WO2002035049A1 - Lenkbare erdrakete - Google Patents

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WO2002035049A1
WO2002035049A1 PCT/EP2001/012112 EP0112112W WO0235049A1 WO 2002035049 A1 WO2002035049 A1 WO 2002035049A1 EP 0112112 W EP0112112 W EP 0112112W WO 0235049 A1 WO0235049 A1 WO 0235049A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
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head
earth
rocket
steerable
propulsion
Prior art date
Application number
PCT/EP2001/012112
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English (en)
French (fr)
Inventor
Franz-Josef Püttmann
Original Assignee
Tracto-Technik 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 Tracto-Technik Gmbh filed Critical Tracto-Technik Gmbh
Priority to AU2002223628A priority Critical patent/AU2002223628A1/en
Priority to GB0309552A priority patent/GB2386142B/en
Priority to US10/399,834 priority patent/US7270197B2/en
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/36—Percussion drill bits
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/04—Directional drilling
    • E21B7/06—Deflecting the direction of boreholes
    • E21B7/067—Deflecting the direction of boreholes with means for locking sections of a pipe or of a guide for a shaft in angular relation, e.g. adjustable bent sub
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/04—Directional drilling
    • E21B7/06—Deflecting the direction of boreholes
    • E21B7/068—Deflecting the direction of boreholes drilled by a down-hole drilling motor
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/26—Drilling without earth removal, e.g. with self-propelled burrowing devices

Definitions

  • the invention relates to a steerable earth tract for horizontal earth drilling with a propulsion head rotatable with respect to the rocket body and a method for steering such an earth missile and claims the priority of German patent application 100 52 574.1, to which reference is made in terms of content.
  • BESTATIGUNGSKOPIE The majority of the developed rockets either work on the principle that the rocket has a propulsion head that can be adjusted from a central or symmetrical position to an asymmetrical position in order to initiate cornering of the rocket (Group I), or they have one asymmetrical jacking head, whereby the jacking head or the earth rocket rotates continuously for straight running and the rotation is interrupted to initiate cornering in a certain angular position (group II).
  • a Group I device i.e. with adjustable head, is described for example in DE 37 35 018 A1.
  • Devices of this type have a mechanism either to pivot a drive head symmetrical in the initial position, for example by means of an eccentric ring, out of the symmetrical position, or to shift an eccentrically mounted symmetrical drive head by rotation from the drilling axis relative to the device.
  • the mechanism which can be operated mechanically or hydraulically, leads to the fact that the device is brought from a symmetrical basic arrangement "straight ahead" into an asymmetrical arrangement "cornering".
  • To control these devices it is necessary to know the relative position of the jacking head This can be transmitted to an operator by means of appropriate sensors, who can then determine the position of the earth missile and change the direction of travel with the aid of further measuring and display devices.
  • a permanently asymmetrical, for example beveled, propelling head leads to a constant steering movement of the earth missile during propulsion.
  • the earth rocket or the propulsion head is set in rotation, which leads to a tumbling but essentially straight drilling movement of the device.
  • a mechanical device which is arranged outside the borehole and which causes the earth rocket to rotate via a rod.
  • this device and method of operation allows a certain control of the earth missile, it requires considerable constructional and mechanical effort, since in addition to the aggregate for propelling the earth missile, an aggregate for the rotation and a linkage for the transmission of the rotation must be available.
  • the rods are relatively rigid, hinder the steering process and cannot be laid out of the pit to the surface.
  • a waisted flexible linkage is sometimes used as the first linkage behind the rocket so that the rocket can even perform steering movements.
  • drilling methods and devices are also known in which a rod provided with a jacking head is introduced into the ground via a jacking unit attacking outside the hole, as described, for example, in DE 92 07 047 U 1.
  • the linkage required to control or rotate the asymmetrical propulsion head is already available for propulsion and is used for rotation, so that the problem of rotation existing for the earth rocket when straight ahead does not arise.
  • extensive equipment must be provided for each well and in particular transported (linkage, drive), which increases effort and costs.
  • PCT-WO 94/05941 attempts to solve the problem of guiding an earth rocket by means of a group I device, in which the propulsion head from a symmetrical position (straight drilling) by rotation relative to the earth rocket into an asymmetrical position - see arrangement (cornering) can be brought.
  • the jacking head is designed as a cone with guide plates extending from the tip of the head along the jacking head axis for fixing the head during jacking and steering and has a jacking axis which is inclined with respect to the longitudinal axis of the device.
  • the propulsion head has a rear support surface with which it rests on a front support surface of the earth rocket and on which the propulsion head is rotated. The plane of these contact surfaces is inclined with respect to the longitudinal axis of the device. In this way it is possible to rotate the device housing around its longitudinal axis while the soil holds the propulsion head in place via the guide plates.
  • the propulsion head By rotating the housing in this way, the propulsion head can be brought into an eccentric position relative to the device housing, in which cornering takes place.
  • the angle of rotation - in the following difference angle - between the jacking head and the device housing or the two end positions of the jacking head is determined by a driver pin connected to the jacking head and engaging in a circular slot in the device housing. If the pin is at one end of the device slot, the jacking head is in its position for driving straight ahead (straight-ahead position), while at the other end of the device slot it is in the position for cornering (steering position).
  • the device housing can be rotated with the help of the compressed air hose until the device has reached the required angular position (starting position) for the desired curved path.
  • This rotary movement can be composed of two phases.
  • the first phase consists in the fact that initially only the device housing is turned until the driver pin has reached the steering position over the entire differential angle from the straight-ahead position.
  • the jacking head and the device housing are coupled to each other for the further rotary movement, ie the device housing and the jacking head rotate together until the starting position for cornering is reached.
  • the steering position is in the 6 o'clock position when drilling straight ahead and the earth rocket is to be brought out from this position to a curved path running upwards in a vertical plane, then the steering position is brought into the 12 o'clock position. This is done by turning the device housing using the compressed air hose. If the drive head or its driving pin is in the straight out position, then the device housing first rotates alone over the difference angle until the driving pin at the other slot end is in the steering position and then the housing together with the one that is now in the steering position Head turns to 12 o'clock.
  • the device described above is further developed in DE 199 10 292 A1, to which reference is hereby made, so that when moving from straight ahead to cornering, the current head position with respect to the device housing or the position of the driving pin in the housing slot is first determined and then the device is set with the jacking head by turning the compressed air hose to the desired cam track or brought into the starting position for cornering.
  • DE 199 47 645 A1 describes a method in which the earth missile is manually stretched over the supply line between two or more positions in sections, i.e. is rotated discontinuously via the supply line, the jacking head being arranged permanently asymmetrically.
  • the earth rocket is propelled over a certain section of the route without changing its angular position.
  • the section-by-section pendulum movement can be achieved by changing between the 12 o'clock position and the 6 o'clock position become. This leads to a pendulum movement in the vertical axis when walking straight ahead.
  • the invention is based on the object of creating a method which allows simple steering and driving straight ahead with an earth rocket.
  • the invention is also based on the object of providing an earth rocket suitable for this method.
  • the object is achieved by a steerable earth missile according to the independent device claims and a method for operating a steerable earth missile according to the independent method claims.
  • the present invention is based on the knowledge that the guide plates arranged on the conventional propulsion head are not required for the operation of the steerable earth rocket.
  • the propulsion head retains essentially its originally set steering position (path of least resistance) when the earth rocket is being propelled due to the soil surrounding it. This means that no forces are generated in the ground when driving, which causes the head to deflect when driving straight ahead or to swing back from the steering position. Rather, the forces acting on the propulsion head during drilling lead to the fact that it essentially maintains its position with respect to the earth rocket.
  • this problem is solved in that only in the rear area of the jacking head, i.e. holding means are provided in the vicinity of the axis about which the jacking head pivots.
  • the holding means are designed in the form of an advance head having an oversize. This has the advantage that it is possible to rotate the propulsion head, since only the higher frictional resistance of the holding means in the ground has to be overcome, but the holding means also ensure an isolated turning of the body, since a lower frictional resistance has to be overcome when rotating the rocket body than in the case of Turn the jacking head.
  • the holding effect of the holding means can be increased as desired by the choice of their shape or reduced to the relatively low but sufficient holding force of an oversize head with a smooth outer surface.
  • the earth missile can have a device for reverse operation according to the invention and can be moved out of the working face for steering.
  • the front area of the jacking head is then no longer surrounded by compressed earth, but lies freely in the full-diameter earth channel, so that when swiveling, frictional forces only occur in the rear area of the jacking head and lateral movement of soil when swiveling the jacking head is considerably reduced and preferably is avoided.
  • the use of the technique of returning the earth rocket in connection with an oversize head for carrying out the steering process is particularly advantageous.
  • the oversize of the jacking head not only ensures that the body of the earth rocket, which has a smaller diameter, can be easily rotated with the help of the long body (eg supply line) and thereby ensures that the head is adequately held in the ground also that the head finds a sufficient swivel space when swiveling, if the earth rocket and thus the propulsion head has been moved back to remove the propulsion head from the working face.
  • the excess can also be provided separately from the head. It can then be connectable to the propulsion head via a coupling element.
  • the propulsion head has no elements which, when pivoted after the earth rocket has been retracted, cause the surrounding earth to be displaced.
  • the oversize can also be provided on an element, for example a ring, which does not change its axial position when the jacking head is pivoted, so that no frictional resistance of the ground can be overcome when pivoting.
  • the earth rocket When the head is swiveled, the earth rocket can be moved back and forth several times to further facilitate the steering process.
  • the earth missile is preferably equipped with a probe and roll sensors, at least one Hall sensor being able to detect the steering direction of the propulsion head.
  • Fi ⁇ . 1 an earth rocket according to the invention in a symmetrical straight-ahead position
  • Fio. 4 the earth missile of FIG. 2 with the propulsion head located in the working face;
  • Fig. 6 the earth rocket of Fig. 5 after the steering process.
  • the earth rocket 1 has a propulsion head 2 and a body 4 with a striking mechanism.
  • the head 2 has a pivot pin 7 and is rotatably mounted in the front end of the body via a pivot bearing 8 with dowel pins 9.
  • the pivot 7 or the pivot bearing 8 is arranged so that the axis of rotation V of the propulsion head 2 is arranged at an angle ⁇ with respect to the axis K of the body 4.
  • the rotation plane R formed by the rear support surface 10 of the drive head 2 and the front support surface 12 of the body 4 is perpendicular to the axis of rotation V of the drive head Axis of rotational symmetry A of the driving head 2, which corresponds to the angle between the pivot axis and the axis of symmetry A.
  • This leads to the driving head 2 can be made to coincide with its axis of symmetry A with the axis K of the body 4. In this position, the earth missile is set to "straight ahead".
  • the head 2 is pivoted about an axis perpendicular to the image plane by rotating the body 4 about the axis K, so that the axis of symmetry A of the head 2 emerges from the axis K of the body. This can be done using the compressed air hose for the hammer mechanism (not shown).
  • the driving head 2 can also be rotated together with the body 4 via a stop 18 as soon as it has reached the "cornering" position (asymmetrical).
  • the boring head 2 is located in the face when drilling, which generally has compressed soil and thus fixes the position of the boring head 2 with respect to the body 4, but at the same time a pivoting of the boring head axis A in With respect to the body axis K difficult or prevented.
  • the earth rocket can be moved backwards out of the working face with the aid of a reversal of the stroke, in order then to enable the axis A of the propulsion head to be pivoted easily into and out of the steering position within the earth channel.
  • the driving head 2 which is designed as a stepped head, has an oversize 3 at its rear end near the body.
  • the oversize 3 not only ensures problem-free pivoting of the head, but also reduces the friction of the body 4 of the earth rocket while at the same time fixing the propulsion head 2 with respect to rotation in the ground. To make the steering process even easier, the earth rocket can be moved back and forth when performing the steering process.
  • the body In order to determine the position of the driving head 2 in relation to the body 4, the body has a probe with position Hall sensors 20.
  • the probe 20 is protected via buffers 22, 24 against the impact of the propulsion unit of the earth rocket.
  • the body 4 has transmission slots 26 to improve the signal transmission of the probe and an anti-rotation device 28 to ensure reproducibility of the sensor signal with respect to the angle of rotation between the propulsion head 2 and the body 4.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine lenkbare Erdrakete für das horizontale Erdbohren mit einem über einen Langkörper rotierbaren Korpus und einem in Bezug auf den Korpus drehbar gelagerten Vortriebskopf, wobei eine Relativrotation des Korpus zu dem Vortriebskopf ein Ausschwenken des Vortriebskopfes in eine asymmetrische Konstellation oder ein Einschwenken des Vortriebskopfes in eine symmetrische Konstellation bewirkt und mit Haltemitteln zum Halten in der Umgebung, die eine Relativrotation des Korpus und gleichzeitiges Schwenken des Vortribeskopfes erlauben, wobei die Erdrakete vorund rückwärts betrieben werden kann und die Haltemittel im Bereich der Schwenkachse des Vortriebskopfes angeordnet sind.

Description

"Lenkbare Erdrakete"
Die Erfindung betrifft eine lenkbare Erdrakte für das horizontale Erdbohren mit einem in Bezug auf den Raketenkorpus rotierbaren Vortriebskopf und ein Verfahren zum Lenken einer solchen Erdrakete und nimmt die Priorität der deutschen Patentanmeldung 100 52 574.1 in Anspruch, auf die inhalt- lieh Bezug genommen wird.
Grundsätzlich besteht beim Erdbohren das Bedürfnis, die unterirdisch arbeitende Erdrakete an ein bestimmtes Ziel zu leiten bzw. auf einer gewünschten Bahn zu bewegen. Insbesondere beim Horizontalbohren spielt die Zielgenauigkeit der Erdrakete, die teilweise in dicht bebauten Gebieten mit umfangreicher Infrastruktur besonders im Untergrund eingesetzt wird, eine große Rolle. Zum einen muß die Erdrakete eine häufig eng umgrenzte Zielgrube treffsicher erreichen können, um eine Leitung oder ein Kabel in eine gewünschte Lage zu bringen oder an einem bestimmten Punkt aus der Erdoberfläche austreten zu können. Zum anderen kann eine unkontrollierte Abweichung der Erdrakete von der Sollbohrachse zur Beschädigung unterirdisch verlegter Leitungen oder Bauten führen.
Im Stande der Technik sind daher in den letzten 20 Jahren zahlreiche Erdra- keten und -verfahren für solche Geräte entwickelt worden, um ein möglichst zielgenaues Lenken oder eine möglichst zuverlässige Geradeausfahrt einer solchen Erdrakete zu erreichen.
BESTATIGUNGSKOPIE Die entwickelten Erdraketen arbeiten in der Mehrzahl entweder nach dem Prinzip, daß die Rakete einen Vortriebskopf aufweist, der aus einer zentrischen bzw. symmetrischen Lage heraus in eine asymmetrische Lage verstellbar ist, um eine Kurvenfahrt der Erdrakete einzuleiten (Gruppe I), oder sie besitzen einen asymmetrischen Vortriebskopf, wobei für einen Geradeauslauf der Vortriebskopf oder die Erdrakete kontinuierlich rotiert und die Rotation zum Einleiten einer Kurvenfahrt in einer bestimmten Winkelposition unterbrochen wird (Gruppe II).
Ein Gerät der Gruppe I, d.h. mit verstellbarem Vortriebskopf, ist beispielsweise in der DE 37 35 018 A 1 beschrieben. Derartige Geräte besitzen einen Mechanismus, um entweder einen in der Ausgangslage symmetrischen Vortriebskopf, beispielsweise mittels eines Exzenterrings, aus der symmetrischen Lage herauszuschwenken, oder einen exzentrisch gelagerten symmetrischen Vortriebskopf durch Rotation aus der Bohrachse relativ zu dem Gerät zu verschieben. In allen Fällen führt der Mechanismus, der mechanisch oder hydraulisch betätigt sein kann, dazu, daß das Gerät von einer symmetrischen Grundanordnung "Geradeauslauf' in eine asymmetrische Anordnung "Kurvenfahrt" gebracht wird. Zur Steuerung dieser Geräte ist die Kenntnis über die relative Stellung des Vortriebskopfs zur Erdrakete erforderlich. Diese kann mittels entsprechender Sensoren an eine Bedienungsperson übermittelt werden, die dann mit Hilfe weiterer Meß- und Anzeigeeinrichtungen die Position der Erdrakete bestimmen und die Laufrichtung verändern kann.
Bei den lenkbaren Erdraketen der Gruppe II, wie sie beispielsweise in der US-Patentschrift 4 907 658 beschrieben sind, führt ein permanent asymmetrischer, beispielsweise abgeschrägter Vortriebskopf zu einer ständigen Lenkbewegung der Erdrakete beim Vortrieb. Für einen Geradeauslauf wird die Erdrakete oder der Vortriebskopf in Rotation versetzt, was zu einer taumelnden, aber im wesentlichen geradeaus verlaufenden Bohrbewegung des Gerätes führt. Um die laufende Rotation des Kopfes oder des Gerätes bei- zubehalten, ist bei der US-Patentschrift 4 694 913 eine maschinelle Einrichtung vorgesehen, die außerhalb des Bohrlochs angeordnet ist und die Rotation der Erdrakete über ein Gestänge bewirkt. Diese Vorrichtung und Verfahrensweise erlaubt zwar eine gewisse Steuerung der Erdrakete, erfor- dert aber einen erheblichen konstruktiven und maschinellen Aufwand, da neben dem Aggregat für den Vortrieb der Erdrakete ein Aggregat für die Rotation und ein Gestänge für die Übertragung der Rotation zur Verfügung stehen muß. Die Gestänge sind relativ starr, behindern den Lenkvorgang und können nicht aus der Grube zur Oberfläche gelegt werden. Bei solchen Geräten wird zum Teil als erstes Gestänge hinter der Erdrakete ein tailliertes flexibles Gestänge eingesetzt, damit die Erdrakete überhaupt Lenkbewegungen ausführen kann.
Andere Erdraketen vermeiden diesen Aufwand für den Geradeauslauf durch eigenvermitteltes Drehen der Erdrakete oder des Vortriebskopfes, wie z.B. in der DE 39 11 467 A 1 beschrieben.
In allen Fällen führt der Vorteil der Lenkbarkeit einer Erdrakete zu einem nicht unerheblichen Material-, Kosten- und Bedienungsaufwand.
Neben erdraketenvermittelten Horizontalbohrverfahren sind auch Bohrverfahren und Vorrichtungen bekannt, bei denen ein mit einem Vortriebskopf versehenes Gestänge über eine außerhalb der Bohrung angreifende Vortriebseinheit in das Erdreich eingebracht wird, wie beispielsweise in der DE 92 07 047 U 1 beschrieben. Bei diesen Verfahren ist das zur Steuerung oder Rotation des asymmetrischen Vortriebskopfes erforderliche Gestänge bereits für den Vortrieb vorhanden und wird für die Rotation eingesetzt, so daß sich das für die Erdrakete bestehende Problem der Rotation beim Geradeauslauf nicht stellt. Dafür muß aber bei jeder Bohrung eine umfangreiche Ausrüstung bereitgestellt und insbesondere transportiert (Gestänge, Antrieb) werden, was Aufwand und Kosten erhöht. Die PCT-WO 94/05941 , auf die hiermit bezug genommen wird, versucht das Problem des Lenkens einer Erdrakete durch ein Gerät der Gruppe I zu lösen, bei dem der Vortriebskopf aus einer symmetrischen Lage (Geradeausbohren) durch Rotation relativ zur Erdrakete in eine asymmetri- sehe Anordnung (Kurvenfahrt) gebracht werden kann. Bei diesem Gerät ist der Vortriebskopf als Kegel mit sich von der Kopfspitze längs der Vortriebskopfachse erstreckenden Leitblechen zur Fixierung des Kopfes beim Vortrieb und beim Lenken ausgebildet und besitzt eine Vortriebsachse, die in bezug auf die Gerätelängsachse geneigt ist. Der Vortriebskopf weist eine hintere Auflagefläche auf, mit der er auf einer vorderen Auflagefläche der Erdrakete aufliegt und auf der der Vortriebskopf gedreht wird. Die Ebene dieser Auflageflächen ist in bezug auf die Gerätelängsachse geneigt. Auf diese Weise ist es möglich, das Gerätegehäuse um seine Längsachse zu drehen, während das Erdreich den Vortriebskopf über die Leitbleche festhält.
Durch eine solche Gehäusedrehung läßt sich der Vortriebskopf in eine exzentrische Lage gegenüber dem Gerätegehäuse bringen, in der eine Kurvenfahrt stattfindet.
Den Drehwinkel - im folgenden Differenzwinkel - zwischen dem Vortriebs- kopf und dem Gerätegehäuse bzw. die beiden Endstellungen des Vortriebskopfs bestimmt ein mit dem Vortriebskopf verbundener, in einen kreisförmigen Schlitz im Gerätegehäuse eingreifender Mitnehmerzapfen. Liegt der Zapfen an dem einen Ende des Geräteschlitzes an, dann befindet sich der Vortriebskopf in seiner Position für die Geradeausfahrt (Geradeausposition), während er sich am anderen Ende des Geräteschlitzes in der Position für die Kurvenfahrt (Lenkposition) befindet.
Um die Erdrakete von einer Geradeausfahrt auf eine bestimmte Kurvenbahn zu bringen, kann das Gerätegehäuse mit Hilfe des Druckluftschlauchs so weit gedreht werden, bis das Gerät die erforderliche Winkellage (Ausgangslage) für die gewünschte Kurvenbahn erreicht hat. Diese Drehbewegung kann sich aus zwei Phasen zusammensetzen. In diesem Falle besteht die erste Phase darin, daß zunächst nur das Gerätegehäuse gedreht wird, bis der Mitnehmerzapfen über den gesamten Diffe- renzwinkel aus der Geradeausposition in die Lenkposition gelangt ist. Sobald das geschehen ist, sind der Vortriebskopf und das Gerätegehäuse für die weitere Drehbewegung miteinander gekoppelt, d.h. das Gerätegehäuse und der Vortriebskopf drehen sich gemeinsam, bis die Ausgangslage für die Kurvenfahrt erreicht ist. Dabei müssen erhebliche Kräfte aufgewandt wer- den, da das Auslenken des Vortriebskopfes ein seitliches Bewegen des umgebenden Erdreichs bewirkt und der Vortriebskopf durch seine Leitbleche bei der Drehung Erdreich bewegen muß. Dies um so mehr, da es sich um verdichtetes Erdreich der Ortsbrust des Vortriebskopfes handelt.
Oberirdisch muß dann festgestellt werden, in welcher Winkelstellung, bezogen auf die Gerätelängsachse, sich die Lenkposition, d.h. das für die Kurvenfahrt maßgebende Ende des Gehäuseschlitzes befindet.
Befindet sich die Lenkposition beispielsweise beim Geradeausbohren in der 6-Uhr-Lage und soll die Erdrakete aus dieser Lage heraus auf eine in einer vertikalen Ebene nach oben verlaufende Kurvenbahn gebracht werden, dann wird die Lenkposition in die 12-Uhr-Lage gebracht. Dies geschieht durch Drehen des Gerätegehäuses mit Hilfe des Druckluftschlauchs. Befindet sich der Vortriebskopf bzw. dessen Mitnehmerzapfen in der Gerade- ausposition, dann dreht sich das Gerätegehäuse zunächst über den Differenzwinkel solange alleine, bis sich der Mitnehmerzapfen am anderen Schlitzende in der Lenkposition befindet und sich dann das Gehäuse zusammen mit dem nunmehr in der Lenkposition befindlichen Vortriebskopf in die 12-Uhr-Lage dreht.
Da die Lenkkopfposition außerhalb des Bohrlochs nicht bekannt ist, läßt sich dort auch nicht feststellen, welche Schlauchdrehung - mit oder ohne Über- windung des Differenzwinkels - erforderlich ist, um die Lenkposition in die richtige Ausgangslage für die Kurvenfahrt zu bringen.
Aufgrund dieser Schwierigkeiten wird das vorbeschriebene Gerät in der DE 199 10 292 A1 , auf die hiermit Bezug genommen wird, dahingehend weitergebildet, daß beim Übergang von der Geradeausfahrt zur Kurvenfahrt zunächst die aktuelle Vortriebskopfposition in bezug auf das Gerätegehäuse bzw. die Position des Mitnehmerzapfens im Gehäuseschlitz ermittelt und sodann das Gerät mit dem Vortriebskopf durch Drehen am Druckluftschlauch auf die gewünschte Kurvenbahn eingestellt bzw. in die Ausgangslage für die Kurvenfahrt gebracht wird.
Es verbleibt aber weiterhin das Problem, daß daß der Vortriebskopf in dem ihn umgebenden stark verdichteten Erdreich fixiert ist. In der Praxis ist das in der PCT-WO 94/05941 beschriebene Gerät kaum einsetzbar, da die für das Drehen der Erdrakete und des Vortriebskopfes erforderlichen Kräfte so groß sind, daß ein Drehen häufig unmöglich ist oder zum Abknicken des Druckluftschlauches führt. Des weiteren bewirken die Leitbleche auf dem Vortriebskopf häufig eine unkontrollierte Ablenkung des Gerätes in eine nicht gewollte Richtung, z. B. durch Steine o.a..
In der DE 199 47 645 A1 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem die Erdrakete über die Versorgungsleitung manuell zwischen zwei oder mehreren Positionen streckenabschnittsweise, d.h. diskontinuierlich über die Versor- gungsleitung gedreht wird, wobei der Vortriebskopf permanent asymmetrisch angeordnet ist.
Für eine Kurvenfahrt wird die Erdrakete ohne Veränderung ihrer Winkelposition über einen bestimmten Streckenabschnitt vorgetrieben. Für einen Gera- deauslauf kann die streckenabschnittsweise Pendelbewegung über einen Wechsel zwischen der 12-Uhr-Position und der 6-Uhr-Position erreicht werden. Dies führt beim Geradeauslaufen zu einer Pendelbewegung in der Vertikalachse.
Bei diesem Verfahren wird zwar das Lenken erleichtert, da der Vortriebskopf nicht mehr relativ zur Erdrakete gedreht wird und folglich keine Leitbleche aufweisen muß. Es besteht aber die Notwendigkeit beim Geradeausfahren ein ständiges Hin- und Herlenken mittels des Druckluftschlauches durchzuführen, was in einigen Fällen zu einem unerwünschten Bedienungsaufwand führt.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, welches ein einfaches Lenken und Geradeausfahren mit einer Erdrakete erlaubt. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine für dieses Verfahren geeignete Erdrakete zu schaffen.
Die Aufgabe wird gelöst, durch eine lenkbare Erdrakete gemäß den unabhängigen Vorrichtungsansprüchen und einem Verfahren zum Betrieb einer lenkbaren Erdrakete gemäß den unabhängigen Verfahrensansprüchen.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die an dem herkömmlichen Vortriebskopf angeordneten Leitbleche für den Betrieb der lenkbaren Erdrakete nicht erforderlich sind. Der Vortriebskopf behält nämlich beim Vortrieb der Erdrakete bereits aufgrund des ihn umgebenden Erdreichs im wesentlichen seine ursprünglich eingestellte Lenkposition (Weg des geringsten Widerstandes). So entstehen im Erdreich beim Vortrieb keine Kräfte, die den Vortriebskopf zu einem Auslenken aus der Geradeausfahrt oder zu einem Zurückschwenken aus der Lenkposition veranlas- sen. Vielmehr führen die beim Bohren auf den Vortriebskopf wirkenden Kräfte gerade dazu, daß dieser seine Position in Bezug auf die Erdrakete im wesentlichen beibehält. Um die Lenkposition des Vortriebskopfes in Bezug auf die Erdrakete zu verändern, muß nun allerdings gewährleistet sein, daß ein Drehen des Korpus der Erdrakete über die Versorgungsleitung nicht gleichzeitig zu einem unge- wollten Drehen des Vortriebeskopfes führt, so daß sich seine Längsachse in Bezug auf die Gerätelängsachse nicht verändert. Im Stande der Technik wird diese Funktion ebenfalls durch die Leitbleche am Vortriebskopf erfüllt.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem dadurch gelöst, daß lediglich im hin- teren Bereich des Vortriebskopfes, d.h. in der Nähe der Achse, um die der Vortriebskopf schwenkt, Haltemittel vorgesehen sind.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Haltemittel in Form eines ein Übermaß aufweisenden Vortriebskopfes ausgebildet. Dies hat den Vorteil, daß ein Drehen des Vortriebskopfes möglich ist, da lediglich der höhere Reibungswiderstand der Haltemittel im Erdreich überwunden werden muß, aber die Haltemittel auch ein isoliertes Drehen des Korpus gewährleisten, da beim Drehen des Raketenkorpus ein geringerer Reibungswiderstand überwunden werden muß als beim Drehen des Vortriebs- kopfes. Dabei läßt sich die Haltewirkung der Haltemittel durch die Wahl ihrer Form beliebig erhöhen oder bis zu der relativ geringen aber ausreichenden Haltekraft eines Übermaßkopfes mit glatter Außenfläche verringern.
Um auch den Schwenkwiderstand in der Ortsbrust zu vermeiden, kann die Erdrakete erfindungsgemäß eine Einrichtung für den Rückwärtsbetrieb aufweisen und zum Lenken aus der Ortsbrust herausgefahren werden. Der vordere Bereich des Vortriebskopfes ist dann nicht mehr von komprimiertem Erdreich umgeben, sondern liegt frei in dem Erdkanal vollen Querschnitts, so daß bei einem Schwenken Reibungskräfte lediglich im hinteren Bereich des Vortriebskopfes auftreten und ein seitliches Bewegen von Erdreich beim Schwenken des Vortriebskopfes erheblich reduziert und vorzugsweise vermieden wird. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz der Technik des Zurückfahrens der Erdrakete in Verbindung mit einem Übermaßkopf zum Durchführen des Lenkvorgangs. Durch das Übermaß des Vortriebskopfes ist nicht nur sicher- gestellt, daß sich der Korpus der Erdrakete, der einen geringeren Durchmesser aufweist, ohne weiteres mit Hilfe des Langkörpers (z.B. Versorgungsleitung) drehen läßt und dabei ein ausreichender Halt des Kopfes im Erdreich gewährleistet ist, sondern auch, daß der Kopf beim Schwenken einen ausreichenden Schwenkraum vorfindet, wenn die Erdrakete und damit der Vortriebskopf zurückbewegt wurde, um den Vortriebskopf aus der Ortsbrust zu entfernen. Das Übermaß kann aber auch getrennt vom Vortriebskopf vorgesehen sein. Es kann dann über ein Kupplungselement mit dem Vortriebskopf verbindbar sein.
Dabei ist es von Vorteil, wenn der Vortriebskopf keine Elemente aufweist, die beim Verschwenken nach dem Zurückfahren der Erdrakete ein Verschieben des umgebenden Erdreichs bewirken. Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann das Übermaß auch an einem Element, beispielsweise einem Ring, vorgesehen sein, welches beim Schwenken des Vortriebskop- fes seine Achslage nicht verändert, so daß beim Schwenken auch kein Reibungswiderstand des Erdreichs zu überwinden ist.
Beim Verschwenken des Kopfes kann die Erdrakete mehrfach vor- und zurückverfahren werden, um den Lenkvorgang weiter zu erleichtern.
Die Erdrakete ist vorzugsweise mit einer Sonde und Rollsensoren ausgestattet, wobei mindestens ein Hallsensor zur Detektion der Lenkrichtung des Vortriebskopfes dienen kann.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fiα. 1 : eine erfindungsgemäße Erdrakete in symmetrischer Geradeausstellung;
Fiα. 2: die Erdrakete der Fig. 1 in asymmetrischer Kurvenstellung;
Fig. 3: die Erdrakete der Fig. 1 mit in der Ortsbrust befindlichem Vortriebskopf;
Fio. 4: die Erdrakete der Fig. 2 mit in der Ortsbrust befindlichem Vortriebskopf;
Fig. 5: die Erdrakete der Fig. 1 nach dem Zurückfahren, vor dem Lenkvor- gang;
Fig. 6: die Erdrakete der Fig. 5 nach dem Lenkvorgang.
Die Erdrakete 1 weist einen Vortriebskopf 2 und einen Korpus 4 mit einem Schlagwerk auf. Der Kopf 2 weist einen Drehzapfen 7 auf und ist über ein Drehlager 8 mit Spannstiften 9 drehbar in dem vorderen Ende des Korpus gelagert. Der Drehzapfen 7 bzw. das Drehlager 8 ist so angeordnet, daß die Drehachse V des Vortriebskopfes 2 in einem Winkel α in Bezug auf die Achse K des Korpus 4 angeordnet ist.
Senkrecht auf der Rotationsachse V des Vortriebskopfes liegt die durch die hintere Auflagefläche 10 des Vortriebskopfes 2 und die vordere Auflagefläche 12 des Korpus 4 ausgebildete Rotationsebene R. Diese Ebene und damit auch die hintere Auflagefläche 10 des Vortriebskopfes weist ebenfalls einen Winkel in Bezug auf die Symmetrieebene bzw. Rotationssymmetrieachse A des Vortriebskopfes 2 auf, der dem Winkel zwischen der Drehzapfenachse und der Symmetrieachse A entspricht. Dies führt dazu, daß der Vortriebskopf 2 sich bezüglich seiner Symmetrieachse A mit der Achse K des Korpus 4 zur Deckung bringen läßt. In dieser Position ist die Erdrakete auf "Geradeausfahrt" eingestellt.
Für eine Kurvenfahrt wird der Vortriebskopf 2 um eine senkrecht auf der Bildebene stehende Achse durch Drehen des Korpus 4 um die Achse K verschwenkt, so daß die Symmetrieachse A des Vortriebskopfes 2 aus der Achse K des Korpus heraustritt. Dies kann mit Hilfe des Druckluftschlauches für das Schlagwerk (nicht dargestellt) erfolgen.
Zum Einstellen der gewünschten Bohrrichtung kann der Vortriebskopf 2 auch zusammen mit dem Korpus 4 über einen Anschlag 18 gedreht werden, sobald er die Stellung "Kurvenfahrt" (asymmetrisch) erreicht hat.
Wie in Fig. 2 und 3 dargestellt, befindet sich der Vortriebskopf 2 beim Bohren in der Ortsbrust, die in der Regel komprimiertes Erdreich aufweist und so die Position des Vortriebskopfes 2 in Bezug auf den Korpus 4 fixiert, gleichzeitig aber ein Verschwenken der Vortriebskopfachse A in Bezug auf die Korpusachse K erschwert oder verhindert.
Wie in Fig. 5 und 6 dargestellt, kann die Erdrakete mit Hilfe einer Schlagumsteuerung rückwärts aus der Ortsbrust herausbewegt werden, um dann ein problemloses Verschwenken der Achse A des Vortriebskopfes innerhalb des Erdkanals in die, und aus der Lenkposition zu ermöglichen.
Der Vortriebskopf 2, der als Stufenkopf ausgebildet ist, weist an seinem hinteren korpusnahen Ende ein Übermaß 3 auf.
Das Übermaß 3 gewährleistet nicht nur ein problemloses Verschwenken des Kopfes, sondern verringert auch die Reibung des Korpus 4 der Erdrakete bei gleichzeitiger Fixierung des Vortriebskopfes 2 bezüglich einer Rotation im Erdreich. Um den Lenkvorgang noch weiter zu erleichtern, kann die Erdrakete beim Durchführen des Lenkvorgangs vor und zurück bewegt werden.
Zum Ermitteln der Lage des Vortriebskopfes 2 in Bezug auf den Korpus 4 weist der Korpus eine Sonde mit Positonshallsensoren 20 auf. Die Sonde 20 ist über Puffer 22, 24 gegen die Schlagwirkung der Vortriebseinheit der Erdrakete geschützt. Der Korpus 4 weist Sendeschlitze 26 zum Verbessern der Signalübertragung der Sonde und eine Verdrehsicherung 28 zum Gewährleisten einer Reproduzierbarkeit des Sensorensignals in Bezug auf den Rotationswinkel zwischen Vortriebskopf 2 und Korpus 4 auf.

Claims

Patentansprüche:
1. Lenkbare Erdrakete für das horizontale Erdbohren mit einem über einen Langkörper rotierbaren Korpus (4) und einem in bezug auf den Korpus drehbar gelagerten Vortriebskopf (2), wobei eine Relativrotation des
Korpus (4) zu dem Vortriebskopf (2) ein Ausschwenken des Vortriebskopfes (2) in eine asymmetrische Konstellation oder ein Einschwenken des Vortriebskopfes (2) in eine symmetrische Konstellation bewirkt und mit Haltemitteln (3) zum Halten in der Umgebung, die eine Relativrota- tion des Korpus (4) und gleichzeitiges Schwenken des Vortriebskopfes
(2) erlauben, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltemittel (3) im Bereich der Schwenkachse des Vortriebskopfes angeordnet sind.
2. Lenkbare Erdrakete nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Erdrakete vor- und rückwärts betrieben werden kann.
3. Lenkbare Erdrakete nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltemittel ausschließlich im Bereich der Schwenkachse angeordnet sind.
4. Lenkbare Erdrakete nach einem der Ansprüche 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vortriebskopf ein Übermaß (3) aufweist.
5. Lenkbare Erdrakete nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ge- kennzeichnet durch eine Sonde (20).
6. Lenkbare Erdrakete nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens einen Rollsensor (20).
7. Lenkbare Erdrakete nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens einen Hallsensor (20) zur Detektion der Stellung des Vortriebskopfes (2). Verfahren zum Umlenken einer in der Ortsbrust einer Bohrung befindlichen lenkbaren Erdrakete mit einem zwischen einer symmetrischen und einer asymmetrischen Ausrichtung rotierbaren Vortriebskopf (2) mit Haltemitteln (3), dadurch gekennzeichnet, daß die Erdrakete zum Umlenken aus der Ortsbrust zurückgefahren und über einen mit dem Korpus der Erdrakete verbundenen Langkörper gedreht wird, so daß eine Relativrotation zwischen dem Korpus (4) der Erdrakete und dem Vortriebskopf (2) bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Erdrakete bei der Rotation vor- und zurückbewegt wird.
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