WO2009146895A2

WO2009146895A2 - Bohrkopf

Info

Publication number: WO2009146895A2
Application number: PCT/EP2009/003959
Authority: WO
Inventors: Volker Boike
Original assignee: Tracto-Technik Gmbh & Co. Kg
Priority date: 2008-06-03
Filing date: 2009-06-03
Publication date: 2009-12-10
Also published as: GB2473559A; GB201020199D0; DE102008026456B4; WO2009146895A3; GB2473559B; DE102008026456A1; JP5665736B2; JP2011522141A; US20120006597A1

Abstract

Ein Bohrkopf, insbesondere für eine Horizontalbohrvorrichtung, weist ein Gehäuse sowie eine innerhalb des Gehäuses angeordnete Radareinheit auf, wobei die Radareinheit elektromagnetische Wellen erzeugt, die aus dem Gehäuse austreten, und ist dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse zumindest in dem Bereich, in dem die elektromagnetischen Wellen aus diesem austreten, aus einem dielektrischen Werkstoff besteht.

Description

"Bohrkopf'

Die Erfindung betrifft einen Bohrkopf und insbesondere einen Bohrkopf für eine Hon- zontalbohrvorπchtung

In der Horizontalbohrtechnik stellen Hindernisse vor dem Bohrkopf der Bohrvorrichtung ein Problem dar Solche Hindernisse können beispielsweise Hartgesteinsbrocken sein, die von den eingesetzten Bohrvorrichtungen häufig nicht zerstört werden können Weiterhin können sich in oberflachennahen Erdbereichen auch Wasser-, Gas-, Telefon- oder Stromleitungen befinden, die bei einer Bohrung nicht zerstört werden dürfen

Diese Problematik hat zu der Entwicklung von gesteuerten Hoπzontalbohrvorπchtun- gen gefuhrt Mit derartigen, mit HDD (Horizontal Directional Drilling) bezeichneten Bohrvorrichtungen sind Umfahrungen von Hindernissen möglich Es ist weiterhin bekannt, mittels Georadar-Erkundung eine Hindernisortung durchzufuhren, um aufgrund der Ortung eine Umfahrung der Hindernisse durchfuhren zu können

Aus der US 7 143 844 B2 ist eine Horizontalbohrvorrichtung mit einer in ein Sendergehause des Bohrkopfs integrierten Radareinheit bekannt Mittels der Radareinheit können Hindernisse im Erdreich regelmäßig sicher detektiert werden, indem die von der Radareinheit ausgestrahlten elektromagnetischen Wellen von elektrisch leitenden Bestandteilen der Hindernisse reflektiert und von der Radareinheit wieder empfangen werden Durch eine Auswertung der empfangenen elektromagnetischen Wellen kann unter anderem die Position, d h die Richtung des Hindernisses in Bezug zu dem Bohrkopf, und die Entfernung hierzu ermittelt und zu einer Kurskorrektur der Bohrvorrichtung verwendet werden Ein wesentliches Problem stellt jedoch die Integration einer Radareinheit in eine Hori- zontalbohrvorπchtung dar Da mittels der Radareinheit in der Regel der Bereich vor dem Bohrkopf überwacht werden soll, ist es sinnvoll, die Radareinheit in dem Bohrkopf anzuordnen, um eine Störung der elektromagnetischen Wellen durch die Hoπzontal- bohrvorπchtung selbst auszuschließen

Nun stellt jedoch der Bohrkopf in einer Horizontalbohrvorrichtung das am stärksten belastete Bauteil dar, da mit diesem die von einer Antriebseinheit der Horizontalbohrvorrichtung erzeugten statischen und dynamischen (bei einer schlagenden Vorrich- tung) Bohrkrafte auf das Erdreich übertragen werden Aufgrund der hohen Beanspruchung des Bohrkopfs im Bohrbetrieb wird dieser quasi ausschließlich aus hochlegiertem Stahl gefertigt, da dieser Werkstoff die erforderlichen Eigenschaften hinsichtlich Harte, Festigkeit, Verschleißfestigkeit und Duktilitat aufweist und zudem ausreichend preiswert ist

Stahl ist jedoch ein elektrisch leitender Werkstoff, der daher elektromagnetische Wellen, die von einer Radareinheit ausgesendet werden, reflektiert Die Integration einer Radareinheit in einen Bohrkopf einer Horizontalbohrvorrichtung stellt somit eine große Herausforderung dar, da, um die Radareinheit zu schützen, diese in das Gehäuse des Bohrkopfs integriert werden sollte, die Verwendung von Stahl oder auch einem anderen elektrisch leitenden, insbesondere metallischem Werkstoff für das Gehäuse das Aussenden der elektromagnetischen Wellen durch die Gehausewand jedoch durch eine Reflektion an der Gehauseinnenseite verhindert

Obwohl in der US 7 143 844 B2 die Integration einer Radareinheit in das Gehäuse eines Bohrkopfs einer Horizontalbohrvorπchtung erwähnt ist, wird dann nicht offenbart, wie das oben geschilderte Problem gelost werden kann

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine vorteilhafte Möglichkeit zur Integration einer Radareinheit in einen

Bohrkopf anzugeben

Diese Aufgabe wird durch einen Bohrkopf gemäß Patentanspruch 1 gelost Vorteilhafte Ausfuhrungsformen sind Gegenstand der abhangigen Patentansprüche

Der Kern der Erfindung sieht vor, zumindest denjenigen Bereich des Gehäuses eines erfmdungsgemaßen Bohrkopfs, in dem die von einer in den Bohrkopf integrierten Ra- daremheit ausgesendeten elektromagnetischen Wellen aus dem Gehäuse austreten, aus einem dielektrischen, d h elektrisch nicht leitenden Werkstoff auszubilden Em sol- eher Werkstoff reflektiert die elektromagnetischen Wellen nicht, so daß ein nahezu ungehindertes Austreten aus dem Bohrkopf ermöglicht wird Ein insbesondere für eine Horizontalbohrvorrichtung vorgesehener, erfindungsgemäßer Bohrkopf umfaßt daher zumindest ein Gehäuse sowie eine innerhalb des Gehäuses angeordnete Radareinheit, die elektromagnetische Wellen erzeugt, die aus dem Gehäuse austreten können, wobei das Gehäuse zumindest in dem Bereich, in dem die elektromagnetischen Wellen aus diesem austreten, zumindest teilweise aus einem dielektrischen Werkstoff besteht.

Der grundsätzliche Aufbau einer Radareinheit und insbesondere einer für den Einsatz in einer Bohrvorrichtung ausgelegten Georadareinheit ist aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt, wobei lediglich der Vollständigkeit halber erläutert wird, daß eine solche Radareinheit zumindest eine Sendeeinrichtung zum Aussenden elektromagnetischer Wellen, eine Empfangseinheit zum Empfangen von elektromagnetischen Wellen und insbesondere von den zuvor ausgesendeten und von einem Gegenstand reflektierten elektromagnetischen Wellen aufweist. Weiterhin kann die Radareinheit eine Übertragungsvorrichtung zum Übertragen von Signalen der Empfangseinheit zu einer Auswerteeinheit aufweisen, wobei die Auswerteeinheit sowohl innerhalb der Bohrvorrichtung selbst als auch außerhalb von dieser und insbesondere in einer an der Erdoberfläche positionierten Steuerungsvorrichtung angeordnet sein kann. Die Aus- werteeinheit kann weiterhin mit einer Anzeigeeinheit verbunden sein, die Informationen bezüglich der sich im Erdreich befindenden und von der Radareinheit detektierten Hindernisse, insbesondere hinsichtlich Entfernung, Lage (d.h. Richtung bezüglich der Bohrvorrichtung), Große und Form anzeigt Die Auswerteeinheit kann weiterhin mit einer Steuerungseinheit verbunden sein, die automatisch eine Kurskorrektur für den Bohrkopf der Bohrvorrichtung durchführen kann, um eine Kollision mit dem detektierten

Hindernis zu verhindern.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Bohrkopfs ermöglicht, das Gehäuse des Bohrkopfs weiterhin aus einem hierfür besonders geeigneten Werkstoff, insbesondere Stahl, zu fertigen und lediglich einen definierten Bereich, der vorzugsweise lediglich so groß gewählt sein sollte, daß die elektromagnetischen Wellen der Radareinheit möglichst ungehindert aus dem Gehäuse des Bohrkopfs austreten können, aus einem Werkstoff zu fertigen, der gegebenenfalls weniger die an einen Werkstoff für das Gehäuse eines Bohrkopfs gestellten Anforderungen erfüllt, jedoch dielektrische (und folg- lieh elektromagnetische Wellen einer Radareinheit nicht reflektierende) Eigenschaften aufweist.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, einen Bereich der Stirnfläche des Bohrkopfs aus dielektrischem Werkstoff auszubilden Diese Ausgestaltung ermöglicht ein gezieltes Aussenden der elektromagnetischen

Wellen der Radareinheit in der Bohrrichtung, da in der Regel der Bereich des Erdreichs - A -

in Bohrrichtung, d.h. der vor dem Bohrkopf liegende Bereich auf Hindernisse hin überwacht werden soll.

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, als dielektri- sehen Werkstoff eine Keramik und insbesondere eine Oxidkeramik zu verwenden, da sich diese Werkstoffe durch eine sehr hohe Verschleißfestigkeit auszeichnen, wie es für einen Werkstoff, aus dem das Gehäuse eines Bohrkopfs gefertigt ist, vorteilhaft ist, und selbstverständlich auch die erforderliche dielektrische Eigenschaft aufweist.

Vorteilhafterweise kann die Integration in das Gehäuse des Bohrkopfs vorsehen, dieses aus einem geeigneten Werkstoff, z.B. Stahl zu fertigen und in dem Bereich, der aus einem dielektrischen Werkstoff ausgebildet werden soll, eine Öffnung vorzusehen, die nachträglich von einer Platte aus einem solchen dielektrischen Werkstoff abgedeckt wird.

Besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, die Befestigung der Platte an dem Restgehäuse des Bohrkopfs lösbar auszubilden, wodurch ein Auswechseln dieser, beispielsweise zu Reparaturzwecken einfach ermöglicht wird. Dies kann von Vorteil sein, weil beispielsweise keramische Werkstoffe zwar eine sehr hohe Verschleißfestigkeit, gleichzeitig jedoch eine relativ geringe Duktilität aufweisen, so daß es passieren kann, daß die Platte durch einen Schlag zerbricht. Selbstverständlich kann jedoch auch vorgesehen sein, die Platte an dem Restgehäuse nicht-lösbar auszuführen.

Die Platte kann beispielsweise mit dem Restgehäuse des Bohrkopfs durch Kleben ver- bunden werden, wobei die Verbindung je nach Auswahl des Klebstoffs lösbar oder nicht-lösbar sein kann. Ein Lösen einer lösbaren Klebeverbindung kann beispielsweise durch Erhitzen des Klebstoffs erfolgen.

Weiterhin kann es sinnvoll sein, die Platte aus dielektrischem Werkstoff in einer Ver- tiefung des Gehäuses anzuordnen, so daß deren Außenfläche eben oder zurückversetzt mit der Oberfläche des Restgehäuses abschließt. Hierdurch wird ermöglicht, die Platte aus dielektrischem Werkstoff von dem Restgehäuse des Bohrkopfs weitestge- hend schützen zu lassen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine Horizontalbohrvorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Bohrkopf, Fig 2 einen erfindungsgemaßen Bohrkopf in einer ersten Ausfuhrungsform und

Fig 3 einen erfindungsgemaßen Bohrkopf in einer zweiten Ausfuhrungsform

Fig 1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung den Einsatz einer gesteuerten Hoπzon- talbohrvornchtung, die auch HDD-Bohrvorπchtung genannt wird HDD steht hierbei für "Horizontal Directional Drilling" Die Horizontalbohrvorrichtung umfasst einen Bohrkopf 1 , bei dem es sich um einen erfindungsgemaß ausgebildeten Bohrkopf 1 handelt Der Bohrkopf 1 ist an dem vorderen Ende eines Bohrgestanges 2 befestigt, wobei das Bohrgestange 2 aus einer Vielzahl von miteinander über Schraubgewinde verbundenen Gestangeschussen 3 besteht Das hintere Ende des Bohrgestanges 2 ist mit einer Antriebseinheit 4 verbunden, mittels der Kräfte in Längsrichtung des Bohrgestanges 2 als auch ein Drehmoment auf dieses übertragen werden können Mittels der Antriebseinheit 4 kann das Bohrgestange 2 einschließlich des daran befestigten Bohrkopfs 1 sowohl in Schub- und Zugrichtung als auch rotierend angetrieben werden

Bei dem Bohrkopf 1 handelt es sich um einen sogenannten Steuerbohrkopf, dessen Stirnflache 5 zumindest bereichsweise schräg bezüglich der eigenen Langsachse und folglich bezüglich der Bohrπchtung ausgebildet ist Die Schragflache bewirkt bei einem Vorschub eine seitlich gerichtete Ablenkkraft, die bei einem statisch, d h nicht rotierend angetriebenen Bohrkopf 1 zu einem kurvenförmigen Bohrverlauf fuhrt Ein geradliniges Bohren ist mit einem solchen Steuerbohrkopf möglich, indem dieser sowohl in Vorschubrichtung als auch rotierend angetrieben wird, so daß sich die Ablenkkrafte über eine volle Umdrehung ausgleichen

Bei der Horizontalbohrvorrichtung der Fig 1 ist die Antriebseinheit 4 auf der Erdoberflache stehend angeordnet Die Bohrung wird demnach auch von der Erdoberflache ausgehend gestartet, wobei zunächst schräg in das Erdreich hinein gebohrt wird und nach dem Erreichen der gewünschten Tiefe der Bohrverlauf bis zu einem Erreichen der Horizontalen umgesteuert und anschließend im wesentlichen horizontal weiter gebohrt wird

Abweichungen von dem geradlinigen Bohrverlauf können erforderlich werden, wenn sich im Erdreich Hindemisse (nicht dargestellt) befinden, die nicht durchbohrt werden können (z B Festgestein) oder dürfen (z B Strom-, Gas-, oder Wasserleitungen) Zur

Detektierung derartiger Hindernisse im Erdreich ist der Bohrkopf mit einer Radareinheit 6 versehen, die durch Aussenden elektromagnetischer Wellen und das Empfangen dieser Wellen, nachdem sie von einem elektrisch leitenden Gegenstand reflektiert wurden, die Berechnung der Entfernung, Form, Große und Lage des Gegenstands ermog- licht Die Fig 2 und 3 zeigen zwei Ausfuhrungsformen eines erfindungsgemaßen Bohrkopfs 1 , in den eine Radareinheit 6 integriert ist und der bei einer Horizontalbohrvorrichtung, wie sie in der Fig 1 dargestellt ist, verwendet werden kann

Die Bohrkopfe 1 der Fig 2 und 3 weisen einen zylindrischen Schaft 7 auf, der an seinem in Bohrrichtung hinteren Ende mit einem Verschlußsystem ausgebildet ist, mit dem diese an dem vorderen Ende des Bohrgestanges 2 befestigt werden können An dem vorderen Ende des Bohrkopfs 1 ist dieser mit einer Bohrkopffront 8 versehen, die hinsichtlich ihrer Form für einen maximalen Bohrvortrieb ausgelegt ist Hierzu ist diese mit diversen Hartmetallelementen 9 versehen, die für eine gute Schneidwirkung im

Erdreich sorgen und zudem äußerst verschleißfest sind Die bereits erwähnte Schrag- flache 10 erzeugt bei einem Vortrieb im Erdreich eine seitlich gerichtete Ablenkung, durch die eine Steuerbarkeit der Horizontalbohrvorrichtung ermöglicht wird In die Schragflache 10 sind zudem zwei Düsen 11 für eine Bentonitspulung integriert, durch die Bentonit, das über eine externe Zufuhr (nicht dargestellt) und über das Innere des hohlen Bohrgestanges 2 zu dem Bohrkopf 1 geleitet wird, unter hohem Druck aus diesem austritt und zum einen durch die hydraulische Schneidwirkung und zum anderen durch ein Aufweichen des Erdreichs vor dem Bohrkopf 1 den Bohrvortrieb verbessert

Die Radareinheit 6 ist in dem zylindrischen Schaft 7 des Bohrkopfs 1 angeordnet und umfaßt eine Sendeeinheit 21 zum Aussenden elektromagnetischer Wellen, eine Emp- fangseinheit 12 zum Empfang der reflektierten elektromagnetischen Wellen sowie eine Ubertragungsvorrichtung 13 zum Übertragen von Signalen der Empfangseinheit 12 zu einer mit der Antriebseinheit 4 verbundenen Auswerteeinheit 14 Die Auswerteeinheit 14 umfaßt eine Anzeigeeinrichtung 15, die Informationen hinsichtlich der Entfernung,

Lage, Große und Form bezüglich der im Erdreich befindlichen Hindernisse anzeigen kann Die Auswerteeinheit 14 ist zudem mit einer Steuerungseinheit 16 verbunden, die eine automatische Umfahrung der Hindernisse durch eine entsprechende Ansteuerung der Antriebseinheit 4 ermöglicht

Die Radareinheit 6 sendet die elektromagnetischen Wellen in eine definierte Richtung aus, wobei der Bereich des Gehäuses des Bohrkopfs 1 , in dem die elektromagnetischen Wellen aus diesem austreten, von einer Platte 17 abgedeckt ist, die aus einer Oxidkeramik, einem dielektrischen Werkstoff, gefertigt ist Das Restgehause des Bohr- kopfs 1 besteht dagegen aus Stahl und folglich einem elektrisch leitenden Werkstoff

Durch die Platte 17 aus Oxidkeramik wird sichergestellt, daß die elektromagnetischen Wellen das Gehäuse des Bohrkopfs 1 in ausreichendem Maße passieren können, so daß eine Überwachung des Erdreichs vor und/oder seitlich von dem Bohrkopf 1 ermöglicht wird Wie in den Fig 2 und 3 gut erkennbar ist, ist die Platte 17 jeweils der- art in einer Vertiefung des Gehäuses angeordnet, daß diese eben mit diesem abschließt Ein wesentlicher Unterschied zwischen den Bohrköpfen 1 der Fig. 2 und 3 ist die Positionierung der Platte 17 aus Oxidkeramik. Während diese bei der Ausgestaltung gemäß der Fig. 2 innerhalb der Schrägfläche 10 und folglich direkt in Bohrrichtung ange- ordnet ist, sieht die Ausgestaltung der Fig. 3 die Positionierung der Platte 17 in einem

Teilbereich des zylindrischen Mantels des Schafts 7 vor. Die in der Fig. 2 dargestellte Anordnung weist den Vorteil auf, daß die elektromagnetischen Wellen direkt in Bohrrichtung aus dem Gehäuse des Bohrkopfs 1 austreten können. Ein Nachteil hierbei ist jedoch, daß die Schrägfläche 10 zu den am meisten belasteten Bereichen eines Bohr- kopfs zählen, so daß die Gefahr einer Zerstörung der Platte 17, die aus Oxidkeramik besteht und daher eine geringere Duktilität aufweist, größer ist. Die in der Ausgestaltung gemäß der Fig. 3 gewählte Anordnung der Platte schützt diese besser, da sie von der im Durchmesser vergrößerten Bohrkopffront abgeschirmt wird.

Die in den Fig. 2 und 3 dargestellten Bohrköpfe 1 sind im wesentlichen dreiteilig ausgebildet, mit einem Schaftende 18 (in Fig. 2 nicht dargestellt), das der Befestigung an dem vorderen Ende des Bohrgestänges 2 dient, der Bohrkopffront 8, deren Form für einen optimalen Bohrvortrieb ausgelegt ist, sowie einem zwischen diesen Teilen des Bohrkopfs angeordneten Radargehäuse 19, das Teil des Schafts 7 des Bohrkopfs 1 ist. In dem Radargehäuse 19 ist die Radareinheit 6 und bei dem Bohrkopf 1 gemäß der

Fig. 3 auch die Platte 17 aus Oxidkeramik angeordnet. Die Verbindung zwischen den drei Teilen des Bohrkopfs 1 erfolgt über ein Schnellverschlußsystem mit Verriegelungselementen 20. Die Dreiteilung des Bohrkopfs 1 ermöglicht, diesen lediglich bedarfsweise mit der Radareinheit 6 auszustatten, so daß die Bohrkopffront 8 auch direkt mit dem Schaftende 18 verbunden werden kann. Da je nach Erdreich, in dem gebohrt werden soll, eine Radarüberwachung gegebenenfalls nicht erforderlich ist und die Radareinheit zudem relativ teuer ist, dient die lediglich bedarfsweise Anbindung der Radareinheit 6 einer Verbesserung der Wirtschaftlichkeit, indem gegebenenfalls weniger Radareinheiten als Bohrköpfe eingekauft werden müssen.

Claims

Patentansprüche:

1. Bohrkopf (1), insbesondere für eine Horizontalbohrvorrichtung, mit einem Gehäuse sowie einer innerhalb des Gehäuses angeordneten Radareinheit (6), wobei die Radareinheit (6) elektromagnetische Wellen erzeugt, die aus dem Gehäuse austreten, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse zumindest in dem Bereich, in dem die elektromagnetischen Wellen aus diesem austreten, aus einem dielektrischen Werkstoff besteht.

2. Bohrkopf (1 ) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das übrige Gehäuse aus einem metallischen Werkstoff und insbesondere Stahl besteht.

3. Bohrkopf (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Werkstoff im Bereich der Stirnfläche (5) des Bohrkopfs (1) angeord- net ist.

4. Bohrkopf (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Keramik, insbesondere einer Oxidkeramik als dielektrischer Werkstoff.

5. Bohrkopf (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Platte (17) aus dielektrischem Werkstoff, die zur Abdeckung einer Öffnung in dem Gehäuse mit diesem verbunden ist.

6. Bohrkopf (1) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (17) lösbar mit dem Gehäuse verbunden ist.

7. Bohrkopf (1) gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (17) in einer Vertiefung des Gehäuses angeordnet ist, so daß deren Außenfläche eben oder zurückversetzt mit der Oberfläche des Gehäuses abschließt.