DE19837546C2 - Meßvorrichtung zum Bestimmen der Ausrichtung und des Verlaufs eines Bohrgestänges - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung zum Bestim­ men der Ausrichtung und des Verlaufs eines Bohrgestänges.

In der Praxis kommt es relativ häufig vor, daß Bohrge­ stänge beim Vortrieb durch Hindernisse im Baugrund abge­ lenkt werden, so daß Abweichungen zwischen dem Sollver­ lauf des Bohrgestänges und seinem tatsächlichen Verlauf im Baugrund auftreten. Diese Abweichungen wirken sich in der Regel qualitätsmindernd auf das mit der Bohrung bezweckte Ergebnis aus.

Dies wird nachfolgend am Beispiel der Sohlenherstellung im Hochdruckinjektions (HDI)-Verfahren erläutert. Die Sohle wird hier durch flächige Aneinanderreihung von Ver­ preßkörpern in einer vorgegebenen Tiefe im Baugrund reali­ siert. Dazu wird ein HDI-Gestänge bis auf die Solltiefe der zu erstellenden Sohle abgeteuft. Dort wird der Baugrund dann durch Hochdruckinjektion aufgeschnitten, und der da­ bei entstehende Hohlraum wird mit einer selbstabbindenden Verpreßmasse verpreßt. Die Größe des so entstehenden Ver­ preßkörpers hängt von der Reichweite des HDI-Strahls im Baugrund ab. Geschlossene Sohlen werden durch überlap­ pende Anordnung von benachbarten Verpreßkörpern er­ zeugt, da sich Fehlstellen in der Sohle nur auf diese Weise wirkungsvoll vermeiden lassen. Ablenkungen des HDI-Ge­ stänges beim Vortrieb in den Baugrund und dadurch be­ dingte Abweichungen der tatsächlichen Lage des HDI-Ge­ stänges von seiner jeweiligen Sollage können nun dazu füh­ ren, daß sich benachbarte Verpreßkörper nicht hinreichend überlappen, was im Ergebnis zu Fehlstellen in der Sohle führen kann.

Um dies zu vermeiden, überwacht man in der Praxis die Lage, d. h. die Ausrichtung und den Verlauf, eines HDI-Ge­ stänges beim Abteufen oder bestimmt dessen Lage im abge­ teuften Zustand. Dazu wird eine Inklinometersonde in den Hochdruckkanal des HDI-Gestänges eingeführt und in die­ sem abgesenkt. In festgelegten Abständen werden dann nach dem Bohren Messungen mit der Inklinometersonde vorgenommen.

Dieses bekannte Verfahren erweist sich in der Praxis je­ doch aus mehreren Gründen als problematisch. Um die In­ klinometersonde in den Hochdruckkanal des HDI-Gestän­ ges einführen zu können, muß das HDI-Gestänge geöffnet werden, was immer mit einer Unterbrechung des operativen Prozesses und Verzögerungen verbunden ist. Außerdem be­ steht beim Öffnen des HDI-Gestänges immer die Gefahr, daß die Medienrohre verschmutzt werden und Suspension aufgrund des Ausgleichs des hydrostatischen Drucks bei of­ fenem Bohrrohr in den Luftkanal eintritt. Bei dem bekann­ ten Verfahren erfolgt die Positionierung und Ausrichtung der Inklinometersonde in dem Hochdruckkanal des HDI- Gestänges manuell. Die Ergebnisse dieser manuellen Mes­ sungen sind immer mit dem systematischen Fehler des Be­ dieners behaftet, bedingt durch Fehler bei der Ausrichtung der Meßachsen, die Toleranzbreite der Meßintervalle, ein stets vorhandenes Meßwertrauschen etc.

Aus der DD 239 632 A5 ist eine Bohrgarnitur bekannt, die für Tiefbrunnenbohrungen eingesetzt werden soll. Da die Bohrachse bei Tiefbrunnenbohrungen oftmals einem Kurvenverlauf folgt, ist die bekannte Bohrgarnitur mit Mitteln zur Messung des Azi­ mutwinkels ausgestattet. Die bekannte Bohrgarnitur umfasst eine Folge von Bohrstangen, über die ein am unteren Ende angeordnetes Bohrwerkzeug angetrie­ ben wird. Die Bohrstangen weisen eine gewisse elastische Flexibilität auf, die einen Kurvenverlauf des Bohrlochs ermöglicht. Bei der bekannten Bohrgarnitur wird die Neigung bezüglich der Senkrechten und der Azimutwinkel der Bohrgarnitur mit Hilfe eines Messabschnitts ermittelt, der in der Nähe des Bohrwerkzeugs angeordnet ist. In dem Messabschnitt sind Messvorrichtungen angeordnet, die auf die Schwerkraft und das magnetische Feld ansprechen.

Voraussetzung für die Erfassung von auswertbaren Messdaten ist dabei, dass nur ein Messabschnitt vorhanden ist, der im Gegensatz zu dem Rest der Bohrgarnitur aus einem unmagnetischen Stahl gefertigt ist. Dieser Messabschnitt soll in der Nähe des Bohrwerkzeugs, also im Bereich des unteren Endes der bekannten Bohrgarnitur angeordnet sein.

Des Weiteren ist aus der DE 33 04 462 C2 ein sogenanntes Bohrloch-Instrument bekannt, mit dem sich der Verlauf einer bereits erstellten Tiefenbohrung bestimmen lässt, und zwar nachdem das Bohrgestänge entfernt worden ist. Dazu wird das be­ kannte Bohrloch-Instrument, das aus mehreren Richtungs- und Neigungsfühlern in einer länglichen Hülle aus flexiblem Material besteht, in das Bohrloch abgesenkt. Der Verlauf des Bohrlochs wird dann aus den während des Absenkvorgangs von den Richtungs- und Neigungsfühlern erfassten Messdaten bestimmt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine Meß­ vorrichtung anzugeben, mit der sich ohne nennenswerte Störung des operativen Prozesses die Ausrichtung und der Verlauf eines Bohrgestänges mit großer Genauigkeit bestim­ men lassen.

Die voranstehende Aufgabe wird durch eine Meßvorrich­ tung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 löst. Die dort angegebene Meßvorrichtung zum Bestimmen der Aus­ richtung und des Verlaufs eines Bohrgerätes umfaßt mehrere Inklinometersensoren, die über die Länge des Bohrgestän­ ges verteilt, an definierten Positionen des Bohrgestänges an­ geordnet sind, eine Auswerteeinheit für die von den Inklino­ metersensoren erfaßten Meßdaten und Mittel zum Übertra­ gen der Meßdaten zu der Auswerteeinheit.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß sich eine Reihe von Fehlerquellen bei der Bestimmung der Ausrichtung und des Verlaufs eines Bohrgestänges mit Hilfe von Inklinome­ tersensoren ausschalten lassen, wenn die Inklinometersen­ soren an definierten Positionen des Bohrgestänges angeord­ net sind und nicht - wie aus der Praxis bekannt - manuell in bestimmte Meßpositionen verbracht werden. Des weiteren ist erkannt worden, daß der Meßvorgang erheblich verein­ facht und verkürzt werden kann, wenn mehrere Inklinome­ tersensoren vorgesehen sind, die über die Länge des Bohrge­ stänges verteilt an definierten Meßpositionen angeordnet sind. Auf diese Weise können nämlich die Neigungen des Bohrgestänges an verschiedenen Positionen des Bohrge­ stänges gleichzeitig erfaßt werden. Die Ausrichtung und der Verlauf des Bohrgestänges insgesamt können dann einfach mit Hilfe einer Auswerteeinheit ermittelt werden, der die gleichzeitig erfaßten Meßdaten sämtlicher am Bohrgestänge angeordneten Inklinometersensoren zugeleitet werden. Im Ergebnis ermöglicht der Einsatz der erfindungsgemäß vor­ geschlagenen Meßvorrichtung eine weitgehende Automati­ sierung des Meßvorgangs, bei dem sich die Ausrichtung und der Verlauf eines Bohrgestänges mit nur sehr geringem Zeit­ aufwand und relativ hoher Genauigkeit ermitteln lassen. Außerdem muß der Bohrvorgang für Messungen mit der er­ findungsgemäßen Meßvorrichtung nicht mehr unterbrochen werden; die Messungen lassen sich nun mit nur minimaler Unterbrechung des operativen Prozesses durchführen.

Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten für die Anordnung der Inklinometersensoren an definierten Positio­ nen des Bohrgestänges, was nicht zuletzt auch von der Kon­ struktion des Bohrgestänges selbst abhängt. In einer beson­ ders vorteilhaften Variante der erfindungsgemäßen Meßvor­ richtung sind die Inklinometersensoren in einem eigens da­ für vorgesehenen Meßkanal des Bohrgestänges angeordnet. Ein solcher Meßkanal bietet zum einen einen gewissen me­ chanischen Schutz für die Inklinometersensoren, zum ande­ ren ermöglicht er eine einfache Wartung bzw. einen einfa­ chen Austausch der Inklinometersensoren ohne Beeinträch­ tigung der Funktionsfähigkeit des Bohrgestänges selbst.

Grundsätzlich ist es zwar möglich, Bohrgestänge ledig­ lich für bestimmte Baumaßnahmen mit einer erfindungsge­ mäßen Meßvorrichtung auszurüsten, in der Regel wird man die Inklinometersensoren der erfindungsgemäßen Meßvor­ richtung jedoch fest an einem Bohrgestänge installieren, da jeder Inklinometersensor in Bezug auf die übrigen Inklino­ metersensoren der Meßvorrichtung und das Bohrgestänge genau ausgerichtet werden muß.

Während der Bohrmaßnahme dreht sich das Bohrge­ stänge und mit ihm auch die Inklinometersensoren. Für die Auswertung der von den Inklinometersensoren erfaßten Meßwerte sollte die Orientierung der Inklinometersensoren bzw. des Bohrgestänges möglichst genau bekannt sein. In ei­ ner vorteilhaften Variante der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung sind deshalb zusätzlich Mittel zum Erkennen der Ori­ entierung des Bohrgestänges vorgesehen. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Markierung am Bohrgestänge handeln oder auch um einen an geeigneter Stelle angeordne­ ten Fortsatz.

Besonders Vorteilhaft ist es, wenn die Inklinometersenso­ ren jeweils paarweise angeordnet sind und ein einachsiges Inklinometerpaar bilden. In diesem Falle läßt sich mit jedem Sensorpaar die Tangentensteigung am Ort des Sensorpaars erfassen, so daß der Verlauf des Bohrgestänges durch Nähe­ rungsintegration der Tangentensteigungen an den Orten al­ ler Sensorpaare ermittelt werden kann.

Im Baustellenbetrieb erweist es sich als vorteilhaft, die Auswerteeinheit der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung abgesetzt von den Inklinometersensoren zu betreiben, d. h. vom Bohrgestänge getrennt an einem geschützten und gut zugänglichen Ort anzuordnen. In diesem Falle ist es zweck­ mäßig die von den Inklinometersensoren erfaßten Meßdaten drahtlos zur Auswerteeinheit zu übertragen. Dies kann bei­ spielsweise per Funk oder per Infrarot erfolgen.

Wie bereits erwähnt, wird der Verlauf des Bohrgestänges erfindungsgemäß mit Hilfe der Auswerteeinheit anhand der von den Inklinometersensoren erfaßten Meßdaten bestimmt. Da die Durchführung einer Baumaßnahme in der Regel pro­ tokolliert wird, ist es von Vorteil, neben der Auswerteeinheit auch Mittel zum Abspeichern der Meßdaten und/oder der Meßergebnisse in Form der ausgewerteten Meßdaten vorzu­ sehen. In Verbindung mit der Überwachung einer Bohrmaß­ nahme ist es außerdem von Vorteil, wenn auch Mittel zum tabellarischen und/oder graphischen Visualisieren der Meß­ ergebnisse vorgesehen sind.

Die voranstehend ganz allgemein beschriebene erfin­ dungsgemäße Meßvorrichtung erweist sich insbesondere zum Bestimmen der Ausrichtung und des Verlaufs eines Dü­ senstrahl-Gestänges, wie z. B. eines HDI-Gestänges, als vorteilhaft. Diese Art des Bohrgestänges kommt bei ver­ schiedensten Baumaßnahmen zum Einsatz, da sich im Dü­ senstrahl-Verfahren Verpreßkörper für unterschiedlichste Zwecke im Baugrund erstellen lassen. In der Regel ist es er­ forderlich, die Verpreßkörper genau zu positionieren, d. h. in einer definierten Tiefe und mit definierter Lage herzustellen, wozu die Ausrichtung und der Verlauf des Düsenstrahl-Ge­ stänges bestimmt werden müssen.

Nachfolgend werden die Wirkungsweise und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung in Verbindung mit einem HDI-Gestänge anhand der einzigen Figur näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt ein Bohrgerät 1, das auf der Bo­ denoberfläche 2 neben einem Bohrloch 3 angeordnet ist. Am Bohrgerät 1 ist ein HDI-Gestänge 4 befestigt, das bereits zu einem großen Teil in den Baugrund 5 abgeteuft ist. Die ein­ zige Figur verdeutlicht, daß die Ausrichtung des HDI-Ge­ stänges 4 im Baugrund 5 von der Vertikalen abweicht, ob­ wohl das HDI-Gestänge 4 senkrecht in den Baugrund 5 vor­ getrieben worden ist. Diese Abweichung könnte bspw. auf Hindernisse im Baugrund 5 zurückzuführen sein.

Zur Bestimmung der tatsächlichen Ausrichtung und des tatsächlichen Verlaufs des abgeteuften HDI-Gestänges 4 ist dieses HDI-Gestänge 4 mit einer Meßvorrichtung ausgestat­ tet, die vier Inklinometersonden mit jeweils einem Inklino­ metersensorpaar umfaßt, welche über die Länge des HDI- Gestänges 4 verteilt, an definierten Positionen des HDI-Ge­ stänges 4 angeordnet sind. Im vorliegenden Falle sind die Inklinometersensoren 6 in einem eigens dafür vorgesehenen Meßkanal bzw. Meßrohr angeordnet, welches in das HDI- Gestänge 4 integriert ist. Die Inklinometersensoren 6 sind in festen, hier gleichen Intervallen im Meßrohr angeordnet. Jede Inklinometersonde umfaßt ein einachsiges Inklinome­ tersensorpaar, das die Tangentensteigung in einem diskreten Meßpunkt, nämlich am Ort des Inklinometersensorpaars, er­ faßt.

Die Auswertung der als Meßdaten erfaßten Tangenten­ steigungen in den die Meßpunkte bildenden Positionen der Inklinometersensoren 6 erfolgt mit Hilfe einer Auswerteein­ heit, die abgesetzt von den Inklinometersensoren 6 betrie­ ben wird und sich im vorliegenden Fall bspw. in dem Bohr­ gerät 1 befinden könnte. Dort könnten zusätzlich auch noch Mittel zum Abspeichern der Meßdaten und/oder Meßergeb­ nisse und Mittel zum Visualisieren der Meßergebnisse ange­ ordnet sein; so daß das Bedienungspersonal den Bohrvor­ gang vom Bohrgerät aus nicht nur überwachen und steuern könnte sondern auch protokollieren könnte. Bei der Aus­ werteeinheit kann es sich um ein Laptop, einen Hand-PC, ein IPC-System oder ähnliches handeln. Der Verlauf des HDI-Gestänges 4 wird durch Näherungsintegration der als Meßdaten erfaßten Tangentensteigungen unter Berücksich­ tigung der Orientierung des HDI-Gestänges ermittelt. Dar­ aus läßt sich dann die Abweichung des tatsächlichen Bohr­ verlaufs von dem Sollverlauf des HDI-Gestänges 4 ermit­ teln.

Wie bereits erwähnt, wird die Auswerteeinheit abgesetzt von den Inklinometersensoren 6 betrieben. Dafür werden die Meßdaten der Inklinometersensoren 6 über eine Infrarot- Schnittstelle unterhalb des Spülkopfes des HDI-Gestänges 4 an die Auswerteeinheit übertragen.

Abschließend sei nochmals daraufhingewiesen, daß sich mit Hilfe der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung die Aus­ richtung und der Verlauf eines Bohrgestänges bestimmen lassen, ohne daß dazu der Vortrieb des Bohrgestänges lang­ fristig unterbrochen werden muß. Der Meßprozeß hat also nur geringe Auswirkungen auf den zeitlichen Ablauf der Bohrmaßnahme.

Claims (11)

1. Meßvorrichtung zum Bestimmen der Ausrichtung und des Verlaufs eines Bohrgestänges (4) mit mindestens einem am Bohrgestänge (4) angeordneten Inklinometersensor (6), einer Auswerteeinheit für die von dem Inklinometersensor (6) erfaßten Meßdaten und Mitteln zum Übertragen der Meßdaten zu der Auswerteeinheit, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Inklinometersensoren (6) vorgesehen sind, die über die Länge des Bohrgestänges (4) verteilt, an definierten Positionen des Bohrgestänges (4) angeordnet sind, und daß die Auswerteeinheit für die Auswertung der von den Inklinometersensoren (6) gleichzeitig erfaßten Meßdaten bestimmt ist.

2. Meßvorrichtung nach Anspruche 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Inklinometersensoren (6) in einem ei­ gens dafür vorgesehenen Meßkanal des Bohrgestänges (4) angeordnet sind.

3. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Inklinometersenso­ ren (6) fest installiert sind.

4. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Erkennen der Orientierung des Bohrgestänges vorgesehen sind.

5. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Inklinometersensoren jeweils paarweise angeordnet sind, so daß sich mit je­ dem dieser Sensorpaare die Tangentensteigung am Ort des Sensorpaars erfassen läßt und der Verlauf des Bohrgestänges durch Näherungsintegration der Tan­ gentensteigungen an den Orten aller Sensorpaare er­ mitteln läßt.

6. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit ab­ gesetzt von den Inklinometersensoren (6) betrieben wird und daß die Mittel zum Übertragen der Meßdaten zu der Auswerteeinheit eine drahtlose Datenübertra­ gung vorsehen.

7. Meßvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Meßdaten per Funk oder per Infrarot übertragen werden.

8. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Abspeichern der Meßdaten und/oder der Meßergebnisse in Form der ausgewerteten Meßdaten vorgesehen sind.

9. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Visualisieren der Meßergebnisse vorgesehen sind.

10. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Bestimmen der Ausrichtung und des Verlaufs eines Düsenstrahl-Gestänges (4).

11. Meßvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß unterhalb des Spülkopfes des Dü­ senstrahl-Gestänges (4) eine Schnittstelle angeordnet ist, über die die Meßdaten an die Auswerteeinheit über­ tragen werden.