DE102012217822A1

DE102012217822A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Verlegung einer Rohrleitung in einem Bohrloch

Info

Publication number: DE102012217822A1
Application number: DE102012217822.8A
Authority: DE
Inventors: Rüdiger Kögler
Original assignee: Bohlen & Doyen Bauunternehmung GmbH
Current assignee: BOHLEN & DOYEN BAU GMBH, DE
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2014-04-03
Also published as: EP2900895A2; EP2900895B1; DK2900895T3; WO2014048627A3; WO2014048627A2

Abstract

Um unter Beibehaltung einer kontrollierten und gesteuerten Verlegung einer Rohrleitung in einem Bohrloch (1) Nachteile bekannter Ansätze zu vermeiden und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verlegen einer Rohrleitung in einem Bohrloch (1) bereitzustellen, bei dem nicht sowohl am Start- als auch Zielpunkt große Arbeitsflächen erforderlich sind, bei dem die Zahl der Arbeitsschritte im Vergleich zum HDD-Verfahren reduziert sind und dessen Leistungsfähigkeit gegenüber dem MT-Verfahren verbessert ist, wird eine Vorrichtung zur Verlegung einer Rohrleitung in einem Bohrloch (1) vorgeschlagen, mit einem Bohrlager, das mit einem Bohrgestänge zur Aufnahme einer in Richtung einer Längsachse des Bohrgestänges wirkenden Druckkraft koppelbar und mit der Rohrleitung zur Weitergabe der Druckkraft als in Längsrichtung der Rohrleitung wirkende Zug- und/oder Druckkraft verbindbar ist, einem gegenüber der Längsachse des Bohrgestänges abgewinkelten oder abwinkelbaren Bohrmotor (7) für einen Bohrkopf (2), der für einen Antrieb des Bohrkopfes (2) unabhängig von einer Rotation des Bohrgestänges vorgesehen ist, einer Lagebestimmungseinheit zur Bestimmung und Übermittlung einer Rotationslage des abgewinkelten Bohrmotors (7), und einem Steuerrohr (18), das den Bohrmotor (7) zumindest teilweise umschließt, wobei sich der Bohrkopf (2) im Betrieb in Richtung einer Ortsbrust aus dem Steuerrohr (18) erstreckt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verlegung einer Rohrleitung in einem Bohrloch und ein entsprechendes Verfahren.
In der Vergangenheit wurden zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen entwickelt, um Rohrleitungen in Bohrlöchern im Boden zu verlegen und somit sensible Bereiche an der Geländeoberfläche zu unterqueren, für die eine Verlegung im offenen Rohrgraben aus beispielsweise technischen, ökologischen, rechtlichen und/oder wirtschaftlichen Gründen nicht möglich oder erwünscht ist. Eine solche grabenlose Verlegung kann insbesondere dort sinnvoll sein, wo die Oberfläche im Verlegungsbereich mit schweren Baumaschinen nicht befahren werden kann (z. B. Moore, Gewässer) oder wo aus ökologischer Sicht keine Baugenehmigung erteilt werden kann (z. B. in Naturschutzgebieten) oder wo der Einsatz konventioneller Verlegetechniken zu teuer wäre (z. B. bei der Querung von Gewässern oder Eisenbahnlinien).
Unter den bekannten grabenlosen Rohrverlegetechniken, die aktuell eingesetzt werden, finden sich die Horizontalbohrtechnik (Horizontal Directional Drilling, HDD) und der gesteuerte Rohrvortrieb (Microtunneling, MT).
Beim HDD-Verfahren wird in drei Arbeitsschritten vorgegangen. Zunächst wird eine gesteuerte Pilotbohrung vom Startpunkt zum Zielpunkt einer Bohrung aufgefahren. Sodann wird diese Pilotbohrung quasi im „Rückwärtsgang” in einem oder mehreren Schritten auf einen so großen Durchmesser aufgeweitet, das die für die Verlegung vorgesehene Rohrleitung im letzten Arbeitsschritt dann in das aufgeweitete Bohrloch eingezogen werden kann. Das Einziehen erfolgt in der Regel ebenfalls „rückwärts” vom Ziel- zum Startpunkt. Verfahrensbedingt sind sowohl am Start- als auch Zielpunkt große Arbeitsflächen erforderlich.
Mit dem HDD-Verfahren können Rohrleitungen von ca. 50 mm bis ca. 1.400 mm Durchmesser und in Längen von ca. 50 m bis über 3.000 m verlegt werden.
Nachteile des HDD-Verfahrens liegen im Bedarf nach großen Arbeitsflächen sowohl am Start- als auch am Zielpunkt und im dem mit der Vielzahl von Arbeitsschritten verbundenen Zeitaufwand.
Demgegenüber ermöglicht das MT-Verfahren die einphasige Verlegung einer Rohrleitung, da gleichzeitig ein Bohrloch erstellt und die aus Einzelrohren sukzessive zusammengesetzte Rohrleitung darin verlegt wird.
Nachteilig beim MT-Verfahren ist jedoch die geringe Reichweite bei kleinen Rohrleitungsdurchmessern. Für den hier relevanten Durchmesserbereich von ca. 100 mm bis ca. 500 mm liegt die erreichbare Bohrungslänge beim MT-Verfahren nur bei ca. 50 m bis ca. 150 m. Dies liegt unter anderem daran, dass die Zuführung der Primärenergie nach den Regeln der Technik hydraulisch erfolgt. Da aber wegen der kleinen Durchmesser keine Hydraulikaggregate im Bohrkopf positioniert werden können, muss das unter Druck stehende Hydrauliköl von außerhalb über Schlauchleitungen zugeführt werden. Die dabei entstehenden Leistungsverluste sind immens und beschränken damit die erreichbaren Bohrungslängen.
Ein weiterer Nachteil beim MT-Verfahren ist darin zu sehen, dass durch die spezifische Art der Steuerung von MT-Bohrköpfen mindestens eine Dichtung je Steuergelenk erforderlich ist. Diese sind bauartbedingt aber lediglich für Druckbereiche bis ca. 3,5 bar ausgelegt. Höhere Druckfestigkeiten lassen sich nur unter großem Aufwand erreichen und stellen dann einen potentiellen Ansatzpunkt für Havarien dar. Diese Einschränkung kann besonders bei Anlandungsbohrungen bedeutsam werden, wo die Austrittspunkte 50 m und mehr unter dem Wasserspiegel liegen können.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, unter Beibehaltung einer kontrollierten und gesteuerten Verlegung die Nachteile der bekannten Ansätze zu vermeiden und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verlegen einer Rohrleitung in einem Bohrloch bereitzustellen, bei dem nicht sowohl am Start- als auch Zielpunkt große Arbeitsflächen erforderlich sind, bei dem die Zahl der Arbeitsschritte im Vergleich zum HDD-Verfahren reduziert ist und dessen Leistungsfähigkeit gegenüber dem MT-Verfahren im genannten Durchmesserbereich verbessert ist.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verlegung einer Rohrleitung in einem Bohrloch, wie sie in Anspruch 1 definiert ist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verlegung einer Rohrleitung in einem Bohrloch, wie es in Anspruch 13 definiert ist.
Merkmale vorteilhafter Ausführungsformen sind insbesondere in den Unteransprüchen definiert. Die für jeweils einen Aspekt der Erfindung beschriebenen besonderen Ausführungsformen oder Ausführungsbeispiele sind ebenso als Ausführungsformen oder Ausführungsbeispiele für andere Aspekte der Erfindung anzusehen.
Es wird erwartet, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere für eine Verlegung von Rohrleitungen vorteilhaft eingesetzt werden kann, die einen Durchmesser von ca. 100 mm bis 500 mm aufweisen und über Längen von ca. 100 m bis zu ca. 2.000 m verfügen.
Im Folgenden werden einzelne Aspekte und vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Überblick,
1a eine schematische Darstellung eines ersten Details des Ausführungsbeispiels von 1,
1b eine schematische Darstellung eines zweiten Details des Ausführungsbeispiels von 1,
1c eine schematische Darstellung eines dritten Details des Ausführungsbeispiels von 1,
1d eine schematische Darstellung eines vierten Details des Ausführungsbeispiels von 1,
2a–2c schematische Illustrationen von Aspekten eines Bohr- und Verlegevorgangs,
3a eine schematische Detaildarstellung der Bohrlagers eines Ausführungsbeispiels,
3b eine schematische Detaildarstellung des Bohrlagers eines abgewandelten Ausführungsbeispiels, und
4 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Überblick.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel umfasst das Bohrlager 8 (siehe 1b), das teilweise im Inneren einer im Boden 10 zu verlegenden Rohrleitung 3 angeordnet und mit einem Bohrgestänge 6 gekoppelt und mit einem Steuerrohr 18 verbunden ist. Das Bohrgestänge 6 ist mit einem Vermessungsrohr 16 (siehe 1b) als Beispiel einer Lagebestimmungseinheit und einem abgewinkelten Bohrmotor 7 mit einem Bohrkopf 2 (siehe 1a) versehen und wird von einer Vorschubvorrichtung 5 mit einem Drehmotor 9 (siehe 1d) betrieben und vorgeschoben.
1a zeigt eine schematische Darstellung des Details A des Ausführungsbeispiels von 1.
Der Ortsbrust 19 des Bohrlochs 1 im Boden 10 liegt der Bohrkopf 2 gegenüber, der an dem abgewinkelten Bohrmotor 7 befestigt ist und von dem Bohrmotor 7 angetrieben wird. Der zur Längsachse des Bohrgestänges 7 parallele (nicht abgewinkelte) Teil des Bohrmotors 7 wird von einer Zentrierung 20 geführt, wobei der Bohrmotor 7 von dem Steuerrohr 18 in einer Weise umschlossen wird, dass sich zumindest der vorderste Teil des Bohrkopfs 2 aus dem Steuerrohr 18 erstreckt, wobei allerdings sichergestellt ist, dass der Bohrmotor 7 und der Bohrkopf 2 bei einer Rotation um die Längsachse des Bohrgestänges 6 nicht am Steuerrohr 18 anschlagen. Bevorzugt schließt das der Ortsbrust 19 zugewandten Ende des Steuerrohrs 18 direkt an den Bohrkopf 2 an.
Das Steuerrohr 18 entspricht im (insbesondere Außen-)Durchmesser der zu verlegenden Rohrleitung 3 (siehe 1b). Das Steuerrohr kann jedoch auch einen gegenüber der Rohrleitung in einer hier nicht dargestellten Abwandlung auch einen im Millimeter- oder Zentimeterbereich vergrößerten Außendurchmesser aufweisen.
Am vorderen Ende des Steuerrohrs 18 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Steuerring 24 angebracht. Der Steuerring kann allerdings auch weggelassen werden. Der Steuering 24 weist, wie hier beispielhaft dargestellt, jeweils eine keilförmige Vorder- und Rückseite auf und unterstützt die angestrebten Richtungsänderungen. Die jeweils keilförmige Ausgestaltung von Vorder- und Rückseite kann vorzugsweise so ausgeführt sein, dass der Steuerring 24 einen Dreiecksquerschnitt aufweist, bei dem die Grundseite des Dreiecks am Steuerrohr 18 anliegt und die der Grundseite des Dreiecks gegenüberliegende Spitze sich in einem Bereich von 60 bis 90% der Länge der Grundseite (ausgehend von der der Ortsbrust 19 zugewandten Spitze des Dreiecks) befindet. Es ist allerdings auch möglich, dass der Steuerring einen Querschnitt aufweist, der lediglich auf der der Ortsbrust 19 zugewandten Seite keilförmig ausgestaltet ist (z. B. rechtwinkliges Dreieck), obgleich die keilförmige Ausgestaltung auf Vorder- und Rückseite insofern von Vorteil ist, als dass sowohl bei Vortrieb als auch bei einem Zurückziehen des Steuerrohrs 18 ein Verkeilen an einer Kante vermieden werden kann. Der maximale Durchmesser des Steuerings 24 ist vorteilhafterweise nicht größer als der Innendurchmesser eines Bohrlochs, dass sich bei geradem Vortrieb ergibt.
Die Pfeile 29 stellen die Austrittsrichtung der Bohrflüssigkeit 12 aus dem Bohrkopf dar, während die Pfeile 30 die Ablaufrichtung der mit Boden 10 und ggf. Bohrklein beladenen Bohrflüssigkeit 12 angeben.
In der Nähe der Zentrierung 20, die eine Abdichtung gegenüber Bohrflüssigkeit 12 mittels der Dichtung 25 erreicht, sind in der Wandung des Steuerrohrs 18 mehrere Durchlässe 17 vorgesehen, die es Bohrflüssigkeit 12 erlaubt, durch das Innere des Steuerrohrs 18 zu fließen und auf diesem Wege in das Steuerrohr 18 gelangten Boden oder Bohrklein mitzuführen, so dass es nicht zu einer Ansammlung von Material im Inneren des Steuerrohrs 18 kommt, die einen Betrieb des Bohrmotors 7 bzw. ein Drehen des Bohrmotors 7 über das Bohrgestänge behindern würde.
1b zeigt eine schematische Darstellung des Details B des Ausführungsbeispiels von 1.
Auf der Ortsbrustseite ist der innere Teil des Bohrlagers 8 (siehe 3a, 3b) ist mit dem Vermessungsrohr 16 verbunden. Im Vermessungsrohr 16 ist eine Messsonde 13 angeordnet, die Messwerte hinsichtlich einer Lage des Vermessungsrohres 16 (und damit letztlich hinsichtlich des Bohrmotors 7 und des Bohrkopfes 2) über Kabel 14 nach übertage überträgt. Das Vermessungsrohr 16 wiederum ist fest mit dem abgewinkelten Bohrmotor 7 verbunden (siehe 1a), so dass sich die Übereinstimmung von Lage des Vermessungsrohres 16 und des Bohrmotors 7 ergibt. Wie auch schon der abgewinkelte Bohrmotor ist auch das Vermessungsrohr mittels einer Zentrierung 20 im Steuerrohr 18 zentriert. Das Steuerrohr 18 ist mit dem nicht rotierenden, äußeren Teil des Bohrlagers 8 an dessen der Ortsbrust zugewandten Seite verbunden. Auf der der Ortsbrust gegenüberliegenden Seite ist der innere Teil des Bohrlagers 8 mit dem Bohrgestänge 6 verbunden, während der äußere Teil des Bohrlagers auf der der Ortsbrust abgewandten Seite mit einem ersten Einzelrohr 4 der zu verlegenden Rohrleitung 3 verbunden ist.
Das Bohrlager 8 zeichnet sich dadurch aus, dass es vom Bohrgestänge 6 eingeleiteten Vorschubkräfte und Drehmomente auf das Vermessungsrohr 16 (und damit auf die mit dem Vermessungsrohr 16 verbundenen Komponenten) weiterleitet, auf das Steuerrohr 18 und die Rohrleitung 3 jedoch nur Axialkräfte (Kräfte, die in Längsrichtung des Bohrgestänges wirken) und keine Drehmomente überträgt.
Bei der im Vermessungsrohr 16 angeordneten Messsonde 13 handelt es in diesem Ausführungsbeispiel um eine auf dem Prinzip des Kreiselkompass basierenden Messsonde, die zusätzlich über Beschleunigungsmesser und ein elektrisches Lot verfügt. Damit kann eine Richtung (Azimut) als auch eine Neigung (Inklination) des Vermessungsrohrs ebenso wie die Stellung des Knickstücks des abgewinkelten Bohrmotors 7 (die für die Bohrrichtung relevant ist (siehe 2a–2c)) festgestellt werden. Alle Messwerte werden über ein im Inneren des Bohrgestänges 6 nach übertage führendes Kabel 14 übertragen. Alternativen zu einer kabelgebundenen Signalleitung können allerdings ebenfalls eingesetzt werden, sofern die Umstände des Bohr- und Verlegevorgangs solche Alternativen erlauben. Die grundsätzliche Technik einer Bestimmung der Lage des Bohrmotors und des Bohrkopfes ist dem Fachmann beispielsweise vom HDD-Verfahren bekannt, so dass hier nicht weiter auf Details eingegangen werden muss.
1c zeigt eine schematische Darstellung des Details C des Ausführungsbeispiels von 1.
Das Bohrgestänge 6 erstreckt sich durch die Rohrleitung 3 und wird durch eine Zentrierung 20 im Inneren der Rohrleitung 3 geführt. Der Durchmesser der Ortsbrust 19 ist größer als der Außendurchmesser des Rohrleitung 3, so dass sich zwischen dem Boden 10 um das Bohrloch und der Rohrleitung 3 ein Ringraum 11 ergibt, durch den insbesondere mit abgebohrtem Material beladene Bohrflüssigkeit 12 fließen kann.
Die Zentrierung 20 ist hier mit Innenrollen 22 versehen, die ein relatives Verdrehen von Bohrgestänge 6 und Zentrierung 20 erlauben, ohne dass dabei nennenswerte Drehmomente involviert wären bzw. übertragen würden. Die Achsen der Innenrollen 22 erstrecken sich parallel zur Längsachse des Bohrgestänges 6. Die Zentrierung weist zudem Außenrollen 21 auf, deren Achsen in der gezeigten Darstellung senkrecht zur Zeichnungsebene verlaufen, so dass sich eine im Wesentlichen freie Verschiebbarkeit der Zentrierung 20 gegenüber der Rohrleitung 3 in Richtung des Bohrgestänges 6 ergibt.
Zu einer Fixierung der Zentrierung 20 gegenüber einer Verschiebung in Längsrichtung des Bohrgestänges 6 gegenüber dem Bohrgestänge 6 sind Halteringe 31 vor und hinter der Zentrierung am Bohrgestänge 6 vorgesehen.
In einer nicht dargestellten Abwandlung kann wenigstens ein Element (oder Teil-Element), aus dem sich das Bohrgestänge zusammensetzt, in Form eines Schneckenrohrs ausgestaltet sein und/oder wenigstens eine Zentrierung in Form einer Förderschnecke ausgestaltet sein, wobei diese Fördermittel so ausgeführt sind, dass sich bei einer Drehung der Bohrgestänges beim Bohren eine Förderwirkung für in dem Bereich zwischen Rohrleitung und Bohrgestänge befindlicher Bohrflüssigkeit (die mit Boden oder Bohrklein beladen ist) in Richtung übertage ergibt.
1d zeigt eine schematische Darstellung des Details D des Ausführungsbeispiels von 1.
Dargestellt ist der übertätige Teil der gesamten Anordnung mit der Vorschubvorrichtung 5 und dem Drehmotor 9. Beim Verlegen der Rohrleitung 3 wird die Rohrleitung selbst aus Einzelrohren 4 zusammengesetzt, die sukzessive in das Bohrloch 1 eingebracht werden. Das jeweils letzte Einzelrohr 4 der Rohrleitung 3 ist über eine (ggf. auch mehrere) längenverstellbare Verbindungsvorrichtung 15 mit der Vorschubvorrichtung 5 druckfest (ggf. auch zugfest und/oder verdrehungsfest) verbunden. Dadurch können Vorschubkräfte direkt von der Vorschubvorrichtung 5 auf die Rohrleitung 3 aufgebracht werden. Dies kann z. B. sinnvoll sein, wenn die Reibung im Bohrloch sehr groß ist und zusätzliche Vorschubkräfte erfordert.
Die „normalen” Vorschubkräfte für den Bohr- und Verlegevorgang werden jedoch bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel von der Vorschubvorrichtung 5 über das Bohrgestänge 6 auf das Bohrlager 8 übertragen. Das Bohrlager 8 leitet die vom Bohrgestänge 6 eingeleiteten Druckkräfte als Druckkräfte auf das Vermessungsrohr 16, den abgewinkelten Bohrmotor 7 und den Bohrkopf 2 sowie auf das Steuerrohr 18 und in Form von Zugkräften auf die Rohrleitung 3 weiter.
Das Bohrgestänge 6 ist mit dem Drehmotor 9 der Vorschubvorrichtung 5 verbunden. Bei (kontinuierlicher) Rotation des Drehmotors 9 werden Bohrgestänge 6, Vermessungsrohr 16, abgewinkelter Bohrmotor 7 und Bohrkopf 2 ebenfalls (kontinuierlich) gedreht. Bei hinzukommendem Antrieb des abgewinkelten Bohrmotors 7 (der seine Antriebsenergie in dem Fachmann bekannter Weise aus der durch ihn hindurch strömenden Bohrflüssigkeit 12 bezieht) wird zusätzlich der Bohrkopf 2 in Form einer überlagerten Drehbewegung rotiert. Bei gleichzeitigem Vorschub der Bohrgarnitur wird auf diese Weise ein gerades Bohrloch 1 erstellt (siehe 2b). Die Rotation des Bohrmotors 7 mit dem Bohrkopf ist durch die gestrichelte Darstellung in einer anderen Winkelrichtung illustriert.
Werden Bohrgestänge 6, Vermessungsrohr 16, abgewinkelter Bohrmotor 7 und Bohrkopf 2 von dem Drehmotor 9 der Vorschubvorrichtung 5 in eine bestimmte, durch die Messsonde 13 feststellbare Position gedreht, so wird bei Fortsetzung des Bohrvorgangs ein gekrümmtes Bohrloch entlang der jeweiligen Ausrichtung des Winkelstücks im abgewinkelten Bohrmotor 7 erstellt, wobei dann allerdings das Bohrgestänge 6 nicht mehr gedreht wird und lediglich der Bohrmotor 7 den Bohrkopf 2 antreibt.
Für den Bohrprozess verwendete Bohrflüssigkeit 12 wird durch die Vorschubvorrichtung 5, das Bohrgestänge 6, das Bohrlager 8, das Vermessungsrohr 16 und den abgewinkelten Bohrmotor 7 zum Bohrkopf 2 gepumpt. Dort tritt die Bohrflüssigkeit 12 in das Bohrloch 1 ein (siehe Pfeile 29 in 1a) und vermischt sich mit dem vom Bohrkopf 2 gelösten Boden 10 oder Bohrklein. Die mit Boden 10 und/oder Bohrklein vermischte Bohrflüssigkeit fließt dann durch den Ringraum 11 zwischen Rohrleitung 3 und Bohrloch 1 nach übertage (siehe Pfeile 30).
Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Zentrierung 20 mit einer Dichtung 25 ausgebildet, so dass die Bohrflüssigkeit 12 an einem Eindringen in den Innenraum zwischen Bohrmotor 7 und Steuerrohr 18 bzw. Bohrgestänge 6 und Rohrleitung 3 gehindert wird. Vorteilhaft bei dieser Ausführung ist, dass der dann beispielsweise luftgefüllte Innenraum zwischen Bohrmotor 7 und Steuerrohr 18 bzw. Bohrgestänge 6 und Rohrleitung 3 als Auftriebskörper gegenüber dem mit Bohrflüssigkeit 12 gefüllten Ringraum 11 wirkt und dadurch die Normalkräfte im Bohrloch 1 deutlich reduziert werden. Dies kann wiederum signifikant niedrigere Vorschubkräfte zur Folge haben, so dass sich eine solche Vorgehensweise z. B. besonders in weichen Böden empfiehlt.
In einer alternativen (und hier nicht dargestellten) Ausführung fließt die mit Boden 10 und ggf. Bohrklein vermischte Bohrflüssigkeit 12 zusätzlich durch das Innere der Rohrleitung 3 nach übertage. Hierzu sind die Zentrierungen 20 sowie das Bohrlager 8 mit entsprechenden Durchlässen auszubilden. Als vorteilhaft bei dieser Auslegung ist anzusehen, dass dadurch der Druck im Ringraum 11 reduziert wird und somit Ausbrüche der Bohrflüssigkeit 12 zur Tagesoberfläche („Ausbläser” gennant) besser vermieden werden können. Diese Ausführungsvariante erscheint insbesondere für tonige Böden angeraten.
In einer Abwandlung des hier diskutierten Ausführungsbeispiels ist alternativ und/oder ergänzend zu dem im Inneren des Bohrlochs vorgesehenen Bohrlagers ein entsprechendes Bohrlager im Bereich der Vorschubvorrichtung vorgesehen, genauer zwischen dem jeweils letzten Einzelrohr und der Verbindungsvorrichtung, so dass auch über dieses Bohrlager eine Druckkraft vom Bohrgestänge auf die Rohrleitung eingeleitet werden kann.
2a–2c zeigen schematische Illustrationen von Aspekten eines Bohr- und Verlegevorgangs, insbesondere der Richtungssteuerung der Bohr- und Verlegevorgangs.
In 2a ist dargestellt, wie ein in diesem Beispiel nach oben gekrümmter Bohrlochabschnitt im Anschluss an einen geraden Bohrlochabschnitt erstellt wird. Zur Erstellung des gekrümmten Bohrlochabschnitts wird die Arbeitsrichtung des Bohrkopfs 2 wie oben beschrieben in einer bestimmten Position fixiert. Bei Fortführung des Bohrvorgangs (d. h. der Bohrkopf 2 wird weiter vom Bohrmotor 7 um seine Achse rotiert) wird nun ein gekrümmtes Bohrloch 1 erstellt.
In 2b ist gezeigt, wie der Bohr- und Verlegevorgang in einem planmäßig geraden Bohrlochabschnitt erfolgt. Dazu wird der Bohrkopf 2 nicht nur um seine eigene Achse rotiert, sondern durch Drehung des (nicht dargestellten) Bohrgestänges 6 mit den damit verbundenen Komponenten zusätzlich auch um die Achse des Bohrgestänges 6 bzw. der Rohrleitung 3. Dadurch wird permanent die Arbeitsrichtung des Bohrkopfs 2 geändert, wodurch im Endeffekt ein gerader Bohrlochabschnitt erstellt wird.
In 2c wird im Grunde der gleiche Vorgang wie in 2a dargestellt, jedoch wird das Bohrloch 1 hier mit einer Krümmung nach unten ausgeführt.
3a zeigt eine schematische Detaildarstellung der Bohrlagers eines Ausführungsbeispiels, während 3b eine schematische Detaildarstellung des Bohrlagers eines abgewandelten Ausführungsbeispiels zeigt.
Zu erkennen sind in 3a die eigentlichen Lager 28, die den im Betrieb sich drehenden bzw. gedrehten inneren Teil des Bohrlagers 8 vom nicht-drehenden äußeren Teil des Bohrlagers 8 trennen und dabei gleichzeitig die Übertragung großer Axialkräfte (ca. 500–2500 kN) vom inneren auf den äußeren Teil des Bohrlagers 8 ermöglichen. Zum Schutz der Lager 28 sind entsprechende Dichtungen 23 vorgesehen.
Der äußere Teil des Bohrlagers 8 wird hier mittels Schraubverbindungen 27 (z. B. Madenschrauben) mit dem Steuerrohr 18 sowie dem ersten Einzelrohr 4 der Rohrleitung 3 verbunden. Alternative Verbindungsarten – z. B. mittels Schweißverbindungen – sind möglich, haben aber möglicherweise wie im Fall des Schweißen Nachteile einer Wärmeeinwirkung auf das Bohrlager 8 während der Montage und/oder einer schwierigeren Demontage im Vergleich zu Schraubverbindungen 27. Neben der kraft- und formschlüssigen Schraubverbindung kann unter Umständen auch eine rein formschlüssige Verbindung erreicht werden, beispielsweise durch Hinterschneidungen.
In 3b wird der Einsatz von Aufdoppelungen 26 gezeigt. Diese Aufdoppelungen 26 ermöglichen es, ein Bohrlager 8 für unterschiedliche Durchmesser von Steuerrohren 18 und Rohrleitungen 3 zu verwenden. Dies hat erhebliche wirtschaftliche Vorteile, da derartige Aufdoppelungen 26 (im Gegensatz zu dem Rest des Bohrlagers 8) sehr kostengünstig herzustellen sind.
Die Verbindung von Bohrlager 8 mit dem Vermessungsrohr 16 und dem Bohrgestänge 6 erfolgt über typische Gewinde, die auch ansonsten im Bohrbereich z. B. zur Verbindung einzelnen Elemente eines Bohrgestänges oder eines Anschlusses eines Bohrmotors bekannt und verbreitet sind. Allerdings sind alternative Verbindungen ohne weiteres möglich, sofern die relevanten technischen Anforderungen erfüllt werden.
4 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens im Fall, dass ein Bohrlager zwischen Bohrmotor und Bohrgestänge vorgesehen ist.
In Schritt 101 wird ein Bohrgestänge mit einem gegenüber der Längsachse des Bohrgestänges abgewinkelten oder abwinkelbaren Bohrmotor mit einem Bohrkopf gekoppelt, wobei diese Koppelung eine mittelbare Koppelung ist, die durch ein Koppeln des Bohrmotors mit einem Bohrlager und ein Koppeln des Bohrlagers mit dem Bohrgestänge zur Weiterleitung eines Drehmoments und einer Druckkraft sowie ggf. einer Zugkraft erstellt wird.
Alternativ kann das Bohrgestänge auch ohne Zwischenschaltung mit dem Bohrmotor gekoppelt werden, wobei dann das Bohrlager auf der Seite des Bohrgestänges in Richtung einer Vorschubvorrichtung vorgesehen wird. Es zudem möglich, beide Alternativen miteinander zu kombinieren.
In Schritt 102 wird ein Steuerrohr vorgesehen, das den Bohrmotor mit dem Bohrkopf umschließt, wobei sich der Bohrkopf im Betrieb in Richtung der Ortsbrust aus dem Steuerrohr erstreckt.
In Schritt 103 wird das Bohrlager mit der zu verlegenden Rohrleitung und dem Steuerrohr verbunden. Im Fall dieses Ausführungsbeispiels, bei dem das Bohrgestänge und der Bohrmotor mittelbar unter Einfügung des Bohrlagers miteinander gekoppelt werden, wird das Steuerrohr auf der ortsbrustseitigen Seite des Bohrlagers mit diesem verbunden, wobei die Rohrleitung (genauer das erste Einzelrohr der zusammenzusetzenden und zu verlegenden Rohrleitung) mit dem Bohrlager auf der gegenüberliegenden Seite verbunden wird. Es ist hierbei insbesondere vorgesehen, dass im Bereich des Bohrlagers das Steuerrohr und die Rohrleitung aneinander stoßen und miteinander fluchten, wenn das Bohrlager an den jeweiligen Innenseiten mit dem Steuerrohr und der Rohrleitung mit diesen verbunden wird. Andere Ausführungen sind allerdings ebenfalls möglich.
Erfolgt die Kopplung von Bohrmotor und Bohrgestänge direkt, ist also das Bohrlager im Bereich der Vorschubvorrichtung (und des Drehmotors) vorgesehen, ergibt sich die Verbindung von Steuerrohr und Bohrlager mittelbar durch die Verbindung von Bohrlager und Rohrleitung und eine Verbindung von Rohrleitung und Steuerrohr.
Es sei darauf hingewiesen, dass eine „direkte Kopplung” von Bohrmotor und Bohrgestänge nicht das Vorsehen eines Vermessungsrohrs (wie oben diskutiert) zwischen Bohrmotor und Bohrgestänge ausschließt, entsprechend kann auch beim „mittelbaren Koppeln” der Bohrmotor mit einem Vermessungsrohr versehen sein. Vorteilhafterweise wird ein Vermessungsrohr wie diskutiert oder eine andere Lagebestimmungseinheit am Bohrmotor vorgesehen.
Für ein planmäßig gerades Verlegen der Rohrleitung umfasst das Verfahren in Schritt 104 ein Drehen des Bohrgestänges zur Rotation des Bohrmotors mit dem Bohrkopf und Drehen des Bohrkopfes um dessen Längsachse mit dem Bohrmotor unabhängig von einer Rotation des Bohrgestänges.
Für ein gekrümmtes Verlegen der Rohrleitung umfasst das Verfahren in Schritt 105 ein Drehen des Bohrgestänges, bis eine Lagebestimmungseinheit des Bohrmotors eine Position angibt, bei der der Bohrmotor in Richtung der Krümmung abgewinkelt oder abwinkelbar ist, und in Schritt 106 ein Drehen des Bohrkopfes um dessen Längsachse mit dem abgewinkelten Bohrmotor.
Beim Verlegen der Rohrleitung (also während der Schritte 104 bzw. 105 und 106) wird durch das Bohrgestänge eine in Richtung der Längsachse des Bohrgestänges wirkende Druckkraft auf das Bohrlager ausgeübt, die durch das Bohrlager als eine in einer Längsrichtung der Rohrleitung wirkende Zug- und/oder Druckkraft auf die Rohrleitung und als eine in Längsrichtung des Steuerrohrs wirkende Druckkraft weitergegeben wird.
Es ist zu bemerken, dass die Reihenfolge der Schritte 101, 102 und 103 auch variiert werden kann.
Eine Implementierung der Erfindung sieht ein Verfahren zur Verlegung einer Rohrleitung in einem Bohrloch vor, wobei das Bohrloch 1 von einem steuerbaren Bohrkopf 2 erstellt wird und der Bohrkopf 2 einen größeren Durchmesser aufweist als die Rohrleitung 3 und die jeweilige Position des Bohrkopfs 2 im Boden 10 mittels einer in einem Vermessungsrohr 16 angeordneten Messsonde 13 ermittelt und über mindestens ein Kabel 14 nach übertage übertragen wird, der Bohrvorgang zur Erstellung des Bohrlochs 1 und der Verlegevorgang zur Verlegung der Rohrleitung 3 in dem Bohrloch 1 gleichzeitig stattfinden, die Rohrleitung 3 während des Bohr- und Verlegevorgangs sukzessive aus Einzelrohren 4 zusammengesetzt wird, die für den Bohr- und Verlegevorgang erforderliche Vorschubkraft von einer Vorschubvorrichtung 5 erzeugt und über ein Bohrgestänge 6 auf ein Bohrlager 8 und vom Bohrlager 8 sowohl über das Vermessungsrohr 16 und den abgewinkelten Bohrmotor 7 auf den Bohrkopf 2 als auch auf das Steuerrohr 18 und die Rohrleitung 3 übertragen wird, das für den Bohrvorgang erforderliche Drehmoment von dem abgewinkelten Bohrmotor 7 erzeugt und auf den Bohrkopf 2 übertragen wird, die Steuerung des Bohrkopfs 2 über einen auf der Vorschubvorrichtung 5 befindlichen Drehmotor 9 vorgenommen und die Drehbewegungen des Drehmotors 9 über das Bohrgestänge 6, das Vermessungsrohr 16 und den abgewinkelten Bohrmotor 7 auf den Bohrkopf 2 übertragen werden, die für den Bohrvorgang erforderliche Bohrflüssigkeit 12 durch das Bohrgestänge 6 und den Bohrmotor 7 zum Bohrkopf 2 gepumpt wird und der während des Bohrvorgangs von dem Bohrkopf 2 gelöste Boden 10 hydraulisch von der Bohrflüssigkeit 12 durch den Ringraum 11 aus dem Bohrloch 1 gefördert wird, wobei, nachdem der Bohrkopf 2 den Zielpunkt 17 erreicht hat, das Bohrlager 8, das Steuerrohr 18, das Vermessungsrohr 16, der abgewinkelte Bohrmotor 7 und der Bohrkopf 2 von der Rohrleitung 3 getrennt werden und das Bohrgestänge 6 von der Vorschubvorrichtung 5 aus der Rohrleitung 3 herausgezogen wird.
Bezugszeichenliste

1: Bohrloch
2: Bohrkopf
3: Rohrleitung
4: Einzelrohr
5: Vorschubvorrichtung
6: Bohrgestänge
7: Bohrmotor
8: Bohrlager
9: Drehmotor
10: Boden
11: Ringraum
12: Bohrflüssigkeit
13: Messsonde
14: Kabel
15: Verbindungsvorrichtung
16: Vermessungsrohr
17: Durchlass
18: Steuerrohr
19: Ortsbrust
20: Zentrierung
21: Außenrolle
22: Innenrolle
23: Dichtung
24: Steuerring
25: Dichtung
26: Aufdoppelung
27: Schraubverbindung
28: Lager
29: Austritt von Bohrflüssigkeit
30: Ablauf von Bohrflüssigkeit
31: Haltering
101: Koppeln von Bohrgestänge und Bohrmotor
102: Vorsehen eines Steuerrohrs
103: Verbinden eines Bohrlagers mit Rohrleitung und Steuerrohr
104: Drehen von Bohrgestänge und Bohrkopf
105: Positionsdrehen des Bohrgestänges
106: Drehen des Bohrkopfes

Claims

Vorrichtung zur Verlegung einer Rohrleitung (3) in einem Bohrloch (1), mit: einem Bohrlager (8), das mit einem Bohrgestänge (6) zur Aufnahme einer in Richtung einer Längsachse des Bohrgestänges (6) wirkenden Druckkraft koppelbar und mit der Rohrleitung (3) zur Weitergabe der Druckkraft als in Längsrichtung der Rohrleitung (3) wirkende Zug- und/oder Druckkraft verbindbar ist, einem gegenüber der Längsachse des Bohrgestänges (6) abgewinkelten oder abwinkelbaren Bohrmotor (7) für einen Bohrkopf (2), der für einen Antrieb des Bohrkopfes (2) unabhängig von einer Rotation des Bohrgestänges (6) vorgesehen ist, einer Lagebestimmungseinheit (16, 13) zur Bestimmung und Übermittlung einer Rotationslage des abgewinkelten Bohrmotors (7), und einem Steuerrohr (18), das den Bohrmotor (7) zumindest teilweise umschließt, wobei sich der Bohrkopf (2) im Betrieb in Richtung einer Ortsbrust (19) aus dem Steuerrohr (24) erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Steuerrohr (18) in einem der Ortsbrust (19) zugewandten Bereich seiner Außenseite mit einem Steuerring (24) zur Unterstützung eines Folgens einer Krümmung des Bohrlochs (1) durch das Steuerrohr (18) versehen ist, insbesondere mit einem Steuerring (24) mit einem Querschnitt in Form eines Dreiecks, dessen Grundseite an der Außenseite des Steuerrohrs (18) anliegt, wobei vorzugsweise die Spitze des Dreiecks über einer von der Ortsbrust (19) abgewandten Hälfte der Grundseite des Dreiecks angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Steuerrohr (18) gegenüber der Ortsbrust (19) mit einer Dichtung versehen ist, durch die sich der Bohrkopf (2) oder der Bohrmotor (7) erstreckt, wobei die Dichtung mit einer exzentrischen Öffnung für Bohrkopf (2) oder Bohrmotor (7) versehen und für eine Rotation relativ zum Steuerrohr (18) ausgestaltet ist und/oder wobei die Dichtung verformbar zur Aufnahme der Bewegung von Bohrkopf (2) oder Bohrmotor (7) im Betrieb ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Vorrichtung für eine Druckbeaufschlagung des Inneren des Steuerrohrs (18) ausgestaltet ist, insbesondere durch eine Flüssigkeit.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner mit einem Spülelement zum Austragen von in das Steuerrohr (18) gelangtem abgebohrten Material, wobei das Spülelement insbesondere zur Nutzung von Bohrflüssigkeit (12) ausgestaltet ist, wobei bevorzugt das Spülelement im Bereich eines von der Ortsbrust (19) abgewandten Abschlusses des Steuerrohrs (24) angeordnet ist und in Richtung der Ortsbrust (19) wirkt und/oder das Spülelement im Bereich des Bohrkopfes (2) angeordnet ist und von der Ortsbrust (19) weg wirkt, wobei das Steuerrohr (18) bei einem von der Ortsbrust (19) weg wirkenden Spülelement besonders bevorzugt in einem von der Ortsbrust (19) abgewandten Bereich Austragöffnungen (17) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Bohrlager (6) eine oder mehrere Aufdoppelungen (26) zur Anpassung des Außendurchmessers des Bohrlagers (6) an einen Durchmesser der Rohrleitung (3) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung für ein Ableiten von mit abgebohrtem Material beladener Bohrflüssigkeit (12) durch einen Zwischenraum (11) zwischen dem Bohrloch (1) und einer Außenseite der Rohrleitung (3) und/oder durch einen Zwischenraum zwischen Bohrgestänge (6) und einer Innenseite der Rohrleitung (3) ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer oder mehreren Zentrierungen (20) für den Bohrmotor (7), die Lagebestimmungseinheit (16) und/oder eine oder mehrere Elemente des Bohrgestänges (6) im Steuerrohr (18) und/oder in der Rohrleitung (3), wobei der maximale Außendurchmesser der einen oder mehreren Zentrierungen (20) bevorzugt um 1 bis 10 mm geringer ist als der jeweilige minimale Innendurchmeser des Steuerrohrs (18) bzw. der Rohrleitung (3).
Vorrichtung nach Anspruch 8, ferner mit dem Bohrgestänge (6), wobei das Bohrgestänge (6) mit mindestens zwei Halteringen (31) zur Positionierung einer Zentrierung (20) am Bohrgestänge (6) versehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei wenigstens eine Zentrierung (20) für ein Rotieren der Zentrierung (20) um eine Längsachse des Bohrgestänges (6) relativ zu dem Bohrmotor (7), der Lagebestimmungseinheit (16) bzw. dem Bohrgestänge (6) und für ein Verschieben der Zentrierung (20) entlang der Längsachse des Bohrgestänges (6) relativ zur Rohrleitung (3) ausgestaltet ist, wobei die Zentrierung (20) bevorzugt Rollen (22) an ihrer Innenseite, deren Achsen parallel zur Längsachse des Bohrgestänges (6) ausgerichtet sind, und Rollen (21) an ihrer Außenseite aufweist, deren Achsen in einer Ebene senkrecht zur Längsachse des Bohrgestänges (6) ausgerichtet sind.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner mit dem Bohrgestänge (6), wobei die Vorrichtung für ein Ableiten von mit abgebohrtem Material beladener Bohrflüssigkeit (12) durch einen Zwischenraum zwischen Bohrgestänge (6) und einer Innenseite der Rohrleitung (3) ausgestaltet ist, wobei das Bohrgestänge (6) zumindest teilweise als Schneckenrohr ausgestaltet ist und/oder die Vorrichtung mit einer Zentrierung (20) verstehen ist, die als Förderschnecke ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Bohrlager (6) im Betrieb als Verbindungselement für das Steuerrohr (18) und die Rohrleitung (3) im Bereich eines Beginns eines Bohrstrangs und/oder als Schubelement für bereits verlegte Rohrleitungselemente (4) zwischen einem Ende des als letztem verlegtem Rohrleitungselement (4) und einer Vorschubvorrichtung (5) vorgesehen ist.
Verfahren zur Verlegung einer Rohrleitung (3) in einem Bohrloch (1), mit den Schritten: Koppeln (101) eines Bohrgestänges (6) mit einem gegenüber der Längsachse des Bohrgestänges (6) abgewinkelten oder abwinkelbaren Bohrmotor (7) mit einem Bohrkopf (2), wobei das Koppeln (101) ein mittelbares Koppeln über ein Bohrlager (8) und/oder ein Koppeln ohne Zwischenschaltung eines Bohrlagers (8) ist, Vorsehen (102) eines Steuerrohrs (18), das den Bohrmotor (7) zumindest teilweise umschließt, wobei sich der Bohrkopf (2) im Betrieb in Richtung der Ortsbrust (19) aus dem Steuerrohr (18) erstreckt, Verbinden (103) des Bohrlagers (8) mit der zu verlegenden Rohrleitung (3) und dem Steuerrohr (18), wobei im Fall eines nur mittelbaren Koppelns (101) von Bohrgestänge (6) und Bohrmotor (7) das Steuerrohr (18) und die Rohrleitung (3) auf einander gegenüberliegenden Seiten des Bohrlagers (8) mit diesem verbunden werden und andernfalls das Steuerrohr (18) mittelbar über die Rohrleitung (3) mit dem Bohrlager (8) verbunden wird, wobei das Verfahren für ein planmäßig gerades Verlegen der Rohrleitung (3) umfasst: Drehen (104) des Bohrgestänges (6) zur Rotation des Bohrmotors (7) mit dem Bohrkopf (2) und Drehen (104) des Bohrkopfes (2) um dessen Längsachse mit dem Bohrmotor (7) unabhängig von einer Rotation des Bohrgestänges (6), und wobei das Verfahren für ein gekrümmtes Verlegen der Rohrleitung (3) umfasst: Drehen (105) des Bohrgestänges (6), bis eine Lagebestimmungseinheit (13, 16) des Bohrmotors (7) eine Position angibt, bei der der Bohrmotor (7) in Richtung der Krümmung abgewinkelt oder abwinkelbar ist, Drehen (106) des Bohrkopfes (2) um dessen Längsachse mit dem abgewinkelten Bohrmotor (7), wobei beim Verlegen der Rohrleitung (3) durch das Bohrgestänge (6) eine in Richtung der Längsachse des Bohrgestänges (6) wirkende Druckkraft auf das Bohrlager (8) ausgeübt wird, die durch das Bohrlager (8) als eine in einer Längsrichtung der Rohrleitung (3) wirkende Zug- und/oder Druckkraft auf die Rohrleitung (3) und als eine in Längsrichtung des Steuerrohrs (18) wirkende Druckkraft weitergegeben wird.