DE19837546A1 - Measuring device for determining the alignment and the course of a drill pipe - Google Patents
Measuring device for determining the alignment and the course of a drill pipeInfo
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Abstract
Es wird eine Meßvorrichtung vorgeschlagen, mit der sich die Ausrichtung und der Verlauf eines Bohrgestänges (4) auch während der Bohrmaßnahme, d. h. ohne Demontage des Bohrgestänges, bestimmen lassen. DOLLAR A Erfindungsgemäß umfaßt die Meßvorrichtung mehrere Inklinometersensoren (6), die über die Länge des Bohrgestänges (4) verteilt, an definierten Positionen des Bohrgestänges (4) angeordnet sind, eine Auswerteeinheit für die von den Inklinometersensoren (6) erfaßten Meßdaten und Mittel zum Übertragen der Meßdaten zu der Auswerteeinheit.A measuring device is proposed with which the alignment and the course of a drill pipe (4) can also be determined during the drilling operation, ie. H. allow to be determined without dismantling the drill pipe. DOLLAR A According to the invention, the measuring device comprises a plurality of inclinometer sensors (6) which are distributed over the length of the drill pipe (4) and are arranged at defined positions of the drill pipe (4), an evaluation unit for the measurement data recorded by the inclinometer sensors (6) and means for transmission the measurement data to the evaluation unit.
Description
Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung zum Bestimmen der Ausrichtung und des Verlaufs eines Bohrgestänges.The invention relates to a measuring device for determining the orientation and the Course of a drill pipe.
In der Praxis kommt es relativ häufig vor, daß Bohrgestänge beim Vortrieb durch Hindernisse im Baugrund abgelenkt werden, so daß Abweichungen zwischen dem Sollverlauf des Bohrgestänges und seinem tatsächlichen Verlauf im Baugrund auf treten. Diese Abweichungen wirken sich in der Regel qualitätsmindernd auf das mit der Bohrung bezweckte Ergebnis aus.In practice, it occurs relatively often that drill rods pass through during driving Obstacles in the ground are deflected so that deviations between the Target course of the drill pipe and its actual course in the ground to step. These deviations usually have a negative impact on quality the drilling purpose.
Dies wird nachfolgend am Beispiel der Sohlenherstellung im Hochdruckinjektions (HDI)-Verfahren erläutert. Die Sohle wird hier durch flächige Aneinanderreihung von Verpreßkörpern in einer vorgegebenen Tiefe im Baugrund realisiert. Dazu wird ein HDI-Gestänge bis auf die Solltiefe der zu erstellenden Sohle abgeteuft. Dort wird der Baugrund dann durch Hochdruckinjektion aufgeschnitten, und der dabei entstehende Hohlraum wird mit einer selbstabbindenden Verpreßmasse verpreßt. Die Größe des so entstehenden Verpreßkörpers hängt von der Reichweite des HDI-Strahls im Bau grund ab. Geschlossene Sohlen werden durch überlappende Anordnung von be nachbarten Verpreßkörpern erzeugt, da sich Fehlstellen in der Sohle nur auf diese Weise wirkungsvoll vermeiden lassen. Ablenkungen des HDI-Gestänges beim Vor trieb in den Baugrund und dadurch bedingte Abweichungen der tatsächlichen Lage des HDI-Gestänges von seiner jeweiligen Sollage können nun dazu führen, daß sich benachbarte Verpreßkörper nicht hinreichend überlappen, was im Ergebnis zu Fehl stellen in der Sohle führen kann.This is illustrated below using the example of sole production in high-pressure injection (HDI) procedure explained. The sole is here by lined up by Injection bodies realized at a predetermined depth in the ground. To do this, a HDI rods sunk to the target depth of the sole to be created. There the Then the ground was cut open by high pressure injection, and the resulting one Cavity is pressed with a self-setting compound. The size of the The resulting compact depends on the range of the HDI beam under construction abysmal. Closed soles are by overlapping arrangement of be neighboring grouting bodies produced, because defects in the sole only on this Have ways effectively avoided. Deflections of the HDI boom at the front drifted into the subsoil and the resulting deviations in the actual location of the HDI boom from its respective target position can now lead to neighboring grouting bodies do not overlap sufficiently, which results in failure places in the sole.
Um dies zu vermeiden, überwacht man in der Praxis die Lage, d. h. die Ausrichtung und den Verlauf, eines HDI-Gestänges beim Abteufen oder bestimmt dessen Lage im abgeteuften Zustand. Dazu wird eine Inklinometersonde in den Hochdruckkanal des HDI-Gestänges eingeführt und in diesem abgesenkt. In festgelegten Abständen werden dann nach dem Bohren Messungen mit der Inklinometersonde vorgenom men.In order to avoid this, the situation is monitored in practice, i. H. the alignment and the course of an HDI boom when sinking or determines its position in the sunk state. For this purpose, an inclinometer probe is placed in the high pressure duct of the HDI linkage introduced and lowered in this. At fixed intervals measurements are then taken with the inclinometer probe after drilling men.
Dieses bekannte Verfahren erweist sich in der Praxis jedoch aus mehreren Gründen als problematisch. Um die Inklinometersonde in den Hochdruckkanal des HDI-Ge stänges einführen zu können, muß das HDI-Gestänge geöffnet werden, was immer mit einer Unterbrechung des operativen Prozesses und Verzögerungen verbunden ist. Außerdem besteht beim Öffnen des HDI-Gestänges immer die Gefahr, daß die Medienrohre verschmutzt werden und Suspension aufgrund des Ausgleichs des hy drostatischen Drucks bei offenem Bohrrohr in den Luftkanal eintritt. Bei dem be kannten Verfahren erfolgt die Positionierung und Ausrichtung der Inklinometersonde in dem Hochdruckkanal des HDI-Gestänges manuell. Die Ergebnisse dieser manu ellen Messungen sind immer mit dem systematischen Fehler des Bedieners behaftet, bedingt durch Fehler bei der Ausrichtung der Meßachsen, die Toleranzbreite der Meßintervalle, ein stets vorhandenes Meßwertrauschen etc.However, this known method proves in practice for several reasons as problematic. Around the inclinometer probe in the high pressure channel of the HDI-Ge To be able to insert the rod, the HDI rod must be opened, whatever associated with an interruption of the operational process and delays is. In addition, when opening the HDI boom there is always the risk that the Media pipes become dirty and suspension due to the balancing of the hy drostatic pressure enters the air duct with the drill pipe open. With the be The positioning and alignment of the inclinometer probe is carried out using known methods manually in the high pressure duct of the HDI boom. The results of this manu Measurements always involve the operator's systematic error, due to errors in the alignment of the measuring axes, the tolerance range of the Measuring intervals, a constant measurement noise etc.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine Meßvorrichtung anzugeben, mit der sich ohne nennenswerte Störung des operativen Prozesses die Ausrichtung und der Verlauf eines Bohrgestänges mit großer Genauigkeit bestimmen lassen.The object of the present invention is to provide a measuring device with who, without any noticeable disruption to the operational process, aligns and let the course of a drill pipe be determined with great accuracy.
Die voranstehende Aufgabe wird durch eine Meßvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 löst. Die dort angegebene Meßvorrichtung zum Bestimmen der Ausrichtung und des Verlaufs eines Bohrgerätes umfaßt mehrere Inklinometersenso ren, die über die Länge des Bohrgestänges verteilt, an definierten Positionen des Bohrgestänges angeordnet sind, eine Auswerteeinheit für die von den Inklinometer sensoren erfaßten Meßdaten und Mittel zum Übertragen der Meßdaten zu der Aus werteeinheit.The above object is achieved by a measuring device with the features of Claim 1 solves. The measuring device specified there for determining the Alignment and course of a drill includes multiple inclinometer sensors ren, which are distributed over the length of the drill pipe, at defined positions of the Drill rods are arranged, an evaluation unit for the inclinometer sensors recorded measurement data and means for transmitting the measurement data to the Aus unit of value.
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß sich eine Reihe von Fehlerquellen bei der Bestimmung der Ausrichtung und des Verlaufs eines Bohrgestänges mit Hilfe von Inklinometersensoren ausschalten lassen, wenn die Inklinometersensoren an defi nierten Positionen des Bohrgestänges angeordnet sind und nicht - wie aus der Praxis bekannt - manuell in bestimmte Meßpositionen verbracht werden. Des weiteren ist erkannt worden, daß der Meßvorgang erheblich vereinfacht und verkürzt werden kann, wenn mehrere Inklinometersensoren vorgesehen sind, die über die Länge des Bohrgestänges verteilt an definierten Meßpositionen angeordnet sind. Auf diese Weise können nämlich die Neigungen des Bohrgestänges an verschiedenen Positio nen des Bohrgestänges 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 vorgeschlagenen Meßvorrichtung eine weitgehende Automatisierung des Meßvorgangs, bei dem sich die Ausrichtung und der Verlauf eines Bohrgestänges mit nur sehr geringem Zeitaufwand und relativ hoher Genauig keit ermitteln lassen. Außerdem muß der Bohrvorgang für Messungen mit der erfin dungsgemäßen Meßvorrichtung nicht mehr unterbrochen werden; die Messungen lassen sich nun mit nur minimaler Unterbrechung des operativen Prozesses durch führen.According to the invention, it has been recognized that there are a number of sources of error in the Determination of the alignment and the course of a drill pipe with the help of Have the inclinometer sensors switched off if the inclinometer sensors are connected to defi nated positions of the drill pipe are arranged and not - as from practice known - be brought manually into certain measuring positions. Furthermore is recognized that the measuring process can be simplified and shortened considerably can, if several inclinometer sensors are provided, which extend over the length of the Drill pipe are arranged distributed at defined measuring positions. To this This is because the inclinations of the drill pipe can vary at different positions NEN of the drill pipe can be detected simultaneously. The orientation and the course of the drill pipe as a whole can then be simply using an evaluation unit be determined, the measurement data recorded simultaneously on all of the drill pipe arranged inclinometer sensors are supplied. As a result, the Use of the measuring device proposed according to the invention is extensive Automation of the measuring process, in which the alignment and the course a drill pipe with very little time and relatively high accuracy have it determined. In addition, the drilling process for measurements with the invented measuring device according to the invention are no longer interrupted; the measurements can now be carried out with only minimal interruption of the operational process to lead.
Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten für die Anordnung der Inklinome tersensoren an definierten Positionen des Bohrgestänges, was nicht zuletzt auch von der Konstruktion des Bohrgestänges selbst abhängt. In einer besonders vorteilhaften Variante der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung sind die Inklinometersensoren in einem eigens dafür vorgesehenen Meßkanal des Bohrgestänges angeordnet. Ein solcher Meßkanal bietet zum einen einen gewissen mechanischen Schutz für die Inklinometersensoren, zum anderen ermöglicht er eine einfache Wartung bzw. einen einfachen Austausch der Inklinometersensoren ohne Beeinträchtigung der Funkti onsfähigkeit des Bohrgestänges selbst.Basically there are different possibilities for the arrangement of the inclinomas tersensors at defined positions of the drill pipe, which is not least of all depends on the construction of the drill pipe itself. In a particularly advantageous Variant of the measuring device according to the invention are the inclinometer sensors in a specially provided measuring channel of the drill pipe is arranged. On such a measuring channel offers a certain degree of mechanical protection for the Inclinometer sensors, on the other hand, it enables easy maintenance or one simple replacement of the inclinometer sensors without impairing the function ability of the drill pipe itself.
Grundsätzlich ist es zwar möglich, Bohrgestänge lediglich für bestimmte Baumaß nahmen mit einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung auszurüsten, in der Regel wird man die Inklinometersensoren der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung jedoch fest an einem Bohrgestänge installieren, da jeder Inklinometersensor in Bezug auf die übrigen Inklinometersensoren der Meßvorrichtung und das Bohrgestänge genau ausgerichtet werden muß.In principle, it is possible to use drill rods only for certain dimensions took to equip with a measuring device according to the invention, usually however, the inclinometer sensors of the measuring device according to the invention become Install firmly on a drill pipe as each inclinometer sensor is related to the other inclinometer sensors of the measuring device and the drill pipe exactly must be aligned.
Während der Bohrmaßnahme dreht sich das Bohrgestänge und mit ihm auch die Inklinometersensoren. Für die Auswertung der von den Inklinometersensoren er faßten Meßwerte sollte die Orientierung der Inklinometersensoren bzw. des Bohrge stänges möglichst genau bekannt sein. In einer vorteilhaften Variante der erfin dungsgemäßen Vorrichtung sind deshalb zusätzlich Mittel zum Erkennen der Orien tierung des Bohrgestänges vorgesehen. Dabei kann es sich beispielsweise um eine Markierung am Bohrgestänge handeln oder auch um einen an geeigneter Stelle an geordneten Fortsatz. During the drilling operation, the drill pipe rotates, and with it the drill pipe Inclinometer sensors. For the evaluation of the inclinometer sensors he measured values should be the orientation of the inclinometer sensors or the Bohrge be known as precisely as possible. In an advantageous variant of the invent Device according to the invention are therefore additional means for recognizing the orien tion of the drill pipe provided. This can be, for example Act on the marking on the drill pipe or at a suitable location orderly extension.
Besonders Vorteilhaft ist es, wenn die Inklinometersensoren jeweils paarweise ange ordnet 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 Näherungsintegration der Tangentensteigun gen an den Orten aller Sensorpaare ermittelt werden kann.It is particularly advantageous if the inclinometer sensors are in pairs are ordered and form a uniaxial inclinometer pair. In this case you can use capture the tangent slope at the location of the sensor pair, so that the course of the drill pipe through the integration of the tangent slope conditions can be determined at the locations of all sensor pairs.
Im Baustellenbetrieb erweist es sich als vorteilhaft, die Auswerteeinheit der erfin dungsgemäßen Meßvorrichtung abgesetzt von den Inklinometersensoren zu betrei ben, d. h. vom Bohrgestänge getrennt an einem geschützten und gut zugänglichen Ort anzuordnen. In diesem Falle ist es zweckmäßig die von den Inklinometersenso ren erfaßten Meßdaten drahtlos zur Auswerteeinheit zu übertragen. Dies kann bei spielsweise per Funk oder per Infrarot erfolgen.In construction site operation, it proves to be advantageous to use the evaluation unit from the inventor to operate the measuring device according to the inclinometer sensors ben, d. H. separated from the drill pipe on a protected and easily accessible To place. In this case it is advisable to use the inclinometer sensor Ren to transmit measured data wirelessly to the evaluation unit. This can happen with for example by radio or infrared.
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 protokolliert wird, ist es von Vorteil, neben der Auswerteeinheit auch Mittel zum Abspeichern der Meß daten und/oder der Meßergebnisse in Form der ausgewerteten Meßdaten vorzuse hen. In Verbindung mit der Überwachung einer Bohrmaßnahme ist es außerdem von Vorteil, wenn auch Mittel zum tabellarischen und/oder graphischen Visualisieren der Meßergebnisse vorgesehen sind.As already mentioned, the course of the drill pipe is inventively with the help the evaluation unit based on the measurement data recorded by the inclinometer sensors certainly. Since the execution of a construction project is usually logged, it is advantageous, in addition to the evaluation unit, also means for storing the measurement data and / or the measurement results in the form of the evaluated measurement data hen. In connection with monitoring a drilling operation, it is also from Advantage, if also means for tabular and / or graphic visualization of the Measurement results are provided.
Die voranstehend ganz allgemein beschriebene erfindungsgemäße Meßvorrichtung erweist sich insbesondere zum Bestimmen der Ausrichtung und des Verlaufs eines Düsenstrahl-Gestänges, wie z. B. eines HDI-Gestänges, als vorteilhaft. Diese Art des Bohrgestänges kommt bei verschiedensten Baumaßnahmen zum Einsatz, da sich im Düsenstrahl-Verfahren Verpreßkörper für unterschiedlichste Zwecke im Baugrund erstellen lassen. In der Regel ist es erforderlich, die Verpreßkörper genau zu positio nieren, d. h. in einer definierten Tiefe und mit definierter Lage herzustellen, wozu die Ausrichtung und der Verlauf des Düsenstrahl-Gestänges bestimmt werden müssen.The measuring device according to the invention described very generally above proves to be particularly useful for determining the alignment and course of a Nozzle jet linkage, such as. B. a HDI linkage, as advantageous. This kind of Drill pipe is used in a wide variety of construction projects, as in the Nozzle jet method grouting body for various purposes in the subsoil let create. As a rule, it is necessary to position the compression body exactly kidneys, d. H. at a defined depth and in a defined position, which is why Alignment and the course of the jet boom must be determined.
Nachfolgend werden die Wirkungsweise und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfin dungsgemäßen Meßvorrichtung in Verbindung mit einem HDI-Gestänge anhand der einzigen Figur näher erläutert. The mode of operation and advantageous refinements of the invention are described below Measuring device according to the invention in connection with an HDI linkage based on the single figure explained in more detail.
Die einzige Figur zeigt ein Bohrgerät 1, das auf der Bodenoberfläche 2 neben einem Bohrloch 3 angeordnet ist. Am Bohrgerät 1 ist ein HDI-Gestänge 4 befestigt, das be reits zu einem großen Teil in den Baugrund 5 abgeteuft ist. Die einzige Figur ver deutlicht, daß die Ausrichtung des HDI-Gestänges 4 im Baugrund 5 von der Vertika len abweicht, obwohl das HDI-Gestänge 4 senkrecht in den Baugrund 5 vorgetrieben worden ist. Diese Abweichung könnte bspw. auf Hindernisse im Baugrund 5 zurück zuführen sein.The single figure shows a drilling device 1 which is arranged on the floor surface 2 next to a borehole 3 . On the drill 1 , an HDI linkage 4 is attached, which is already sunk to a large extent in the subsoil 5 . The only figure shows that the orientation of the HDI linkage 4 in the ground 5 deviates from the verti len, although the HDI linkage 4 has been driven vertically into the ground 5 . This deviation could, for example, be due to obstacles in the building site 5 .
Zur Bestimmung der tatsächlichen Ausrichtung und des tatsächlichen Verlaufs des abgeteuften HDI-Gestänges 4 ist dieses HDI-Gestänge 4 mit einer Meßvorrichtung ausgestattet, die vier Inklinometersonden mit jeweils einem Inklinometersensorpaar umfaßt, welche über die Länge des HDI-Gestänges 4 verteilt, an definierten Positio nen des HDI-Gestänges 4 angeordnet sind. Im vorliegenden Falle sind die Inklino metersensoren 6 in einem eigens dafür vorgesehenen Meßkanal bzw. Meßrohr an geordnet, welches in das HDI-Gestänge 4 integriert ist. Die Inklinometersensoren 6 sind in festen, hier gleichen Intervallen im Meßrohr angeordnet. Jede Inklinometer sonde umfaßt ein einachsiges Inklinometersensorpaar, das die Tangentensteigung in einem diskreten Meßpunkt, nämlich am Ort des Inklinometersensorpaars, erfaßt.To determine the actual orientation and the actual course of the sunk HDI linkage 4 , this HDI linkage 4 is equipped with a measuring device which comprises four inclinometer probes, each with an inclinometer sensor pair, which is distributed over the length of the HDI linkage 4 , at defined positions of the HDI linkage 4 are arranged. In the present case, the inclinometer sensors 6 are arranged in a specially provided measuring channel or measuring tube, which is integrated in the HDI linkage 4 . The inclinometer sensors 6 are arranged in the measuring tube at fixed, equal intervals. Each inclinometer probe comprises a uniaxial inclinometer sensor pair that detects the tangent slope at a discrete measuring point, namely at the location of the inclinometer sensor pair.
Die Auswertung der als Meßdaten erfaßten Tangentensteigungen in den die Meß punkte bildenden Positionen der Inklinometersensoren 6 erfolgt mit Hilfe einer Aus werteeinheit, die abgesetzt von den Inklinometersensoren 6 betrieben wird und sich im vorliegenden Fall bspw. in dem Bohrgerät 1 befinden könnte. Dort könnten zu sätzlich auch noch Mittel zum Abspeichern der Meßdaten und/oder Meßergebnisse und Mittel zum Visualisieren der Meßergebnisse angeordnet sein; so daß das Bedie nungspersonal den Bohrvorgang vom Bohrgerät aus nicht nur überwachen und steu ern könnte sondern auch protokollieren könnte. Bei der Auswerteeinheit 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 Berücksichtigung der Orientierung des HDI-Gestänges ermittelt. Daraus läßt sich dann die Abweichung des tatsächlichen Bohrverlaufs von dem Sollverlauf des HDI-Gestänges 4 ermitteln. The evaluation of the tangent slopes recorded as measurement data in the positions of the inclinometer sensors 6 forming the measurement points is carried out with the aid of an evaluation unit which is operated remotely by the inclinometer sensors 6 and, in the present case, could be located in the drill 1 , for example. There could also be additional means for storing the measurement data and / or measurement results and means for visualizing the measurement results; so that the operating personnel could not only monitor and control the drilling process from the drilling rig but could also log it. The evaluation unit can be a laptop, a handheld PC, an IPC system or the like. The course of the HDI linkage 4 is determined by approximating the tangent slopes recorded as measurement data, taking into account the orientation of the HDI linkage. From this, the deviation of the actual drilling profile from the target profile of the HDI rod 4 can be determined.
Wie bereits erwähnt, wird die Auswerteeinheit abgesetzt von den Inklinömetersenso ren 6 betrieben. Dafür werden die Meßdaten der Inklinometersensoren 6 über eine Infrarot-Schnittstelle unterhalb des Spülkopfes des HDI-Gestänges 4 an die Aus werteeinheit übertragen.As already mentioned, the evaluation unit is operated remotely by the inclinometer sensors 6 . For this purpose, the measurement data of the inclinometer sensors 6 are transmitted to the evaluation unit via an infrared interface below the rinsing head of the HDI linkage 4 .
Abschließend sei nochmals daraufhingewiesen, daß sich mit Hilfe der erfindungsge mäßen Meßvorrichtung die Ausrichtung und der Verlauf eines Bohrgestänges be stimmen lassen, ohne daß dazu der Vortrieb des Bohrgestänges langfristig unterbro chen werden muß. Der Meßprozeß hat also nur geringe Auswirkungen auf den zeitli chen Ablauf der Bohrmaßnahme.Finally, it should be pointed out again that with the help of the invention measuring device, the alignment and the course of a drill string be let it tune without interfering with the propulsion of the drill pipe in the long term must be chen. The measuring process therefore has little effect on the time Chen sequence of the drilling measure.
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