DE10115713C2 - Ein Verfahren, eine Vorrichtung und eine Antriebswelle zum Verbinden von Bohrstangen mit einem Antrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren eine Vorrichtung und eine Antriebswelle zum Verbinden von Bohrstangen mit dem Adapter eines Antriebs beim horizontalen Erdbohren.

Im Bereich des horizontalen Erdbohrens, der das Erstellen und Aufweiten von Pilotbohrungen sowie das Ersetzen von Altleitungen mit umfaßt, werden häufig Gestänge aus verschraubbaren Bohrstangen eingesetzt. Derartige Bohrstangen weisen in der Regel beidseitige Schraubverbindungselemente (männlich und weiblich) auf und werden mit einem Bohr- oder Aufweitkopf versehen schrittweise verlängert oder verkürzt und dabei in das Erdreich eingetrieben oder aus dem Erdreich herausgezogen. Hierzu werden die ein­ zelnen Gestängeschüsse in der Regel in eine Bohrlafette mit einem Schub/Drehantrieb eingelegt und einzeln miteinander verbunden bzw. von­ einander gelöst wie in der DE 199 24 200 A1. Dies erfolgt durch Rotation des zu entnehmenden oder zu verbindenden Gestängeschusses bei gleich­ zeitiger Fixierung des noch im Erdreich befindlichen Gestängeschusses.

Der Schub/Drehantrieb der Lafette überträgt seine Kraft dabei über eine Antriebswelle mit einem Gestängeadapter. Bei dem Gestängeadapter han­ delt es sich um ein mit den Gestängeverbindungselementen korrespondie­ rendes Gegenstück. Bei Schraubgestängeschüssen wird der zu verbin­ dende Gestängeschuß wiederum fixiert und die Antriebswelle mit dem Ge­ stängeadapter rotierend von dem Gestängeschuß gelöst oder mit diesem verbunden.

Die Lafette besteht in der Regel aus einem Schlitten, auf dem der Schub/Drehantrieb verfahrbar gelagert ist (DE 199 24 200 A1, Fig. 1). Zum Einbringen oder Herausziehen der Gestängeschüsse besitzt der Schlitten einen Transversalantrieb. Zum Verbinden oder Lösen der Gestängeschüsse bzw. der Verbindung zwischen Bohrwelle und Gestängeschuß wird das einzuschraubende Verbindungselement mit dem Transversalantrieb an das korrespondierende Verbindungselement herangefahren. Beim Einschrauben mit Hilfe des Drehantriebs besteht nun die Schwierigkeit, daß das Ein­ schrauben nicht nur eine Rotation, sondern auch eine Transversalbewegung erfordert. Hierzu ist es bekannt, eine Antriebswelle mit einem axialen Spiel einzusetzen, wobei die Antriebswelle mit Hilfe eines Federelements in einem Abstand von den beiden Endpositionen des Spiels gehalten wird. Die durch das Spiel gegebenen axiale Verschiebbarkeit der Antriebswelle muß be­ grenzt sein, um die Kraftübertragung auf das Gestänge beim Bohren nicht zu behindern. Beim Verbinden und Lösen der Gestängeschüsse bzw. des Gestängeadapters ist es daher mit dem beschriebenen System erforderlich, daß der Betreiber des Bohrgerätes die zu verschraubenden Verbindungse­ lemente möglichst feinfühlig aneinander fährt, bis eine Positionierung er­ reicht ist, die es erlaubt, unter Ausnutzung des Spiels der Antriebswelle ein Einschrauben durchzuführen. Dieser Vorgang ist nicht nur schwierig, son­ dern führt häufig zu erheblichen Belastungen der Verbindungselemente, wenn die Positionierung des Gestängeadapters nicht ausreichend geglückt ist. In diesem Falle wird der Gestängeadapter in die Bohrstange einge­ schraubt, wobei die Antriebswelle vor Erreichen der endgültigen Ein­ schraubtiefe ihre Endposition in bezug auf das Spiel erreicht.

Die gleiche Situation ergibt sich beim Herausschrauben des Gestänge­ adapters, wenn die Antriebswelle nicht so akkurat positioniert wird, daß das zur Verfügung stehende Spiel zur Aufnahme der axialen Verschiebung beim Herausschrauben des Gestängeadapters ausreicht.

Die beschriebenen Schwierigkeiten stellen in der Praxis einen erheblichen Nachteil dar, da es sich bei dem Gestängeadapter um dasjenige Bauteil handelt, welches quantitativ die größte Verschraubungs- und Lösebeanspru­ chung ausgesetzt ist. Es handelt sich somit bei dem Gestängeadapter um eines der wesentlichen Verschleißteile bei der beschriebenen Vorrichtung.

Da der Schub/Drehantrieb erhebliche Kräfte auf das Bohrgestänge über­ trägt, stellt zudem ein Materialbruch im Bereich der Verbindungselemente eine Gefahr auf der Baustelle dar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit der das Verbinden eines hinteren (2) Gestängeschusses eines Bohrstran­ ges oder eines einzelnen Gestängeschusses mit dem Gestängeadapterei­ nes Antriebs verbessert wird.

Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine entsprechende Vor­ richtung zu schaffen.

Die Lösung der Aufgabe ergibt sich aus den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprü­ chen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das erfindungsgemäße Verfahren erlauben es, eine Information über eine Position der Antriebswelle in bezug auf deren Spiel zu ermitteln. Diese Information kann dem Bedienungsperso­ nal angezeigt werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden ver­ schiedene Positionen der Antriebswelle, insbesondere die Endstellungen ermittelt und angezeigt. Dies erlaubt es dem Bedienungspersonal, den An­ trieb in bezug auf das im Erdreich befindliche Gestänge so zu verfahren, daß das Spiel der Antriebswelle optimal ausgenutzt wird. So kann bei­ spielsweise beim Einschrauben die Antriebsstelle bis in die oder kurz vor die Endposition der Antriebswelle gefahren werden, in der eine Leuchtdiode oder eine Lampe oder eine mechanische Anzeigevorrichtung anzeigen kann, daß nun unter optimaler Ausnutzung des Spiels der Antriebswelle ein- oder ausgeschraubt werden kann.

Die Information über die Position der Antriebswelle kann auch zur Steue­ rung der Axialverschiebung der Antriebswelle eingesetzt werden. So kann beispielsweise der Transversalantrieb bei Erreichen einer bestimmten Posi­ tion der Antriebswelle unterbrochen oder zunächst verlangsamt und dann unterbrochen werden, so daß eine automatische Positionierung des Ge­ stängeadapters möglich ist.

Die Position der Antriebswelle kann induktiv, kapazitativ, optisch, mecha­ nisch oder akustisch ermittelt und transportiert werden. Für die induktive Ermittlung kann beispielsweise ein Ringmagnet eingesetzt werden, der eine Induktionsänderung beim Verschieben einer entsprechend ausgestalteten Antriebswelle bewirkt. Der Ringmagnet kann aus einer Vielzahl auf dem Umfang der Antriebswelle angeordneter voneinander beabstandeter Ma­ gneten bestehen.

Die zu dem beschriebenen Zweck im Bereich der Antriebswelle angeordne­ ten Geber und Sensoren lassen sich aber auch zur Ermittlung weiterer Pa­ rameter, wie Winkellage oder Drehzahl einsetzen.

Besonders vorteilhaft ist es, die ermittelte Information über die Position der Antriebswelle zur Steuerung einer Zuschaltung eines Schlagantriebs einzu­ setzen. Dies erlaubt es, mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein von dem Widerstand in der Ortsbrust abhängiges Zu- oder Abschalten eines Schlagantriebs zu steuern.

Darüber hinaus kann der Verschiebeweg der Antriebswelle ermittelt werden, um Aussagen über den Bohrverlauf zu erhalten.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestell­ ten Ausführungsbeispiels des näheren erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Schub/Drehantriebs mit verschiedenen Elementen der Erfindung;

Fig. 2 eine Schnittdarstellung des Gestängeadapters der Fig. 1;

Fig. 3 bevorzugte Ausführungsformen von Gebern und Sensoren der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung.

In Fig. 1 ist ein Schub/Drehantrieb 1 auf einer Bohrlafette 2 mit einer An­ triebswelle 3 dargestellt. Die Antriebswelle 3 weist einen Gestängeadaper 4 auf.

Der Gestängeadapter 4 ist so ausgebildet, daß er mit den Gestängeschüs­ sen 6, 8, 10 verbunden werden kann.

Zum Verbinden werden die Gestängeschüsse mit Hilfe eines Greifers 12, wie er zum Einsetzen der Gestängeschüsse aus einem Gestängemagazin (nicht dargestellt) in die Bohrachse verwendet wird, oder mit Hilfe einer Klemm- und Lösevorrichtung 14 fixiert.

Zum Verschrauben von Antriebswelle und Gestängeschuß wird die An­ triebswelle 3 mit dem Gestängeadapter 4 mit Hilfe der Lafette 2 an den Ge­ stängeschuß 6 so weit herangefahren, daß das männliche Schraubverbin­ dungselement 40 des Gestängeadapters 4 mit dem weiblichen Schraub­ verbindungselement 60 des Gestängeschusses 6 in Berührung gerät. Zwi­ schen der Antriebswelle 3 und dem Antrieb 1 ist ein Spiel vorgesehen, wel­ ches mit Hilfe einer Feder 30 in seiner ausgefahrenen Position gehalten wird. Vor dem Einschalten des Drehantriebs 1 zwecks Verschraubung des Gestängeadapters 4 mit dem Gestängeschuß 6 wird der Antrieb mit Hilfe der Lafette nochmals um ein Stück in Richtung des Gestängeschusses 6 verfahren, um die Feder 30 vorzuspannen, so daß das Einschrauben des Gewindes 40 in Dose 60 ohne weiteres Verfahren der Lafette 2 mit Hilfe des Drehantriebs erfolgen kann.

Erfindungsgemäß ist nun ein Geber 20 vorgesehen, der über Sensoren 22, 24 ein Signal an eine Steuer- und/oder Anzeigevorrichtung 26 über die Stel­ lung der Antriebswelle bzw. des Gestängeadapters übermittelt.

Bei einer Ausführungsform kann mit Hilfe zweier Leuchtdioden 28, 29 oder Lampen angezeigt werden, ob die Antriebswelle in der optimalen Position für das Ein- oder für das Ausschrauben liegt. So kann beim Heranfahren der Antriebswelle 3 mit Gestängeadapter 4 mit Hilfe der Lafette 2 die Leuchtdi­ ode 28 bei oder kurz vor dem Erreichen der maximalen Federvorspannung der Feder 30 aufleuchten, um zu Signalisieren, daß die Phase des Ein­ schraubens mit Hilfe des Drehantriebs 1 nun eingeleitet werden kann.

Die Antriebswelle kann Geber 32, 34, 36 aufweisen, die als Magnetring 32 oder als einzelne Magnetelemente 34 oder auch mechanische Struktur 36 oder als radiale Eindrehung ausgebildet sind.

In Fig. 2 ist das Spiel bezüglich der Antriebswelle 3 und des Antriebs 1 als "ΔX" dargestellt.

Bei einer anderen Ausführungsform wird die Steuerung 26 zur Automatisie­ rung des Heranfahrens und Einschraubens eingesetzt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch zur Kontrolle der hinteren Endlage der Antriebswelle 3 beim schlagenden Vortrieb eingesetzt werden. Dabei soll verhindert werden, daß die Antriebswelle sich beim Schlagen nicht in der hinteren Endlage befindet, um eine axiale Vorspannung zu erreichen.

Claims (23)

1. Verfahren zum Verbinden eines Gestängeschusses mit einer gegenüber dem Bohrantrieb axial ver­ schiebbaren Antriebswelle eines Bohrantriebs und mit einer Anzeigevorrichtung für die Endpositionen der Antriebswelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (3) mit dem Antrieb (1) an einen Gestängeschuß heran­ gefahren wird, bis die Anzeigevorrichtung (26) im wesentlichen die End­ position anzeigt und maximal soweit eingeschraubt wird, bis die zweite Endposition erreicht ist und die Anzeigevorrichtung (26) dies anzeigt.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Axialpo­ sition des Gestängeschusses sensorisch ermittelt und zur Steuerung der Verschiebung der Antriebswelle (3) verwendet wird.

3. Vorrichtung für den horizontalen unterirdischen Gestängevorschub mit einem Antrieb und einer Antriebswelle zur Übertragung der Antriebskraft auf ein schraubgekuppeltes Bohrgestänge, wobei die Antriebswelle zum Ausgleich der axialen Verschiebung beim An- oder Abschrauben eines Gestängeschusses zwischen zwei Endpositionen axial verschiebbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Antriebs­ welle (3) mindestens ein Geber (20, 32, 34, 36) und ein Sensor (22, 24) angeordnet sind und der Geber (20, 32, 34, 36) bei Erreichen mindestens einer bestimmten Position der Antriebswelle (3) den Sensor (22, 24) erregt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ge­ bersignal einer Anzeigevorrichtung (26) zugeführt wird.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Signale mehrerer Geber (20, 32, 34, 36) Anzeigevorrich­ tungen zugeführt werden, um verschiedene Positionen der Antriebs­ welle (3) anzuzeigen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gebersignale durch Leuchtdioden (28, 29) oder Lam­ pen oder eine mechanische Anzeigevorrichtung angezeigt werden.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, gekennzeichnet durch eine optische Anzeigevorrichtung (26) zur Anzeige der beiden Endposi­ tionen der Antriebswelle (3).

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß das Gebersignal zur Steuerung der Axialverschiebung An­ triebswelle (3) verwendet wird.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeich­ net, daß das Gebersignal den Axialantrieb (1) der Antriebswelle (3) in mindestens einer Position unterbricht.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeich­ net, daß das Gebersignal den Rotationsantrieb in mindestens einer Stellung unterbricht.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, gekennzeichnet durch einen induktiven, kapazitiven oder optischen, mechanischen oder akustischen Geber (20, 32, 34, 36) oder Sensor (22, 24).

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Geber oder Sensor als Ringmagnet (32) ausgebildet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Geber oder Sensor als Ringmagnet (32) bestehend aus einer Vielzahl auf dem Umfang der Antriebswelle angeordneter voneinander beab­ standeter Magneten (34) ausgebildet ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Geber oder Sensor als radiale Eindrehung ausgebil­ det ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Geber oder Sensor als radiale Erhebung (Nocken) ausgebildet ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Geber (20, 32, 34, 36) oder Sensor (22, 24) zur Er­ mittlung weiterer Parameter eingesetzt wird.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Geber (20, 32, 34, 36) oder Sensor (22, 24) zur Er­ mittlung der Winkellage oder Drehzahl eingesetzt wird.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 17, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Signale eines oder zweier Geber den Axialantrieb (1) der Antriebswelle (3) kurz vor den axialen Endpositionen der Antriebs­ welle (3) unterbricht.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 18, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gebersignal zur Kontrolle der hinteren Erdlage der Antriebswelle (3) beim schlagenden Vortrieb eingesetzt wird.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 19, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens ein Geber (20, 32, 34, 36) oder Sensor (22, 24) zur Messung und Darstellung des Verschiebewegs der Antriebs­ welle verwendet wird.

21. Antriebswelle zur Verwendung in einem Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 oder in einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 20 gekennzeichnet durch eine Anzeige der Axialposition der Antriebswelle (3) in minde­ stens einem Punkt.

22. Vorrichtung zur Verwendung in einem Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 oder in einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 20 zur Ermittlung der axialen Position einer Antriebswelle (3) eines Antriebs für ein Bohrgestänge, insbesondere beim Verbinden eines Gestänge­ schusses mit dem Antrieb, umfassend einen Sensor (22, 24) für die Ermittlung der axialen Position der Antriebswelle (3) und eine Anzeige­ einrichtung (26).

23. Steuereinheit zur Verwendung in einem Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 oder in einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 20 zur Steuerung der axialen Position einer Antriebswelle (3) eines Antriebs (1) für ein Bohrgestänge insbesondere beim Verbinden eines Gestänge­ schusses mit dem Antrieb, umfassend einen Sensor (22, 24) für die Ermittlung mindestens einer axialen Position der Antriebswelle (3), wobei die Steuereinheit den Antrieb (1) bei Erreichen mindestens einer bestimmten Axialposition der Antriebswelle (3) unterbricht.