht und mittels Rotation in das Erdreich eingebracht. Das Einbohren erfolgt über einen Antrieb, der das Bohrgestänge in rotierende Bewegungen versetzt. Eine derartige Bohranlage ist meist kompakt gestaltet, so dass diese transportabel ausgebildet werden kann. Erdlochbohrmaschinen können insbesondere für vertikale und für horizontale Bohrungen ausgebildet sein.
  • Es ist aus dem Stand der Technik ferner bekannt, insbesondere bei Horizontalbohrungen zur Unterstützung des Bohrvorgangs Bohremulsionen einzusetzen. Bohremulsionen ermöglichen es, den vor dem Bohrkopf liegenden Bereich des einzubringenden Bohrkanals aufzuweichen und damit die Schnittwirkung zu verbessern. Ferner wird das abgetragene Erdmaterial ausgeschwemmt und hierfür ein Ringspalt zwischen dem Bohrgestänge und dem Bohrkanal offengehalten, der zugleich die Mantelreibung zwischen dem Bohrgestänge und der Bohrkanalwandung reduziert, wobei die Bohremulsion zusätzlich als Schmierstoff wirkt. Bohremulsionen liegen insbesondere als eine Dispersion aus Wasser und Bentonit vor und können zudem Zuschlagstoffe aufweisen, wobei hier eine Abstimmung auf die Materialbeschaffenheit des Bohrgrunds erforderlich ist. Eine vorteilhafte Lösung zur materialbeschaffenheitsadaptiven Bereitstellung einer Bohremulsion ist beispielsweise durch DE 10 2017 002 336 A1 bekannt.
  • Die mechanischen Betriebsparameter wie Drehzahl, Eindringtiefe, Eindringtiefe je Umdrehung etc. können nach dem Stand der Technik in der Regel über die Maschine eingestellt werden. Ferner kann bei einer vorhandenen Vorrichtung zudem auch die Bohremulsion in ihrer Zusammensetzung anforderungsspezifisch zubereitet und zugeführt werden.
  • Üblich ist hierbei, dass die Einstellung der Betriebsparameter manuell durch den Anlagenbediener erfolgt. Nachteilig ist es hierbei insbesondere, dass die Entscheidungsbasis für die Einstellung der Betriebsparameter auf der Beurteilung und der hierfür erforderlichen Erfahrung des Anlagenbedieners oder auf zuvor durchgeführten Baugrundanalysen beruht. Nachteilig ist hierbei, dass Baugrundanalysen zeit- und kostenintensiv sind und in der Regel lediglich zu bestimmten Referenzabschnitten des zukünftigen Bohrkanals Aussagen bereitstellen.
  • Die Qualität einer Bohrung ist damit mit oder ohne Baugrundanalyse von der Erfahrung des Anlagenbedieners und somit von subjektiven Faktoren abhängig. Die Qualität einer Bohrung einschließlich des Zeitbedarfs, Energiebedarfs, des Verbrauchs an Bohremulsion und insbesondere die Beanspruchung und der Verschleiß der Bohranlage können damit nachteilig suboptimal vorliegen und stark schwanken.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Bohranlage bereitzustellen, mit der Erdlochbohrungen effizient und in hoher Qualität erbracht werden können und die Lebensdauer der Anlage oder von Bauteilen der Anlage erhöht werden kann.
  • Die Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Die erfindungsgemäße Bohranlage ist vorzugsweise als eine Horizontalbohranlage ausgebildet und weist als Grundkomponenten eine Bohrmechanikeinheit, eine Sensorikeinheit und eine Baugrunderkennungseinheit auf.
  • Die Bohranlage ist bevorzugt kompakt gestaltet, so dass diese leicht transportabel ist. Hierfür kann die Anlage beispielsweise direkt auf verschiedenen Fahrgestellen aufgebaut werden oder in genormten Frachtcontainern untergebracht sein.
  • Die Bohrmechanikeinheit weist in an sich bekannter Weise eine Antriebsbaugruppe, eine Bohrbaugruppe und eine Bohremulsionseinheit auf. Die Bohrmechanikeinheit umfasst insbesondere den Bohrkopf und das Bohrgestänge und dient unmittelbar dem mechanischen Abtragen des Erdreichs in Form eines Bohrlochs. Hierfür wird ein Bohrkopf mit einem verlängerbaren Gestänge in das Erdreich getrieben.
  • Der Bereich des Untergrundes, in den der Bohrkanal einzubringen ist, wird nachfolgend als Baugrund bezeichnet.
  • Vorzugsweise wird zunächst eine Pilotbohrung in einer Vorschubbewegung eingebracht. Die Pilotbohrung wird hierbei bis an eine Austrittöffnung an dem Zielpunkt geführt. Der Bohrkopf ist nun zugänglich und wird nun gegen einen Räumungsbohrkopf ausgewechselt, der für einen Baugrundabtrag in einer Räumungsbohrung ausgebildet ist und in der Regel einen größeren Durchmesser aufweist als der Bohrkopf für die Pilotbohrung. Nachfolgend wird die Räumungsbohrung durch eine Rückzugsbewegung unter gleichzeitiger rotierender Schneidbewegung des Räumungsbohrkopfs ausgeführt und so der Bohrkanal aufgeweitet.
  • Die dazu notwendige Drehbewegung und die überlagerte Vorschubbewegung sowie im Fall einer Räumungsbohrung der Rückzugsbewegung werden durch die Antriebsbaugruppe erzeugt. Diese ist als solche ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt und weist vorzugsweise mindestens einen Motor, ein Getriebe und ein entsprechend massives Gestell auf.
  • Die erfindungsgemäße Bohranlage ist insbesondere durch die Sensorikeinheit und die Baugrunderkennungseinheit gekennzeichnet.
  • Die erfindungsgemäße Sensorikeinheit ist zur Erfassung mehrerer Kenngrößen eines Bohrvorgangs ausgebildet. Hierfür weist die Sensorikeinheit eine Mehrzahl von Sensoren auf. Die Erfassung der Kenngrößen erfolgt mittels dieser Sensoren.
  • Die Sensorikeinheit ist hierbei zur Erfassung mehrerer Kenngrößen aus der nachfolgend aufgeführten Gruppe ausgebildet:
    • Schub-/Zugkraft
    • Drehmoment
    • Drehzahl
    • Vortriebsgeschwindigkeit
    • Bohrungsweg
    • Bohrungsneigung
    • Bohremulsionsmenge
    • Bohremulsionsdruck
  • Die Kenngrößen der genannten Gruppe werden nachfolgend auch verkürzt als die Kenngrößen bezeichnet.
  • Als Sensoren werden alle technischen Mittel verstanden, die zur Erfassung der Kenngrößen verwandt werden können. Die Sensoren können dabei als zusätzliche Baueinheiten an den betreffenden Elementen der Bohrmechanikeinheit angeordnet werden. Es ist aber auch möglich, dass die Sensoren bereits als integrierte Baueinheiten der Bohrmechanikeinheit vorliegen und die Bohrmechanikeinheit eine Schnittstelle bereitstellt, über die die Daten aus den Sensoren ausgegeben und dann weiterverarbeitet werden können.
  • Die Sensoren ermitteln somit die prozesswichtigen Kenngrößen. Hierbei handelt es sich insbesondere um mechanische Kenngrößen. So gibt beispielsweise die Schub- bzw. Zugkraft Aufschluss über die für einen Bohrvortrieb am Bohrkopf gegenüber dem Erdreich anliegende axiale Kraft oder über eine axiale Mantelreibung beim Ausziehen des Bohrgestänges und ermöglicht so einen Rückschluss auf Eigenschaften des Baugrundmaterials wie insbesondere die Bodendichte bzw. - härte. Dies gilt in entsprechender Weise auch für das Drehmoment in Verbindung mit der Drehzahl. Weitere der Sensoren nehmen entsprechend weitere Kennwerte auf. Auch die Bohremulsionsmenge und der hierbei aufgewandte Bohremulsionsdruck können zueinander in Beziehung sowie zu Kenngrößen in Beziehung gesetzt werden und lassen so genauere Rückschlüsse auf Eigenschaften des Baugrundmaterials zu.
  • Die Eigenschaften des Baugrundmaterials werden nachfolgend auch verkürzt als Baugrundeigenschaften oder Baugrundbeschaffenheit bezeichnet.
  • Mit Hilfe der Sensoren in der Sensoreinheit können damit die wichtigen Parameter für jeden Bohrvorgang ermittelt werden, wobei je nach Gesteins- bzw. Bodenart die Festigkeit und Gesteinsmechanik verschieden ist. Die Kenngrößen können in der Regel teilweise zugleich als Einstellwerte durch den Anlagenbediener bei der Betriebsführung der Bohranlage vorgeben werden. Hierbei stehen die Kenngrößen zueinander teilweise in zwangsläufiger Beziehung, so dass beispielsweise bei einer bestimmten Drehzahl und einer bestimmten Vortriebsgeschwindigkeit abhängig von den Baugrundeigenschaften - zugleich auch in Abhängigkeit von der Bohremulsionsmenge und anderen Faktoren - ein bestimmtes Drehmoment resultiert.
  • Weiterhin ist die Sensorikeinheit ausgebildet, die erfassten Kenngrößen übertragbar bereitzustellen, so dass diese für die weitere Verarbeitung durch die Baugrunderkennungseinheit zur Verfügung stehen.
  • Die erfindungsgemäße Baugrunderkennungseinheit ist mit der Sensorikeinheit verbunden und erhält über diesen Weg die Daten der Sensoren.
  • Die Baugrunderkennungseinheit weist insbesondere eine Auswertungseinheit auf. Bei der Auswertungseinheit handelt es sich vorzugsweise um einen Rechner.
  • Die erfindungsgemäße Auswertungseinheit ist ausgebildet, die erfassten Kenngrößen auszuwerten und ein Auswertungsergebnis bereitzustellen. Hierzu werden sowohl die absoluten Werte der einzelnen Kenngrößen, nachfolgend Absolutwerte genannt, als auch deren relative Verhältnisse als Relativwerte zueinander herangezogen. Je mehr Kenngrößen erfasst und ausgewertet werden, umso mehr unterschiedliche Beziehungen und damit unterschiedliche Relativwerte können zwischen den einzelnen Kenngrößen gebildet werden. Auf diese Weise wird ein Auswertungsergebnis beispielsweise als ein Datensatz bereitgestellt, der Relativwerte und vorzugsweise sowohl Absolutwerte als auch Relativwerte aufweist. Vorzugsweise werden zudem Relativwerte zueinander ins Verhältnis gesetzt, so dass zudem abgeleitete Relativwerte gebildet und als Teil des Auswertungsergebnisses zur Verfügung gestellt werden können. Zudem können weiterhin abgeleitete Relativwerte in weitere Beziehungen zu Kenngrößenwerten gesetzt werden, so dass auch abgeleitete Relativwerte zweiter und weiterer Ordnungen gebildet werden können. Absolutwerte, Relativwerte und abgeleitete Relativwerte aller Ordnungen werden zusammengefasst auch als die Kenngrößenwerte bezeichnet
  • Die Auswertungseinheit ist weiterhin ausgebildet, das Auswertungsergebnis einem hinterlegbaren Baugrundtyp zuzuordnen.
  • Hierfür weist die Auswertungseinheit vorzugsweise eine speicherbare Datenbasis auf. Für unterschiedliche Baugrundtypen können hier mehrdimensionale Wertekorridore für Kenngrößenwerte wie Absolutwerte, Relativwerte und abgeleitete Relativwerte hinterlegt werden.
  • Mittels eines Vergleichsmoduls erfolgt ein Vergleich zwischen dem Auswertungsergebnis und den Wertekorridoren, wobei bei einer Übereinstimmung der betreffende Baugrundtyp dem Auswertungsergebnis zugeordnet wird.
  • Die Auswertungseinheit weist ferner eine Datenausgabeeinheit auf die ausgebildet ist, den zugeordneten Baugrundtyp als einen ermittelten Baugrundtyp auszugeben. Als Datenausgabeeinheit wird jede Einrichtung verstanden, die dafür ausgebildet ist, einen ermittelten Baugrundtyp für einen Anlagenbediener oder für eine weitere technische Verarbeitung erkennbar zu machen. Bei der Datenausgabeeinheit kann es sich daher beispielsweise um ein Display, einen Monitor, eine Schnittstelle oder einen Speicher, beispielsweise für eine Dokumentation einer durchgeführten Bohrung, handeln.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt zu Grunde dass überraschend gefunden wurde, dass mittels einer zuverlässigen Baugrunderkennung mit geringem Aufwand eine wesentliche Verbesserung der Lebensdauer einer Bohranlage und insbesondere " der Bohrwerkzeuge wie den Bohrköpfen und den Bohrgestängen erreicht werden kann. Hierbei wurde zudem gefunden, dass insbesondere die Bildung von Relativwerten und abgeleiteten Relativwerten eine hohe Zuordnungszuverlässigkeit ermöglicht.
  • Mit dem erkannten Baugrundtyp steht ein Schema zur Baugrundbeschaffenheit bereit, das eine breite Informationsbasis aggregieren und für weitere Betriebsprozesse zur Verfügung stellen kann.
  • Als solche Betriebsprozesse werden insbesondere die Betriebsführung der Bohranlage mit dem Ziel bestimmter Betriebszustände wie auch eine manipulationssichere Dokumentation eines Bohrvorgangs verstanden.
  • Ausgehend von einem erkannten Bohrgrundtyp kann dem Anlagenbediener ein Musterbetriebsschema zur Verfügung gestellt werden, das als Orientierungshilfe dient und das die Wahrscheinlichkeit einer suboptimalen Betriebsführung wesentlich verringert. Zugleich werden die fachlichen Anforderungen an das Personal reduziert, so dass auch weniger erfahrene Anlagenbediener eine Bohranlage bedienen können.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, dass die Effektivität der Bohrung erhöht werden kann, indem beispielsweise die baugrundtypspezifischen möglichen Vortriebsgeschwindigkeiten besser ausgeschöpft, der Energieverbrauch auf das erforderliche Maß reduziert und der Verschleiß von Anlagenteilen und Verbrauch beispielsweise an Bohremulsion reduziert werden kann.
  • Ein wichtiger Vorteil ist zudem die Objektivität der Beurteilung des Baugrunds anhand von Messdaten. Sowohl die Messdaten als auch die ausgegebenen Baugrundtypen können manipulationssicher dokumentiert werden und somit eine Grundlage beispielsweise für eine Kostenberechnung als auch für eine Verschleißbeurteilung der Bohranlage sein.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Bohranlage dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinheit ausgebildet ist, dem ermittelten Baugrundtyp eine Bohrkopfposition zuzuordnen.
  • Anhand der Bohrkopfposition lassen sich somit die exakten Geopositionsdaten des Baugrundtyps zuordnen und dokumentieren. Weiterhin besteht der Vorteil, dass damit auch eine Information über die in Mantelreibung befindlichen Bohrgestänge vorliegt, so dass der Drehmomentanteil der auf den Bohrkopf und der Drehmomentanteil, der auf die Mantelreibung entfällt, besser in dem Auswertungsergebnis ausgedrückt werden kann und so die Zuordnungszuverlässigkeit weiter erhöht werden kann.
  • Gemäß einer nächsten vorteilhaften Weiterbildung ist die Bohranlage dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorik ein GPS-Modul aufweist, mit dem Geopositionsdaten bereitstellbar sind und die Auswertungseinheit ausgebildet ist, die Geopositionsdaten auszuwerten.
  • Mit Hilfe der Geopositionsdaten kann ein Baugrundkataster erstellt werden. So kann ein Bohrgebiet mit seinen örtlich erkannten Baugrundbeschaffenheiten in der Datenbank gespeichert werden. Somit können die Daten zur Baugrundbeschaffenheit aus der Datenbank anhand der Geoposition auch für eventuelle spätere Anwendungen wie weiteren Bohrungen oder auch für Baumaßnahmen ausgelesen werden.
  • Umgekehrt können zudem etwa bereits zur Verfügung stehende Daten zur Baugrundbeschaffenheit einem Auswertungsergebnis zugeordnet und für eine Baugrundtyperkennung verwandt oder zusätzlich zu einem erkannten Baugrundtyp zur Plausibilitätsprüfung ausgegeben werden.
  • Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Bohranlage dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinheit ein Steuerungsmodul aufweist, das ausgebildet ist, einen ermittelten Baugrundtyp einem hinterlegbaren Betriebsschema zuzuordnen. Weiterhin ist das Steuerungsmodul ausgebildet, das zugeordnete Betriebsschema als ermitteltes Betriebsschema abzurufen und anhand des ermittelten Betriebsschemas Steuerbefehle zu erzeugen, die an die Bohrmechanik übertragen werden.
  • Hierfür ist vorzugsweise in dem Datenbankmodul zu den Baugrundtypen ein Betriebsschemadatensatz zugeordnet, in dem Soll-Betriebszustände, insbesondere Parameter, wie beispielsweise:
    • Schub-/Zugkraft
    • Drehmoment
    • Drehzahl
    • Vortriebsgeschwindigkeit
    • Bohremulsionsmenge
    • Bohremulsionszusammensetzung (Zuschlagsrezepturen)
    • Bohremulsionsdruck
    hinterlegt sind.
  • Die Steuerungseinheit steuert und regelt dann die Bohrmechanik vorzugsweise ähnlich einer Computer-Programmierbaren-Steuerung, basierend auf einer Mikroprozessor-Einheit.
  • Vorteilhaft kann auf diese Weise eine halbautomatische oder automatische Betriebsführung der Bohranlage erfolgen. Die Bohranlage wird dann automatisiert gesteuert und geregelt, wobei optional ein manueller Eingriff möglich bleiben kann.
  • Weiterhin ermöglicht dies, wenn kein eindeutiger Baugrund oder kein Betriebsschema dem aktuellen Bohrvorgang zuordenbar ist, dass an das Bedienpersonal die Anweisung zur manuellen Anlageführung ausgegeben werden kann.
  • In einer weiteren Weiterbildung ist die Anlage selbstlernend ausgebildet, basierend auf einem neuronalen Netzwerk, das der Steuerung eine künstliche Intelligenz hinzufügt. So kann die Auswertungseinheit bei einer manuellen Anlagenführung ein Betriebsschema fortentwickeln. Bei der nächsten vergleichbaren Bohrung kann so auf die verbesserten Daten zugegriffen werden.
  • Die Erfindung wird als Ausführungsbeispiel anhand von
    Fig. 1 schematische Darstellung des Bohranlagenaufbaus
    näher erläutert.
  • Die Figur 1 beschreibt die Bohranlage 1 in einer schematischen Darstellung des grundlegenden Aufbaus.
  • Die Komponenten der Anlage sind in diesem Ausführungsbeispiel in einem Anlagenträger, wie beispielsweise einem Transportcontainer oder Ähnlichem untergebracht. Angetrieben wird die Bohranlage 1 durch die Bohrmechanikeinheit 2. Hierfür besteht diese aus einer Antriebsbaugruppe 5 und der angeschlossenen Bohrbaugruppe 6. Die Bohrbaugruppe 6 stellt das Werkzeug dar, dass in den Baugrund 11 eindringt und ein Bohrloch erzeugt.
  • Als weitere Einheit ist hier die Bohremulsionseinheit 7 angeschlossen. Die Bohremulsion dient der Ausweichung des Baugrunds 11, der Reibungs- und Verschleißminderung an der Bohrbaugruppe 6 und dem Ausschwemmen des abgetragenen Erdreichs im Baugrund 11.
  • An der Bohrmechanikeinheit 2 und der Bohrbaugruppe 6 sind mehrere Sensoren 8 verteilt angeordnet. Die Sensoren 8 sind so angebracht, dass diese die zu messende Einflussgröße direkt ermitteln können. Die Sensoren 8 sind als Sensorikeinheit 3 zusammengefasst.
  • Von hier aus besteht eine Datenverbindung zur Auswertungseinheit 9 der Baugrunderkennungseinheit 4, wobei die Auswertungseinheit 9 die Sensordaten auswertet. Das Auswertungsergebnis wird mittels der Datenausgabeeinheit 10, hier ausgebildet als ein Monitor, ausgegeben und visuell für den Anlagenbediener angezeigt.
  • Ferner weist die Auswertungseinheit 9 der Baugrunderkennungseinheit 4 ein Steuerungsmodul 12 auf. Das Steuerungsmodul 12 weist einen Speicher auf, mit dem für mehrere Baugrundtypen ein Betriebsschema hinterlegt ist. Das betreffende Betriebsschema wird abgerufen, sobald ein bestimmter Baugrundtyp detektiert wurde. Aus dem abgerufenen Betriebsschema werden Steuerbefehle erzeugt, die die Betriebszustände der Bohrmechanikeinheit 2 und der Bohremulsionseinheit 7, beispielsweise die Drehzahl, die Vorschubkraft und die Bohremulsionsmenge und die Bohremulsionszusammensetzung steuern.
    • Verwendete Bezugszeichen
    • 1
    Bohranlage
    2
    Bohrmechanikeinheit
    3
    Sensorikeinheit
    4
    Baugrunderkennungseinheit
    5
    Antriebsbaugruppe
    6
    Bohrbaugruppe
    7
    Bohremulsionseinheit
    8
    Sensoren
    9
    Auswertungseinheit
    10
    Datenausgabeeinheit
    11
    Baugrund
    12
    Steuerungsmodul

Claims (4)

  1. Bohranlage (1),
    aufweisend eine Bohrmechanikeinheit (2), eine Sensorikeinheit (3) und eine Bohrgrunderkennungseinheit (4),
    wobei die Bohrmechanikeinheit (2) eine Antriebsbaugruppe (5), eine Bohrbaugruppe (6) und eine Bohremulsionseinheit (7) aufweist,
    wobei die Sensorikeinheit (3) mehrere Sensoren (8) aufweist und ausgebildet ist zur Erfassung mehrerer Kenngrößen eines Bohrvorgangs mittels der Sensoren (8) aus der Gruppe:
    - Schub-/Zugkraft
    - Drehmoment
    - Drehzahl
    - Vortriebsgeschwindigkeit
    - Bohrungsweg
    - Bohrungsneigung
    - Bohremulsionsmenge
    - Bohremulsionsdruck
    sowie ausgebildet ist, die erfassten Kenngrößen übertragbar bereitzustellen, wobei die Baugrunderkennungseinheit (4) mit der Sensorikeinheit (3) verbunden ist und eine Auswertungseinheit (9) aufweist und ausgebildet ist, die erfassten Kenngrößen auszuwerten, ein Auswertungsergebnis bereitzustellen und das Auswertungsergebnis einem hinterlegbaren Baugrundtyp zuzuordnen,
    und wobei die Auswertungseinheit (9) eine Datenausgabeeinheit (10) aufweist die ausgebildet ist, den zugeordneten Baugrundtyp als einen ermittelten Baugrundtyp auszugeben.
  2. Bohranlage (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Auswertungseinheit (9) ausgebildet ist, dem ermittelten Baugrundtyp eine Bohrkopfposition zuzuordnen.
  3. Bohranlage (1) nach Anspruch 1 und 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Sensorik ein GPS-Modul aufweist, mit dem Geopositionsdaten bereitstellbar sind und die Auswertungseinheit (9) ausgebildet ist, die Geopositionsdaten auszuwerten.
  4. Bohranlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Auswertungseinheit (9) ein Steuerungsmodul (12) aufweist, das ausgebildet ist, einem ermittelten Baugrundtyp ein hinterlegbares Betriebsschema zuzuordnen, das weiterhin ausgebildet ist, das zugeordnete Betriebsschema als ermitteltes Betriebsschema abzurufen und das ausgebildet ist, anhand des ermittelten Betriebsschemas Steuerbefehle zu erzeugen und an die Bohrmechanik zu übertragen.
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