DE60102281T2 - Verfahren zur Übertragung von Informationen über ein Bohrgestänge - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von Informationen durch ein Spezialbohrgestänge, das zur Herstellung von Säulen dient, die widerstandsfähiger sind als der Erdboden vor Ort, wobei dieses Bohrgestänge das Übertragen der genannten Informationen zwischen seinem oberen Ende in der Nähe der Bodenoberfläche und seinem unteren Ende, das die Bohrwerkzeuge trägt, ermöglicht.
- Die Technik zur Verfestigung der Böden durch Destrukturierung des Erdbodens durch einen Hochdruckflüssigkeitsstrahl, meistens „jet grouting" genannt, besteht darin, Bodenbetonsäulen (Mischen vor Ort von Erdboden mit einem durch das Fluid des Strahls mitgebrachten Bindemittel) aus einer Bohrung herzustellen, indem ein Bohrgestänge verwendet wird, in das das Hochdruckfluid eingeleitet wird, um die Säule herzustellen. Eines der Strahlverfahren, „Doppelstrahl" genannt, verwendet zwei Fluide. Eine erste Flüssigkeit zur Destrukturierung des Erdbodens und der Luft, um die Wirksamkeit des Flüssigkeitsstrahls zu verbessern. Sie wird auf übliche Weise unter Verwendung eines Bohrgestänges mit doppelter Säule eingebracht, d.h. die eine Innenleitung umfasst, die es ermöglicht, die beiden Fluide zum Grund der Bohrung zu leiten. Die Mittelbohrung befördert die Flüssigkeit des Strahls, im Allgemeinen eine Mischung aus Wasser und Zement, und in dem ringförmigen Raum zwischen der Außenwand des Rohrs und der Innenleitung zirkuliert Druckluft.
- Es werden immer häufiger tiefe Säulen beim „jet grouting" eingesetzt, die perfekt positioniert werden müssen, um eine Schicht im Boden oder ein Erdbodenmassiv zu bilden, das nach diesem Verfahren hergestellt ist. Um diesen Werktyp richtig zu verwirklichen, müssen ständig einerseits die Position der Bohrung während der Bohrphase und andererseits der Durchmesser der Säule während der Strahlphase, die zur Herstellung der Säule in der vorher durchgeführten Bohrung dient, gemessen werden. Dazu sind Positionsfühler vom Typ Querneigungsmesser, Magnetometer, Gyrometer und Durchmessermessgeräte am unteren Ende des Bohrgestänges eingebaut. Diese Fühler müssen mit der Oberfläche kommunizieren können, damit die Daten, die sie liefern, in Echtzeit übertragen werden, um es zu ermöglichen, sofort die erforderlichen Korrekturen durchzuführen, um die erforderliche Qualität für das im Bau befindliche Werk erhalten zu können.
- Um diese Informationsübertragung durchzuführen, wurde bereits in den französischen Patentanmeldungen 2 777 595 und 2 777 594 vorgeschlagen, eine Stromschleife zu verwenden, um die Information zu übertragen, wobei ein Leiter das Bohrfluid selbst und der zweite entweder das Gestänge oder der Erdboden ist. Spulen, eine Sende- bzw. eine Empfangsspule, sind auf dieser elektrischen Schaltung angeordnet, um die Informationen in Form von elektrischen Impulsen zu senden und zu empfangen. Dazu müssen Gestänge verwendet werden, die einen inneren Isolator umfassen, und das Fluid muss elektrisch leitend sein.
- Ein erster Gegenstand der Erfindung ist die Bereitstellung eines Trägers zur Informationsübertragung mit Hilfe eines Bohrgestänges für die Technik des „Doppelstrahls", die einfacher im Einsatz ist und mit Gestängen für einen „Standard-Doppelstrahl" verwendbar ist.
- Um dieses Ziel zu erreichen ist erfindungsgemäß das Verfahren zum Übertragen von Informationen zwischen dem unteren Ende und dem oberen Ende eines Bohrgestänges, wobei jede Stange eine leitende Außenwand und eine koaxiale Innenleitung aus einem leitenden Material für die Beförderung der unter Druck stehenden Flüssigkeit aufweist, wobei der ringförmige Raum zwischen der genannten Leitung und der genannten Außenwand mit einem fluiden elektrischen Isolator gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst:
-
- – eine erste Spule zur induktiven Kopplung wird in der Nähe des zu verschließenden Endes des Bohrgestänges in dem genannten ringförmigen Raum derart angeordnet, dass die Spule die Leitung umgibt,
- – an die Spule wird ein die zu übertragende Information darstellendes elektrisches Signal angelegt,
- – eine zweite Spule zur induktiven Kopplung wird in der Nähe des oberen Endes des Bohrgestänges in dem ringförmigen Raum angeordnet, damit die zweite Spule die Leitung umgibt,
- – an der zweiten Spule wird ein die übertragene Information darstellendes elektrisches Signal aufgenommen.
- Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Bereitstellung eines Bohrgestänges für den Einsatz der Technik mit „Doppelstrahl", die die Übertragung der Information auf verbesserte Weise ermöglicht.
- Um dieses Ziel zu erreichen, ist das Bohrgestänge, das mit Informationsübertragungsmitteln ausgestattet ist, wobei jede Stange eine leitende Außenwand, eine ebenfalls leitende koaxiale Innenleitung für den Durchfluss einer unter Druck stehenden Flüssigkeit aufweist, wobei der ringförmige Raum zwischen der Außenwand und der Innenleitung mit einem fluiden Isolator gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Informationsübertragungsmittel umfassen:
-
- – eine erste Spule zur induktiven Kopplung, die in der Nähe des unteren Endes des Bohrgestänges in dem ringförmigen Raum derart angeordnet ist, dass die Spule die Leitung umgibt;
- – Mittel, um an die Spule ein die zu übertragenden Informationen darstellendes elektrisches Signal anzulegen;
- – eine zweite Spule zur induktiven Kopplung, die in der Nähe des oberen Endes des Bohrgestänges und in dem ringförmigen Raum derart angeordnet ist, dass die genannte Spule die Leitung umgibt;
- – Mittel, um das in der zweiten Spule erzeugte elektrische Signal aufzunehmen.
- Es ist zu verstehen, dass erfindungsgemäß die Stromschleife von den leitenden Elementen gebildet ist, die von der Außenwand der Stangen und von der Innenleitung dieser selben Stangen gebildet sind, die durch das Isoliergas getrennt sind, das den ringförmigen Raum zwischen diesen beiden koaxialen Rohren ausfüllt. Es ist somit zu sehen, dass diese Informationsübertragung keinerlei Änderung der Standardstangen erfordert. Sie erfordert nur die Anbringung der Spulen zur induktiven Kopplung in der unteren Bohrstange und in der oberen Bohrstange. Die untere Spule spielt bei dieser Ausführungsart die Rolle eines Senders, und die obere Spule spielt die Rolle eines Empfängers, der es ermöglicht, die Information zu den Bearbeitungs- und Verwertungsanlagen, die auf der Bodenoberfläche angeordnet sind, zu übertragen.
- Es ist auch zu verstehen, dass die an die erste Spule, d.h. an die untere Spule, angelegten Informationen, jene sind, die von den Fühlern geliefert werden, die in dem unteren Teil des Bohrgestänges angeordnet sind, und dass diese selben Informationen, die eventuell hinsichtlich ihrer Form umgeformt werden, von der oberen Spule aufgenommen und an die auf der Bodenoberfläche befindlichen Bearbeitungseinheiten übertragen werden.
- Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der Studie der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsarten der Erfindung hervor, die als nicht einschränkende Beispiele angeführt sind. Die Beschreibung bezieht sich auf die beiliegenden Figuren, wobei:
-
1 ein Aufriss einer Bohranlage vom Typ „jet grouting" bekannter Art ist; -
2 eine vereinfachte Ansicht der Bohrgestängeeinheit, die mit den Übertragungsmitteln ausgestattet ist, ist; -
3 im Detail die Informationsübertragungsmittel darstellt, die am oberen Teil und am unteren Teil des Bohrgestänges befestigt sind; und -
4 ein Beispiel für die Codierung der zu übertragenden Information zeigt. - In
1 ist auf vereinfachte Weise eine Bohrmaschine vom Typ mit „Doppelstrahl" dargestellt. Diese Figur zeigt eine Plattform10 , die vorzugsweise auf Raupenketten12 montiert ist und auf der an ihrem unteren Ende14a ein vertikaler Führungsmast14 angelenkt ist. Der Mast14 dient zur vertikalen Translationsführung eines Wagens16 , der selbst einen Bohrkopf18 oder Drehkopf trägt. Der Bohrkopf18 dient einerseits dazu, das Bohrgestänge20 in Drehung zu versetzen, das von den elementaren Stangen20a gebildet ist, und das Bohrgestänge unter der Wirkung des Hinabfahrens des Wagens16 abzusenken. Am oberen Ende des Bohrgestänges ist insbesondere eine Drehkupplung22 zu finden, die die Versorgung mit Druckluft und Flüssigkeit für den Strahl24 und26 ermöglicht. Die untere Stange20 ist mit dem Strahlwerkzeug28 und einem mechanischen Bohrwerkzeug30 ausgestattet. - Es ist zu verstehen, dass die Bohrung dadurch erfolgt, dass das Bohrgestänge in Drehung versetzt und in den Boden abgesenkt wird. Es ist auch zu verstehen, dass im Falle einer tiefen Bohrung zusätzliche Zwischenstangen
20a montiert werden müssen. - In
2 ist auf vereinfachte Weise das Bohrgestänge20 mit seinen laufenden Stangen20a , seiner unteren Stange20i , dem Strahlwerkzeug28 und dem mechanischen Werkzeug30 dargestellt. An seinem unteren Ende umfasst das Bohrgestänge ferner ein Modul32 , das verschiedene Fühler enthält, die später erklärt sind. Wie2 zeigt, ist jede Stange20a von einem Außenrohr34 und einer koaxialen Innenleitung36 gebildet. Die Außenwand34 und die Innenleitung36 definieren zwischen sich einen ringförmigen Raum38 , der zur Beförderung der Druckluft zu dem Strahlmodul28 dient. Die koaxiale Innenleitung36 dient zur Beförderung der unter Druck stehenden Flüssigkeit ebenfalls zu dem Strahlmodul. - Erfindungsgemäß wird, um die Übertragung der Informationen zwischen den in dem unteren Modul
32 enthaltenen Fühlern und der Bodenoberfläche zu ermöglichen, in dem Element der unteren Stange20i eine erste Spule40 zur elektromagnetischen Kopplung montiert, wobei diese Spule in dem mit Druckluft gefüllten ringförmigen Raum38 befestigt ist. Diese Spule40 umgibt die Innenleitung36 . Um die Befestigung der Spule40 zu erleichtern, ist es möglich vorzusehen, dass in dieser Zone die Außenwand34 der Stange einen Abschnitt mit einem größeren Durchmesser42 aufweist. Wie später im Detail erklärt, ist die Spule40 durch elektrische Leiter, wie beispielsweise44 , mit den Fühlern des Moduls32 verbunden. In dem Element der oberen Stange20s wird eine zweite Spule46 montiert, die die Innenleitung36 umgibt und in dem ringförmigen Raum38 angeordnet ist. Diese zweite Spule46 ist mit elektrischen Leitern48 über eine Drehverbindung22 verbunden. - Wie bekannt ist, sind die Außenwand der Stangen
20 und die Innenleitung36 dieser selben Stangen aus einem elektrisch leitenden Metall oder einer Legierung hergestellt. Es ist zu verstehen, dass die Innenleitung36 und die Außenwand34 , die elektrisch an ihren oberen und unteren Enden durch jedes geeignete Mittel verbunden sind, eine leitende Schleife darstellen, die gut für die Übertragung nach dem Stromschleifenmodus geeignet ist. Die Spulen40 und46 sind auf einem der leitenden Elemente dieser Stromschleife montiert, die von der Innenleitung36 und der Außenwand34 gebildet ist. Wenn somit ein nicht kontinuierliches elektrisches Signal an die untere Spule40 angelegt wird, wird ein induzierter Strom in der vorher definierten Stromschleife erzeugt und somit von der oberen Spule46 gesammelt. Es wird somit auf der Spule46 und den mit ihr verbundenen Leitern48 ein elektrisches Signal erhalten, das für das elektrische Signal repräsentativ ist, das an die untere Spule40 angelegt wurde. Wenn das an die Spule40 angelegte Signal für Messungen repräsentativ ist, die von den Fühlern durchgeführt wurden, die in der Messabteilung32 angeordnet sind, ist zu verstehen, dass an der Bodenoberfläche elektrische Signale erhalten werden, die für diese Messungen repräsentativ sind, wobei diese elektrischen Signale im Echtzeitverfahren an der Oberfläche bearbeitet werden können. - Unter Bezugnahme auf
3 werden die Elemente, die Bestandteile der Erfindung sind, im Detail beschrieben, die in dem Element der unteren Stange20i und in dem Element der oberen Stange20s angeordnet sind. - In
3 sind im Detail in der Messabteilung32 ein Vertikalitätsfühler50 , der dazu dient, die Vertikalität des Bohrwerkzeugs zu kontrollieren, und ein Fühler52 dargestellt, der es ermöglicht, die Dicke der in der Strahlphase hergestellten Säule zu messen. Es können in dieser Abteilung natürlich noch weitere Fühler angeordnet sein. Es befindet sich auch eine autonome Stromversorgungsquelle54 darin. Die Messfühler50 ,52 sind mit einem Schnittstellenbauteil56 verbunden, der es ermöglicht, die von den Fühlern gelieferten elektrischen Signale, die den in digitaler Form durchgeführten Messungen entsprechen, dann in ein für die digitale Information repräsentatives Wechselsignal umzusetzen. Es handelt sich beispielsweise um einen Generator mit fester Frequenz und fester Amplitude, der ein Wechselsignal in den Zeiträumen liefert, in denen das digitale Signal den Binärwert 1 hat, und das kein Wechselsignal liefert, wenn das digitale Signal den Binärwert 0 hat. Dies ist in4 dargestellt. Die von der Schnittstellenschaltung56 ausgearbeiteten Frequenzsignale werden an die untere Spule40 zur induktiven Kopplung durch die Leiter44 angelegt. Vorzugsweise sind die Spulen40 und46 zur induktiven Kopplung von einem Magnetkern in Form eines Rundstabs gebildet, der die Innenleitung36 umgibt, wobei auf diesen Kern ein elektrischer Leiter gewickelt ist, um eine elektromagnetische Spule herkömmlichen Typs zu bilden. - In dem ringförmigen Raum
38 der oberen Stange20s ist die obere Aufnahmespule46 zu finden, die über die Drehverbindung22 mit dem elektrischen Ausgangsleiter48 verbunden ist. Die Spule46 ist vorzugsweise auch mit Hilfe eines Magnetkerns in Form eines Rundstabs58 und eines auf diesen Kern60 gewickelten Leiters ausgeführt. - In
3 ist auch schematisch die Ankunft der Druckflüssigkeit62 , beispielsweise des Zements in Suspension in Wasser, um die Innenleitung36 zu versorgen, und die Druckluftversorgung64 , um den ringförmigen Raum38 zu versorgen, dargestellt. In der Strahlabteilung28 ist ebenfalls schematisch eine Einspritzdüse66 dargestellt, die mit der Axialleitung36 verbunden ist, und eine Ringdüse, die mit dem ringförmigen Raum38 verbunden ist, in dem die Druckluft zirkuliert. - Nach der oben beschriebenen Ausführungsart ist eine untere Sendespule
40 zu sehen, die mit den Fühlern verbunden ist, und eine obere Spule46 , die mit der Bearbeitungseinheit verbunden ist. Die Information zirkuliert somit vom unteren Teil des Bohrgestänges zur Bodenoberfläche. In manchen Fällen kann es interessant sein, Informationen an die Fühler von der Bodenoberfläche zu übertragen, d.h. die Übertragung von oben nach unten zu ermöglichen. Dazu können zwei Spulen in der oberen Stange20s vorgesehen werden, von denen eine sendend und die andere empfangend ist, und zwei Spulen in der unteren Stange20i , eine sendende bzw. eine empfangende. In der Praxis sind die beiden Spulen vorzugsweise von nur einem Magnetstab gebildet, auf den eine Sende- und eine Empfangswicklung gewickelt ist. - Um dieses Ergebnis zu erzielen, ist es auch möglich, nur zwei Spulen zu verwenden, die alternativ als Sender oder Empfänger verwendet werden. Dazu kann jede Spule mit einem Umschaltelement verbunden sein, das es ermöglicht, sie entweder an eine Empfangsschaltung oder an eine Sendeschaltung anzuschließen.
- Die beiden elektromagnetischen Spulen, die mit der oben definierten Stromschleife verbunden sind, ermöglichen es auch, die elektrische Energie von der Oberfläche zu der Messabteilung
32 zu übertragen, um die Batterie oder den Akkumulator54 wieder aufzuladen. Diese Energieübertragung erfolgt zu den Zeiten, zu denen keine Information übertragen werden muss. - Ferner wurde in der vorhergehenden Beschreibung der Fall der Technik des „Doppelstrahls" betrachtet.
- Für manche Werke wird die Technik des „Dreifachstrahls" verwendet. Ein Flüssigkeitsstrahl und ein Druckluftstrahl dienen zur Destrukturierung der Erdoberfläche, während der dritte Strahl zum Herbeibringen des Schlamms für die Bildung der Säule dient. Die Stangen umfassen nun zwei koaxiale Innenleitungen. Bei dieser Ausführungsart sind die Spulen zur induktiven Kopplung noch in dem ringförmigen Raum angeordnet, in dem die Druckluft zirkuliert.
Claims (9)
- Verfahren zum Übertragen von Informationen zwischen dem unteren Ende und dem oberen Ende eines Bohrgestänges (
20 ), wobei jede Stange eine leitende Außenwand (34 ) und eine koaxiale Innenleitung (36 ) aus einem leitenden Material für die Beförderung der unter Druck stehenden Flüssigkeit aufweist, wobei der ringförmige Raum (38 ) zwischen der genannten Leitung und der genannten Außenwand mit einem fluiden elektrischen Isolator gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst: eine erste Spule (40 ) zur induktiven Kopplung wird in der Nähe des zu verschließenden Endes des Bohrgestänges in dem genannten ringförmigen Raum (38 ) derart angeordnet, dass die Spule (40 ) die Leitung (36 ) umgibt, an die Spule (40 ) wird ein die zu übertragende Information darstellendes elektrisches Signal angelegt, eine zweite Spule (46 ) zur induktiven Kopplung wird in der Nähe des oberen Endes des Bohrgestänges (20 ) in dem ringförmigen Raum (38 ) angeordnet, damit die zweite Spule (46 ) die Leitung (36 ) umgibt, an der zweiten Spule (46 ) wird ein die übertragene Information darstellendes elektrisches Signal aufgenommen. - Bohrgestänge (
20 ), das mit Informationsübertragungsmitteln ausgestattet ist, wobei jede Stange eine leitende Außenwand (34 ), eine ebenfalls leitende koaxiale Innenleitung (36 ) für den Durchfluss einer unter Druck stehenden Flüssigkeit aufweist, wobei der ringförmige Raum (38 ) zwischen der Außenwand (34 ) und der Innenleitung (36 ) mit einem fluiden Isolator gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Informationsübertragungsmittel folgendes umfassen: – eine erste Spule (40 ) zur induktiven Kopplung, die in der Nähe des unteren Endes des Bohrgestänges (20 ) in dem ringförmigen Raum (38 ) derart angeordnet ist, dass die Spule (40 ) die Leitung (36 ) umgibt; – Mittel, um an die Spule ein die zu übertragenden Informationen darstellendes elektrisches Signal anzulegen; – eine zweite Spule (46 ) zur induktiven Kopplung, die in der Nähe des oberen Endes des Bohrgestänges (20 ) und in dem ringförmigen Raum (38 ) derart angeordnet ist, dass die genannte Spule (46 ) die Leitung (36 ) umgibt; – Mittel, um das in der zweiten Spule erzeugte elektrische Signal aufzunehmen. - Bohrgestänge nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es außerdem an seinem unteren Ende wenigstens einen Messfühler (
50 ,52 ) aufweist, und dass die Mittel zum Anlegen des elektrischen Signals Mittel aufweisen, um die durch den Messfühler (50 ,52 ) vollzogene Messung in ein elektrisches Signal umzuwandeln, sowie Mittel, um in der ersten Spule (40 ) ein die genannte Messung darstellendes elektrisches Signal laufen zu lassen. - Bohrgestänge nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin an seinem unteren Ende eine Batterie oder einen Akkumulator (
54 ) aufweist, um den oder die Fühler zu speisen, wobei die Kopplungsspulen auch dazu dienen, elektrische Energie zu übertragen, um die Batterie oder den Akkumulator (54 ) wieder aufzuladen. - Bohrgestänge nach irgendeinem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Fühler (
50 ,52 ) Mittel enthält, um ein die Messung darstellendes digitales elektrisches Signal zu erzeugen, und dass die Mittel zum Anlegen des elektrischen Signals Mittel aufweisen, um das digitale Signal in ein analoges Signal umzuwandeln. - Bohrgestänge nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (
56 ) zur Umwandlung der digitalen Information Mittel aufweisen, um ein elektrisches Signal mit einer gegebenen Frequenz und Amplitude zu erzeugen, wenn sich das digitale Signal in einem ersten Zustand befindet, und eine Signalabwesenheit, wenn sich das digitale Signal in einem zweiten Zustand befindet. - Bohrgestänge nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jede Spule außerdem Umschaltmittel aufweist, um in einem ersten Zustand ein elektrisches Signal an die Spule anzulegen und um in einem zweiten Zustand das an der Spule vorliegende elektrische Signal aufzunehmen.
- Bohrgestänge nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin eine dritte Spule zur induktiven Kopplung enthält, die in dem ringförmigen Raum (
38 ) in der Nähe der zweiten Spule (46 ) angeordnet ist, und Mittel, um an die dritte Spule ein eine zu übertragende Information darstellendes elektrisches Signal anzulegen, sowie eine vierte Spule zur induktiven Kopplung, die in der Nähe der ersten Spule (40 ) angeordnet und mit Mitteln zum Aufnehmen des an der vierten Spule vorliegenden elektrischen Signals ausgestattet ist. - Bohrgestänge nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass jede Spule einen die Innenleitung umgebenden Magnetkern und einen um den genannten Kern gewickelten elektrischen Leiter aufweist.
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