EP0993540B1 - Vorrichtung und verfahren zum herstellen von bohrlochverzweigungen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum herstellen von bohrlochverzweigungen Download PDF

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EP0993540B1
EP0993540B1 EP98940193A EP98940193A EP0993540B1 EP 0993540 B1 EP0993540 B1 EP 0993540B1 EP 98940193 A EP98940193 A EP 98940193A EP 98940193 A EP98940193 A EP 98940193A EP 0993540 B1 EP0993540 B1 EP 0993540B1
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EP
European Patent Office
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boring head
pilot
head
drill head
drilling
Prior art date
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Application number
EP98940193A
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French (fr)
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EP0993540A1 (de
Inventor
Hans-Joachim Bayer
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FlowTex Technologie GmbH and Co KG
Original Assignee
FlowTex Technologie GmbH and Co KG
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Publication date
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    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B29/00—Cutting or destroying pipes, packers, plugs or wire lines, located in boreholes or wells, e.g. cutting of damaged pipes, of windows; Deforming of pipes in boreholes or wells; Reconditioning of well casings while in the ground
    • E21B29/06—Cutting windows, e.g. directional window cutters for whipstock operations
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B33/00—Sealing or packing boreholes or wells
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    • E21B33/13—Methods or devices for cementing, for plugging holes, crevices or the like
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    • E21B43/00—Methods or apparatus for obtaining oil, gas, water, soluble or meltable materials or a slurry of minerals from wells
    • E21B43/02—Subsoil filtering
    • E21B43/10—Setting of casings, screens, liners or the like in wells
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    • E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/04—Directional drilling
    • E21B7/06—Deflecting the direction of boreholes
    • E21B7/061—Deflecting the direction of boreholes the tool shaft advancing relative to a guide, e.g. a curved tube or a whipstock
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E21B7/04—Directional drilling
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    • E21B7/065—Deflecting the direction of boreholes using oriented fluid jets
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    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/18—Drilling by liquid or gas jets, with or without entrained pellets

Definitions

  • the invention relates to a drilling device and a Process for the production of borehole branches in Soft ground.
  • Whipstock technique an orientable, high-precision whipstock and one Drilling system with screw motor and at least two Articulation points or screw motors made of titanium without Joint points and stabilizers carried out in the drill pipe.
  • a solid borehole wall must be in the area of the junction be present, which may need to be cemented and often also by inserting a branch fitting is stabilized.
  • the invention is therefore based on the object Device and a method for producing Develop borehole branches that are in loose rock are feasible.
  • the object of the invention is achieved with a drilling device the features of claim 1 and a method for Production of borehole branches with the characteristics of Claim 8 solved.
  • the invention is based on the idea of being full course-controlled pilot drilling head with an attached Form drill pipe so that it has an opening on the circumference and has a deflecting part inside the pilot drill head. Furthermore, there are outlet openings for one on the pilot drilling head stiffening drilling suspension provided. Inside the The drill pipe of the pilot drill head is an internal drill head in Movable in the longitudinal direction and through the deflection part from the web of the pilot drill head can be deflected. By bringing one out sliding and stiffening drilling suspension from the Outlet openings in the pilot drilling head will be the pilot drilling surrounding loose rock locally solidified to the Stabilize branch point.
  • the pilot hole can be the desired one Follow the route of the main supply lines and the Internal boring head after deflection from the path of the Pilot drilling head the holes for the house connection lines create.
  • the internal drilling head fully progressive. This has the advantage that at the desired installation path is created for complex route routing can be or when laying house connection lines to buildings that are at a greater distance from the Netztechnischstrasse lie, a precise drilling of the Connection lines is possible.
  • the opening in the pilot drill head is preferably through a slidable, e.g. rotatable cover element lockable.
  • a cover element prevents the pilot boring head from advancing Rock enters the opening and is wedged in it or possibly during the subsequent extraction a stiffening drilling suspension from the Drill head nozzles and penetrate into the pilot drill head a strongly solidified structure inside the pilot drill head can form.
  • the deflecting part is in the Pilot boring head and the opening assigned to the deflection part targeted and rotatable in the longitudinal axis of the pilot drill head. This has the advantage that any direction of the branching Bore made relative to the longitudinal axis of the pilot drill head can be.
  • the side nozzles can be activated remotely are.
  • the deflecting part preferably has an inclined surface with a trough-shaped design.
  • the additional provision of Rinnen offers the internal drilling head, as well as the Inner drill pipe after a branch of the Internal drilling head, a lateral guide.
  • the inner drill head several articulation points that have a narrow drilling radius enable.
  • the internal boring head can process up to one Advance the target area and a secondary line on the boom of the Attach the internal drill head, whereupon the rods into the Withdrawn near the pilot hole.
  • This Process step is advantageous in that not only the necessary to create connecting lines Holes are created, but the withdrawal of the Linkage of the internal drilling head used at the same time will pull in the desired secondary line.
  • the method additionally comprises the step of Pulling a main line into the pilot hole and the Manufacture of pipe branches through the sections Drilling out the main line and connecting the secondary line with the main line.
  • These additional process steps allow the complete laying of both the main line in the Netztechnischstrasse as well as the branch Service lines.
  • the main line in each Area of the secondary lines arranged near the main line is drilled out, the main line and the in Area of a borehole combine suitable measures.
  • the secondary line is preferably connected to the Main pipe by fitting a pipe socket over the Branch line and the tight fitting of the pipe branch on the secondary line and on the main line.
  • a Pipe robot used to manufacture the pipe branches can position the branch lines (physically) capture the main line in the area of Drill out branch lines section by section and the Branch lines in a suitable manner with the Connect main lines, the one mentioned above Slip on pipe sockets over the branch lines to Use can come. If the preferred method of Sliding a pipe socket over a branch line to Applies, there is a possibility that the Pipe socket as well as the secondary and main line through a local heating are welded together and finally those parts of the pipe socket that are in the Protrude main line, removed from the pipe robot, e.g. be milled off.
  • a drawn part is made Metal at the front end of the feed direction Branch lines attached and the position of the branch lines by locating the drawn part using a metal detector detected.
  • Fig. 1 is the possible course of a pilot hole as well of branch holes shown schematically.
  • Pilot drill head 14 which is designed to be directionally controllable and thus a fully course-controlled Netz effetstrasse 16 can create.
  • the pilot bore 12 is from the surface through a small inlet opening (not shown) in executed the soil, with a drill carriage device for Application can come in the context of Flowtex technology is known to the specialist circles.
  • the pilot hole 12 of course also created from a starting pit become.
  • the advance of the drill head 14 along the planned Netztechnischstrasse 16 can be the exact one Position of the pilot drill head 14 using a Locating device can be detected from the surface.
  • the position of the drill head can also be changed from the drill head Drill rods are transferred to the drilling rig.
  • house connection lines are created by the opening of branch holes 18 from the Netztechnischstrasse 16 can be created.
  • House connection lines can include water pipes, power lines or be natural gas distribution lines, priority however, they are telecommunication lines.
  • the branch bores 18 lead to the desired customers 20 or other distribution devices that are dependent on the course of the Netz Oberstrasse 16 are removed and thus by the Branch holes 18 reached from the pilot hole 12 become. Since it is in the laying of power lines in Road area usually around an area with loose rock 22 is involved in the production of the borehole branches 24 local solidification areas 26 formed to the Solidify soil structure in the area of the junction.
  • the branch holes below Use a fully flow-controlled drilling process executed so that on the one hand special needs regarding the course of the branch holes are taken into account can and on the other hand in the context of locating a Internal drilling head a possibly required Direction correction can be made and the Inner drilling head can be fed precisely to the customer 20.
  • the pilot bore 12 preferably ends in a target pit, from which after the completion of the pilot drilling and the creation the branch bores 18 a main line (not shown) while retracting the pilot drill head into the Pilot hole 12 is drawn.
  • a main line (not shown) while retracting the pilot drill head into the Pilot hole 12 is drawn.
  • each pickup 20th have reached, also during the "reverse gear" of the Linkage of the internal drilling head secondary lines (not shown) in the branch holes 18 to immediate Proximity to the pilot bore 12 are drawn. How later is explained in detail, can be in the context of a concluding sequence of operations Secondary lines with the main line also pulled in connect tightly.
  • Fig. 2 shows a schematic view of a pilot drill head with a branching internal drilling head.
  • the pilot boring head 14 allows the creation of fully course-controlled holes and has for this purpose a control surface 28, which by a Rotation of the pilot drill head 14 about its longitudinal axis 54 a Deflection of the pilot drill head 14 allowed, being narrow Allow curve radii to be achieved.
  • On the headboard 30 of the Pilot drill head 14 are located to the front and / or also to the front rear-facing drill head nozzles 32, from which one or more Cutting jets 34 emerge under high pressure in order to to loosen surrounding rock and to advance the drill head enable.
  • outlet openings 36 for one on the drill head 14 stiffening drilling suspension provided.
  • the Outlet openings 36 are located on the lateral surface of the essential cylindrical pilot drill head and are preferably designed as nozzles to inject stiffening drilling suspensions in the pilot hole 12 surrounding area 26 (see Fig. 1).
  • the Outlet openings or outlet nozzles 36 can be remotely controlled, i.e. activated by the operating personnel are, so that the stiffening drilling suspension only in immediate area of the branches from the Pilot boring head 14 is promoted.
  • the opening and closing of the Outlet openings can be controlled, for example, by remote control actuatable solenoid valves take place; alternatively, the Opening folder also through a jerky pulse Drilling suspension to be transmitted.
  • the inner drill head 44 and the associated drill pipe have a smaller outer diameter than that Inner diameter of the pilot drill head 14 as well Inner diameter of the drill string 40 so that the Inner drill head 44 and the drill pipe 46 attached to it the inner drill head through the drill pipe 40 and the Pilot drill head 14 can pass through.
  • the internal drill head 44 has hinge points 48, so that this in the area of later described deflection in a narrow radius of the curve from the Can branch off the longitudinal axis of the pilot drill head 14.
  • a deflecting part 50 which has an inclined surface 52, which is either in FIG. 2 represented view can represent a straight line, i.e. the Inclination of the inclined surface 52 to the longitudinal axis 54 of the Pilot drill head 14 is constant, or even one can have a curved course.
  • the opening 42 as well are arranged below the opening baffle 50 preferably rotatable about the longitudinal axis 54 of the pilot drill head, so that any branch direction in the full 360 degree range around the longitudinal axis 54 of the pilot drill head can be achieved.
  • the opening 42 is through a suitable one Cover element, such as a window, closed, whereby the window can be moved into Longitudinal direction of the drill head, or by turning it around the longitudinal axis 54 of the pilot drill head in an open position can be moved so that the inner drill head 44 from the Pilot drill head 14 can emerge.
  • the window serves the Penetration of rock during the advance of the Pilot drill head 14, but also the penetration of the stiffening acting drilling suspension into the interior of the pilot drill head prevent.
  • the inner drill head 44 is also suitable for a full create course-controlled branch hole and has a Control surface 56 and drill head nozzles 58 at the head of the Inner drilling head through which the cutting jets 60 emerge can.
  • stiffening agents can be: not swellable clays, binders based on cement or lime, ground oil shale, waxes, resins or chemical Injectables with a strengthening or adhesive effect.
  • the opening 42 is subsequently exposed in the pilot boring head, by placing one possibly above the opening Exit window is moved to an open position.
  • the Opening 42 as well as the deflector 50 are in the desired direction arranged by this around the longitudinal axis 54 of the pilot drill head can be rotated.
  • an internal drilling head 44 is connected Inner drill pipe 46 into the existing pilot drill pipe 40 drove in and the inner drill head to the deflecting part 50 advanced. Through the targeted steering of the internal drilling head 44 against the inclined surface 52 of the deflecting part 50 Inner drill head 44 deflected and braced against Borehole wall directed. Then the directed Drilling the inner drill head 44 into the solidified one Borehole wall. After penetrating the solidified Loose rock is the further feed of the Inner drilling head in loose rock, which the branch hole 18th surrounds.
  • the pilot drill head has the planned branch line, i.e. the Branch bore 18 covered up to the house connection point 20 has at the target point thus reached Product pipelines, preferably made of polyethylene or Polypropylene, coupled to the internal drill head and then the inner drill pipe 46 with the attached Product tube withdrawn up to main drill string 40.
  • Product pipelines preferably made of polyethylene or Polypropylene
  • the Attachment of the product pipe to the internal drilling head can be done by the Provide suitable drawn parts happen that on the in Feed direction are attached to the front end of the product tube and coupling the product pipe to the internal drilling head allow. If the drawn part of the product pipe, i.e.
  • pilot boring head 14 is up to its Target point, i.e. to a target pit, proceed and on Pilot drill head 14 or drill pipe 40 of Pilot drilling device also a product pipeline retracted while the drill string 40 the Pilot drilling device towards the starting point of the Pilot hole is withdrawn.
  • Fig. 3 the drawn main line 62 and the Branch lines 64 each shown, with the Main line 62 facing end of the secondary lines 64 each there is a pulling part 66 made of metal.
  • a pipe robot 68 Inside the Main pipe 62 is a pipe robot 68 that with an inspection head 70, which is the detection allowed by metal and thus specify the exact position can, on which the respective pulling part 66 adjoins the Main line 62 is located.
  • an inspection head 70 which is the detection allowed by metal and thus specify the exact position can, on which the respective pulling part 66 adjoins the Main line 62 is located.
  • a milling robot 72 which has a milling head 74 is provided and in the area of the drawn parts 66 the main line made of polyethylene or polypropylene with an opening, which represents the future integration point.
  • the metal drawing part 66 with the attached connected secondary line 64 drawn into the main line 62 and then a flexible connector 76 Polyethylene or polypropylene via branch line 64 imposed.
  • the connector 76 is preferably with provided inside heating wire coils, which are also under Use of a suitable pipe robot, for example one Handling robot that can be heated by applying power, so that the main line is welded to the secondary line.

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Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Bohrvorrichtung sowie ein Verfahren zum Herstellen von Bohrlochverzweigungen in Lockergestein.
Bei der Verlegung von Netzleitungen im Straßenbereich werden große Hauptleitungen beziehungsweise Netzleitungstrassen erstellt, aus denen beim gleichzeitigen Bau von Hausanschlußleitungen Nebenleitungen mit geringerem Durchmesser abzweigen.
Stand der Technik
Das Aufgraben der Straßen zum Verlegen von Hausanschlußleitungen beziehungsweise das Erstellen von Abzweiggruben im Straßenbereich führt in belebten Straßen zu erheblichen Verkehrsbehinderungen und insbesondere in hochwertigen Straßendecken zu statisch nachteiligen Eingriffen durch nachträgliche Setzungserscheinungen oder aber durch das Eindringen von Feuchtigkeit im Übergangsbereich zwischen ursprünglichem und ausgebessertem Straßenbelag mit der Gefahr, daß es zu Frostaufbrüchen kommt. Zudem müssen die Hausanschlüsse im Bereich der Wasserverteilung, Erdgasverteilung wie auch für die Verlegung von Stromleitungen oder Telekomleitungen jeweils unabhängig voneinander durchgeführt werden, wodurch sich die Beschädigung der Straßen wie auch die Verkehrsbehinderungen weiter verstärken.
Im Bereich der Erdölbohrtechnik entstand mit der Erschließung der Nordsee und der Nutzung teurer Bohrplattformen der Zwang, mehrere Bohrungen von einer der Bohrplattformen auszuführen. Dieses sogenannte Multilateral-Drilling wurde daher zum festen Begriff im Offshore-Bereich. Während die ersten Multilateral-Bohrungen noch benachbarte, jeweils jedoch eigene Einstiegsbohrlöcher benutzten, entstanden daraus Techniken unter Verwendung von einem einzigen Einstiegsbohrloch, von dem aus mehrere abgelenkte Bohrungen ausgeführt werden. Bei der sogenannten Whipstock-Technik werden die von der Einstiegsbohrung abgelenkten, seitlichen, horizontalen Auslenkungen verwendet, um Kohlenwasserstoff-Lagerstätten horizontal zu durchfahren.
Die Verwendung der Whipstock-Technik wird unter Verwendung eines orientierbaren, hochpräzisen Whipstocks und eines Bohrsystems mit Schraubenmotor und mindestens zwei Gelenkstellen oder Schraubenmotoren aus Titan ohne Gelenkstellen und Stabilisatoren im Bohrgestänge durchgeführt. Im Bereich der Abzweigung muß eine feste Bohrlochwandung vorhanden sein, die gegebenenfalls zementiert sein muß und häufig auch durch das Einschieben einer Abzweigarmatur stabilisiert ist.
Die im Stand der Technik bekannten Verfahren einer Bohrlochverzweigung fanden bislang nur im großen Maßstab der Ölförderung, Erdölgas- oder Erdgasförderung und entweder im Fels oder im Bereich vorbetonierter Abzweigungsstellen statt. Daher sind die bekannten Techniken nicht für das Erstellen von Bohrlochverzweigungen im Bereich von Netzleitungen im Straßenbereich anwendbar, weil hier Lockergestein vorliegt.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Herstellen von Bohrlochverzweigungen zu entwickeln, die in Lockergestein durchführbar sind.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Bohrvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen von Bohrlochverzweigungen mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, einen voll verlaufsgesteuerten Pilotbohrkopf mit einem daran angebrachten Bohrgestänge so auszubilden, daß dieser eine Öffnung am Umfang sowie ein Ablenkteil im Inneren des Pilotbohrkopfes aufweist. Des weiteren sind am Pilotbohrkopf Austrittsöffnungen für eine versteifend wirkende Bohrsuspension vorgesehen. Im Inneren des Bohrgestänges des Pilotbohrkopfes ist ein Innenbohrkopf in Längsrichtung bewegbar und durch das Ablenkteil aus der Bahn des Pilotbohrkopfes ablenkbar. Durch das Herausfördern einer gleitend und versteifend wirkenden Bohrsuspension aus den Austrittsöffnungen im Pilotbohrkopf wird das die Pilotbohrung umgebende Lockergestein lokal verfestigt, um die Verzweigungsstelle zu stabilisieren.
Durch die Verwendung eines voll verlaufsgesteuerten Vortriebs des Pilotbohrkopfes kann die Pilotbohrung dem gewünschten Trassenverlauf der Hauptversorgungsleitungen folgen und der Innenbohrkopf nach dem Ablenken aus der Bahn des Pilotbohrkopfes die Bohrungen für die Hausanschlußleitungen erstellen.
Bevorzugte Ausführungsformen sind durch die übrigen Ansprüche gekennzeichnet.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist der Innenbohrkopf voll verlaufsgesteuert. Dies besitzt den Vorteil, daß bei komplexen Trassenführungen der gewünschte Verlegepfad erstellt werden kann oder bei der Verlegung von Hausanschlußleitungen zu Gebäuden, die in einer größeren Entfernung zur Netzleitungstrasse liegen, eine zielgenaue Bohrung der Anschlußleitungen möglich ist.
Vorzugsweise ist die Öffnung im Pilotbohrkopf durch ein verschiebbares, z.B. drehbares Abdeckelement verschließbar. Durch das Vorsehen eines derartigen Abdeckelements wird verhindert, daß während des Vortriebs des Pilotbohrkopfes Gestein in die Öffnung eintritt und sich in dieser verkeilt oder möglicherweise während des nachfolgenden Herausförderns einer versteifend wirkender Bohrsuspension aus den Bohrkopfdüsen diese in den Pilotbohrkopf eindringen und sich ein stark verfestigtes Gefüge im Inneren des Pilotbohrkopfes bilden kann.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind das Ablenkteil im Pilotbohrkopf sowie die dem Ablenkteil zugeordnete Öffnung gezielt und in Längsachse des Pilotbohrkopfes drehbar. Dies besitzt den Vorteil, daß beliebige Richtungen der abzweigenden Bohrung relativ zur Längsachse des Pilotbohrkopfes hergestellt werden können.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung befinden sich zusätzliche Seitendüsen am Umfang des Bohrkopfes, wobei die Seitendüsen ferngelenkt aktivierbar sind. Dies besitzt den Vorteil, daß die versteifend wirkende Bohrsuspension gezielt in das die Pilotbohrung umgebende Lockergestein gefördert werden kann und zudem der Austritt von Bohrsuspension nur dann stattfindet, wenn sich der Pilotbohrkopf im Bereich einer geplanten Verzweigungsstelle befindet. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß die aus den Bohrkopfdüsen am vorderen Ende des Bohrkopfes austretende Flüssigkeit gezielt dahingehend ausgewählt werden kann, daß das umgebende Gefüge gelockert wird und daher einen schnellen Vortrieb des Pilotbohrkopfes gestattet, während die versteifend wirkende Bohrsuspension nur im Hinblick auf die gewünschte Verfestigung von Lockergestein ausgewählt wird und lediglich bei Bedarf aus den Seitendüsen am Umfang des Bohrkopfes austritt.
Vorzugsweise weist das Ablenkteil eine Schrägfläche mit einer rinnenförmigen Ausgestaltung auf. Das Vorsehen einer Schrägfläche, die auch in Form einer Auffahrrampe zusätzlich gekrümmt sein kann, gestattet das bequeme Ablenken des Innenbohrkopfes wie auch Innenbohrgestänges aus der Bahn des vorhandenen Pilotbohrkopfes. Das zusätzliche Vorsehen von Rinnen bietet dem Innenbohrkopf, sowie auch dem Innenbohrgestänge nach einer erfolgten Abzweigung des Innenbohrkopfes, eine seitliche Führung.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist der Innenbohrkopf mehrere Gelenkstellen auf, die einen engen Bohrradius ermöglichen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich der Innenbohrkopf bis zu einem Zielbereich vorrücken und eine Nebenleitung am Gestänge des Innenbohrkopfes anbringen, woraufhin das Gestänge bis in die Nähe der Pilotbohrung zurückgezogen wird. Dieser Verfahrensschritt ist dahingehend von Vorteil, daß nicht nur die zum Erstellen von Anschlußleitungen erforderlichen Bohrungen geschaffen werden, sondern das Zurückziehen des Gestänges des Innenbohrkopfes gleichzeitig dazu verwendet wird, die gewünschte Nebenleitung einzuziehen.
Vorzugsweise umfaßt das Verfahren zusätzlich den Schritt des Einziehens einer Hauptleitung in die Pilotbohrung sowie des Herstellens von Rohrverzweigungen durch das abschnittsweise Aufbohren der Hauptleitung und das Verbinden der Nebenleitung mit der Hauptleitung. Diese zusätzlichen Verfahrensschritte ermöglichen die vollständige Verlegung sowohl der Hauptleitung in der Netzleitungstrasse wie auch der abzweigenden Hausanschlußleitungen. Indem die Hauptleitung jeweils im Bereich der nahe der Hauptleitung angeordneten Nebenleitungen aufgebohrt wird, lassen sich die Hauptleitung sowie die im Bereich einer Aufbohrung befindliche Nebenleitung durch geeignete Maßnahmen miteinander verbinden.
Vorzugsweise geschieht das Verbinden der Nebenleitung mit der Hauptleitung durch das Überstülpen eines Rohrstutzens über die Nebenleitung und das dichte Anbringen des Rohr-Nebenstutzens an der Nebenleitung und an der Hauptleitung.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird ein Rohrroboter zum Herstellen der Rohrverzweigungen eingesetzt. Dieser Rohrroboter kann die Position der Nebenleitungen (physikalisch) erfassen, die Hauptleitung im Bereich der Nebenleitungen jeweils abschnittsweise aufbohren und die Nebenleitungen in einer geeigneten Weise mit den Hauptleitungen verbinden, wobei hierbei das oben angesprochene Überstülpen von Rohrstutzen über die Nebenleitungen zum Einsatz gelangen kann. Wenn das bevorzugte Verfahren des Überstülpens eines Rohrstutzens über eine Nebenleitung zur Anwendung gelangt, so besteht die Möglichkeit, daß der Rohrstutzen sowie die Neben- und Hauptleitung durch eine lokale Erwärmung miteinander verschweißt werden und abschließend diejenigen Teile des Rohrstutzens, die in die Hauptleitung hineinragen, vom Rohrroboter entfernt, z.B. abgefräst werden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Ziehteil aus Metall jeweils an dem in Einzugsrichtung vorderen Ende der Nebenleitungen angebracht und die Position der Nebenleitungen durch die Ortung des Ziehteiles mittels eines Metalldetektors erfaßt. Dies stellt eine sehr einfache Möglichkeit dar, einerseits das Einziehen der Nebenleitungen unter Verwendung eines Ziehteiles aus Metall zu erleichtern und das in unmittelbarer Nähe zur Hauptleitung angeordnete Ziehteil anschließend dazu zu verwenden, die genaue Position der Nebenleitungen festzustellen, um ein automatisiertes Verbinden der Nebenleitung mit der Hauptleitung zu ermöglichen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend wird die Erfindung rein beispielhaft anhand der beigefügten Figuren beschrieben, in denen:
Fig. 1
eine schematische Ansicht eines möglichen Verlaufs der Pilotbohrung sowie von drei beispielhaften Abzweigbohrungen ist;
Fig. 2
eine schematische Ansicht eines Bohrkopfes in teilweisem Aufbruch mit einem abzweigenden Innenbohrkopf darstellt;
Fig. 3
eine schematische Ansicht eines Rohrroboters in einer Hauptleitung ist, die das Verbinden von Nebenleitungen mit der Hauptleitung verdeutlicht; und
Fig. 4a bis 4c
die Abfolge des Verbindens einer Hauptleitung mit einer Nebenleitung darstellen.
In den nachfolgenden Figuren 1 bis 4c werden jeweils gleiche Bauelemente mit gleichen Referenzziffern bezeichnet.
In Fig. 1 ist der mögliche Verlauf einer Pilotbohrung sowie von Abzweigbohrungen schematisch dargestellt. In einer Pilotbohrung 12 befindet sich ein unten genauer beschriebener Pilotbohrkopf 14, der richtungssteuerbar ausgeführt ist und somit eine voll verlaufsgesteuerte Netzleitungstrasse 16 erstellen kann. Die Pilotbohrung 12 wird von der Oberfläche aus durch eine kleine Eintrittsöffnung (nicht dargestellt) in das Erdreich ausgeführt, wobei ein Bohrlafettengerät zur Anwendung gelangen kann, das im Rahmen der Flowtex-Technologie den Fachkreisen bekannt ist. Alternativ kann die Pilotbohrung 12 selbstverständlich auch von einer Startgrube aus erstellt werden. Während des Vorschubs des Bohrkopfes 14 entlang der geplanten Netzleitungstrasse 16 kann jeweils die genaue Position des Pilotbohrkopfes 14 unter Verwendung eines Ortungsgerätes von der Oberfläche aus erfaßt werden. Die Position des Bohrkopfes kann auch vom Bohrkopf durch das Bohrgestänge zum Bohrgerät übertragen werden. Im Bereich der Verlegung von Netzleitungen im Straßenbereich müssen gleichzeitig Hausanschlußleitungen erstellt werden, die durch die Auffahrung von Abzweigbohrungen 18 aus der Netzleitungstrasse 16 heraus erstellt werden. Derartige Hausanschlußleitungen können Wasserleitungen, Stromleitungen oder aber Leitungen zur Erdgasverteilung sein, vorrangig handelt es sich jedoch um Telekommunikationsleitungen.
Die Abzweigbohrungen 18 führen zu den gewünschten Abnehmern 20 oder weiteren Verteileinrichtungen, die von dem Verlauf der Netzleitungstrasse 16 entfernt sind und somit durch die Abzweigbohrungen 18 von der Pilotbohrung 12 aus erreicht werden. Da es sich bei der Verlegung von Netzleitungen im Straßenbereich in der Regel um einen Bereich mit Lockergestein 22 handelt, werden beim Herstellen der Bohrlochverzweigungen 24 lokale Verfestigungsbereiche 26 gebildet, um das Bodengefüge im Bereich der Abzweigung zu verfestigen.
Wie insbesondere aus dem Verlauf der Abzweigbohrung 18a ersichtlich ist, werden auch die Abzweigbohrungen unter Verwendung eines voll verlaufsgesteuerten Bohrverfahrens ausgeführt, damit zum einen speziellen Bedürfnissen bezüglich des Verlaufs der Abzweigbohrungen Rechnung getragen werden kann und zum anderen im Rahmen einer Ortung eines Innenbohrkopfes eine möglicherweise erforderliche Richtungskorrektur vorgenommen werden kann und der Innenbohrkopf zielgenau dem Abnehmer 20 zugeführt werden kann.
Die Pilotbohrung 12 endet vorzugsweise in einer Zielgrube, von der aus nach dem Abschluß der Pilotbohrung sowie dem Erstellen der Abzweigbohrungen 18 eine Hauptleitung (nicht dargestellt) während des Zurückziehens des Pilotbohrkopfes in die Pilotbohrung 12 eingezogen wird. In gleicher Weise können, nachdem die Abzweigbohrungen 18 jeweils den Abnehmer 20 erreicht haben, ebenfalls während des "Rückwärtsganges" des Gestänges des Innenbohrkopfes Nebenleitungen (nicht dargestellt) in die Abzweigbohrungen 18 bis in unmittelbare Nähe zur Pilotbohrung 12 eingezogen werden. Wie später eingehend erläutert wird, lassen sich im Rahmen einer abschließenden Betätigungsabfolge die eingezogenen Nebenleitungen mit der ebenfalls eingezogenen Hauptleitung dicht verbinden.
Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht eines Pilotbohrkopfes mit einem abzweigenden Innenbohrkopf. Der Pilotbohrkopf 14 gestattet das Herstellen voll verlaufsgesteuerter Bohrungen und besitzt hierzu eine Steuerfläche 28, die durch eine Drehung des Pilotbohrkopfes 14 um seine Längsachse 54 eine Ablenkung des Pilotbohrkopfes 14 gestattet, wobei sich enge Kurvenradien erzielen lassen. Auf dem Kopfende 30 des Pilotbohrkopfes 14 befinden sich nach vorne und/oder auch nach hinten gerichtete Bohrkopfdüsen 32, aus denen ein oder mehrere Schneidstrahlen 34 unter hohem Druck austreten, um das umgebende Gestein zu lösen und den Vortrieb des Bohrkopfes zu ermöglichen.
Zusätzlich sind am Bohrkopf 14 Austrittsöffnungen 36 für eine versteifend wirkende Bohrsuspension vorgesehen. Die Austrittsöffnungen 36 befinden sich an der Mantelfläche des im wesentlichen zylinderförmigen Pilotbohrkopfes und sind vorzugsweise als Düsen ausgebildet, um das Injizieren von versteifend wirkenden Bohrsuspensionen in den die Pilotbohrung 12 umgebenden Bereich 26 (siehe Fig. 1) zu gestatten. Die Austrittsöffnungen beziehungsweise Austrittsdüsen 36 können ferngelenkt sein, d.h. vom Bedienungspersonal aktiviert werden, so daß die versteifend wirkende Bohrsuspension nur im unmittelbaren Bereich der Verzweigungsstellen aus dem Pilotbohrkopf 14 gefördert wird. Das Öffnen und Schließen der Austrittsöffnungen kann beispielsweise durch ferngesteuert betätigbare Magnetventile erfolgen; alternativ könnte die Öffnungsordner auch über einen stoßartigen Puls durch die Bohrsuspension übermittelt werden.
Im Pilotbohrkopf 14, der durch ein Gewinde 38 mit dem Bohrgestänge 40 des Pilotbohrkopfes verbunden ist, befindet sich eine Öffnung 42, aus der ein Innenbohrkopf 44 austreten kann. Der Innenbohrkopf 44 und das zugehörige Bohrgestänge besitzen einen geringeren Außendurchmesser als der Innendurchmesser des Pilotbohrkopfes 14 wie auch Innendurchmesser des Bohrgestänges 40, so daß der Innenbohrkopf 44 sowie das daran befestigte Bohrgestänge 46 des Innenbohrkopfes durch das Bohrgestänge 40 sowie den Pilotbohrkopf 14 hindurchtreten können. Der Innenbohrkopf 44 besitzt Gelenkstellen 48, damit dieser im Bereich der später beschriebenen Ablenkung in einem engen Kurvenradius von der Längsachse des Pilotbohrkopfes 14 abzweigen kann.
Unterhalb der Öffnung 42 befindet sich ein Ablenkteil 50, das eine Schrägfläche 52 aufweist, die entweder in der in Fig. 2 dargestellten Ansicht eine Gerade darstellen kann, d.h. die Neigung der Schrägfläche 52 zur Längsachse 54 des Pilotbohrkopfes 14 ist konstant, oder aber auch einen gekrümmten Verlauf besitzen kann. Durch das Vorsehen einer rinnenartigen Neigung der Schrägfläche 52 des Ablenkteiles 50 nach innen (nicht dargestellt), kann zusätzlich eine seitliche Führung des Innenbohrkopfes 44 sowie des Bohrgestänges 46 des Innenbohrkopfes erreicht werden. Die Öffnung 42 wie auch das unterhalb der Öffnung angeordnete Ablenkteil 50 sind vorzugsweise um die Längsachse 54 des Pilotbohrkopfes drehbar, so daß eine beliebige Abzweigungsrichtung im vollständigen 360-Grad-Bereich um die Längsachse 54 des Pilotbohrkopfes erzielt werden kann.
Vorzugsweise ist die Öffnung 42 durch ein geeignetes Abdeckelement, wie beispielsweise ein Fenster, verschlossen, wobei das Fenster bei Bedarf durch ein Verschieben in Längsrichtung des Bohrkopfes, oder aber durch ein Drehen um die Längsachse 54 des Pilotbohrkopfes in eine Öffnungsstellung verschoben werden kann, damit der Innenbohrkopf 44 aus dem Pilotbohrkopf 14 austreten kann. Das Fenster dient dazu, das Eindringen von Gestein während des Vorschubs des Pilotbohrkopfes 14, aber auch das Eindringen der versteifend wirkenden Bohrsuspension in das Innere des Pilotbohrkopfes zu verhindern.
Der Innenbohrkopf 44 ist ebenfalls dazu geeignet, eine voll verlaufsgesteuerte Abzweigbohrung zu erstellen und weist eine Steuerfläche 56 sowie Bohrkopfdüsen 58 am Kopfende des Innenbohrkopfes auf, durch die Schneidstrahlen 60 austreten können.
Im folgenden sollen die Arbeitsschritte beim Herstellen von Bohrlochverzweigungen in Lockergestein erläutert werden.
Nach dem voll verlaufsgesteuerten Auffahren der Pilotbohrung wird im Bereich einer geplanten Verzweigungsstelle der Vorschub des Pilotbohrkopfes gestoppt und der Bohrlochabschnitt der Pilotbohrung verfestigt. Dies geschieht entweder durch das Herausfördern einer versteifend wirkenden Bohrsuspension aus den Bohrkopfdüsen, oder aber durch das Herausfördern der versteifend wirkenden Bohrsuspension aus den zusätzlich zuschaltbaren Seitendüsen im Bohrkopfbereich. Versteifend wirkende Mittel können beispielsweise sein: nicht quellfähige Tone, Bindemittel auf Zement- oder Kalkbasis, gemahlener Ölschiefer, Wachse, Harze oder chemische Injektivstoffe mit verfestigender oder klebender Wirkung.
Nachfolgend wird im Pilotbohrkopf die Öffnung 42 freigelegt, indem ein möglicherweise über der Öffnung angeordnetes Austrittsfenster in eine Öffnungsstellung verschoben wird. Die Öffnung 42 wie auch das Ablenkteil 50 werden in der gewünschten Richtung angeordnet, indem diese um die Längsachse 54 des Pilotbohrkopfes gedreht werden.
Anschließend wird ein Innenbohrkopf 44 mit angeschlossenem Innenbohrgestänge 46 in das vorhandene Pilotbohrgestänge 40 hereingefahren und der Innenbohrkopf zum Ablenkteil 50 vorgeschoben. Durch die gezielte Lenkung des Innenbohrkopfs 44 gegen die Schrägfläche 52 des Ablenkteils 50 wird der Innenbohrkopf 44 abgelenkt und gegen die ausgesteifte Bohrlochwand gerichtet. Anschließend erfolgt das gerichtete Hineinbohren des Innenbohrkopfs 44 in die verfestigte Bohrlochwandung. Nach dem Durchdringen des verfestigten Lockergesteines erfolgt der weitere Vorschub des Innenbohrkopfes im Lockergestein, das die Abzweigbohrung 18 umgibt.
Wenn der Pilotbohrkopf die geplante Nebenstrecke, d.h. die Abzweigbohrung 18 bis zur Hausanschlußstelle 20 zurückgelegt hat, werden an dem somit erreichten Zielpunkt Produktrohrleitungen, vorzugsweise aus Polyethylen oder Polypropylen, an den Innenbohrkopf angekoppelt und anschließend das Innenbohrgestänge 46 mit dem angehängten Produktrohr bis zum Hauptbohrgestänge 40 zurückgezogen. Die Befestigung des Produktrohres am Innenbohrkopf kann durch das Vorsehen geeigneter Ziehteile geschehen, die an dem in Einzugrichtung vorderen Ende des Produktrohres befestigt sind und ein Ankoppeln des Produktrohres am Innenbohrkopf gestatten. Wenn das Ziehteil des Produktrohres, d.h. der einzuziehenden Nebenleitung, in unmittelbare Nähe zur Pilotbohrung 12 gelangt ist, wird das Produktrohr ausgeklinkt und der Innenbohrkopf wieder aus dem Bohrgestänge 40 des Pilotbohrkopfes zurückgezogen, damit dieser bis zu der nächsten geplanten Verzweigungsstelle vorrücken kann. Anschließend wird der Innenbohrkopf in das Bohrgestänge des Pilotbohrkopfes zurückgezogen, der Pilotbohrkopf zur nächsten Verzweigungsstelle aufgefahren und dort wieder der Vortrieb gestoppt. Daraufhin wiederholen sich die oben genannten Arbeitsschritte bis ein weiteres Produktrohr mit dem Ziehkopf in unmittelbarer Nähe zur Pilotbohrung 12 eingezogen worden ist.
Wenn sämtliche im Bereich einer Haupttrasse geplanten Abzweigungen hergestellt und jeweils in diese ein Produktrohr eingezogen worden ist, wird der Pilotbohrkopf 14 bis zu seinem Zielpunkt, d.h. bis zu einer Zielgrube, verfahren und am Pilotbohrkopf 14 oder aber Bohrgestänge 40 der Pilotbohrvorrichtung ebenfalls eine Produktrohrleitung eingezogen, während das Bohrgestänge 40 der Pilotbohrvorrichtung in Richtung des Startpunktes der Pilotbohrung zurückgezogen wird.
Wenn die Haupt- und Nebenleitungen jeweils in die Pilotbohrung und Abzweigbohrungen eingezogen sind, müssen die Hauptleitungen und Nebenleitungen miteinander verbunden werden. Dies kann, wie in Fig. 3 dargestellt ist, durch die Verwendung eines Rohrroboters in der Hauptleitung durchgeführt werden.
In Fig. 3 sind die eingezogene Hauptleitung 62 sowie die Nebenleitungen 64 jeweils dargestellt, wobei sich an dem der Hauptleitung 62 zugewandten Ende der Nebenleitungen 64 jeweils ein Ziehteil 66 aus Metall befindet. Im Inneren der Hauptleitung 62 befindet sich ein Rohrroboter 68, der mit einem Inspektionskopf 70 ausgestattet ist, der die Detektion von Metall gestattet und somit exakt die Position angeben kann, an der sich das jeweilige Ziehteil 66 angrenzend an die Hauptleitung 62 befindet. In einem unabhängigen Verfahrensschritt oder aber mit dem Rohrroboter 68 verbunden befindet sich ein Fräsroboter 72, der mit einem Fräskopf 74 versehen ist und im Bereich der Ziehteile 66 die Hauptleitung aus Polyethylen oder Polypropylen mit einer Öffnung versieht, welche die künftige Einbindestelle darstellt.
Anschließend wird, wie in der Abfolge der Fig. 4a bis 4c dargestellt ist, das Metallziehteil 66 mit der daran verbundenen Nebenleitung 64 in die Hauptleitung 62 eingezogen und anschließend ein flexibles Verbindungsstück 76 aus Polyethylen oder Polypropylen über die Nebenleitung 64 übergestülpt. Das Verbindungsstück 76 ist vorzugsweise mit innenliegenden Heizdrahtwendeln versehen, die ebenfalls unter Verwendung eines geeigneten Rohrroboters, beispielsweise eines Handhabungsroboters, durch Stromanlegen erwärmt werden können, so daß die Hauptleitung mit der Nebenleitung verschweißt wird.
Es besteht auch die Möglichkeit, anstelle des Verbindungsstückes Kunststoffmasse der Gestalt zu extrudieren, daß bei Abkühlung/Aushärtung ein vollständig verbindendes, lückenfreies Übergangsstück entsteht.
Nachfolgend wird, wie in Fig. 4c dargestellt ist, der in die Hauptleitung hineinragende Teil, der aus Nebenleitung 64, Verbindungsstück 76 sowie Ziehteil 66 besteht, abgetrennt und die metallischen Bestandteile mittels eines Magneten oder eines Kollektorgerätes eingesammelt. Abschließend wird das Hauptrohr innen gründlich gereinigt.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des Verfahrens zum Herstellen von Bohrlochverzweigungen liegt darin, daß einerseits der Pilotbohrkopf wie auch der Innenbohrkopf jeweils das Herstellen voll verlaufsgesteuerter Bohrungen gestatten und zudem das Verfahren im Bereich von Lockergestein möglich ist, indem dieses im Bereich der geplanten Verzweigungsstellen gezielt verfestigt wird. Schließlich gestattet das Verfahren das Einziehen von Haupt- und Nebenleitungen und das Verbinden der Haupt- und Nebenleitungen miteinander, so daß eine vollständig grabenlose Verlegung von Netzleitungen im Straßenbereich beim gleichzeitigen Bau von Hausanschlußleitungen durch Auffahrung von Abzweigungsbohrungen aus der Netzleitungstrasse heraus möglich ist.

Claims (14)

  1. Bohrvorrichtung zum Herstellen von Bohrlochverzweigungen in Lockergestein umfassend:
    einen voll verlaufsgesteuerten Pilotbohrkopf (14) mit einem daran angebrachten Bohrgestänge (40), wobei
    der Pilotbohrkopf (14) eine Öffnung (42) am Umfang;
    ein Ablenkteil (50) im Inneren des Pilotbohrkopfes (14); und
    Austrittsöffnungen (34; 36) für eine versteifend wirkende Bohrsuspension aufweist; und
    einen Innenbohrkopf (44), der in Längsrichtung des Pilotbohrkopfes (14) bewegbar ist und durch das Ablenkteil (50) und durch die Öffnung (42) hindurch aus der Bahn (54) des Pilotbohrkopfes (14) ablenkbar ist.
  2. Bohrvorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Innenbohrkopf (44) voll verlaufsgesteuert ist.
  3. Bohrvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Öffnung (42) im Pilotbohrkopf (14) durch ein verschiebbares Abdeckelement verschließbar ist.
  4. Bohrvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    das Ablenkteil (50) sowie die dem Ablenkteil zugeordnete Öffnung (42) gezielt um die Längsachse (54) des Pilotbohrkopfes (14) drehbar sind.
  5. Bohrvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, weiter umfassend:
    zusätzliche Seitendüsen (36) am Umfang des Pilotbohrkopfes (14); wobei
    die Seitendüsen (36) ferngelenkt aktivierbar sind.
  6. Bohrvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    das Ablenkteil (50) eine Schrägfläche (52) mit einer rinnenförmigen Ausgestaltung aufweist.
  7. Bohrvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Pilotbohrkopf (14) und der Innenbohrkopf (44) jeweils eine schräg verlaufende Steuerfläche (28, 56) sowie Bohrkopfdüsen (30, 58) für Bohrsuspension unter hohem Druck aufweisen.
  8. Verfahren zum Herstellen von Bohrlochverzweigungen in Lockergestein umfassend die Schritte:
    (a) Erstellen einer Pilotbohrung durch den voll verlaufsgesteuerten Vortrieb eines Bohrgestänges mit Pilotbohrkopf in den Bereich einer herzustellenden Bohrlochverzweigung;
    (b) Ausbringen von versteifend wirkender Bohrsuspension aus dem Pilotbohrkopf;
    (c) Vorrücken eines Innenbohrkopfes im Inneren des Bohrgestänges des Pilotbohrkopfes;
    (d) Auffahren des Innenbohrkopfes auf ein Ablenkteil im Pilotbohrkopf; und
    (e) Erstellen einer abzweigenden Bohrung durch das Vorrücken des Innenbohrkopfes durch eine Öffnung im Pilotbohrkopf hindurch.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, weiter umfassend vor dem Schritt (d):
    Ausrichten des Ablenkteils in die gewünschte Richtung der abzuzweigenden Bohrung relativ zur Längsachse des Pilotbohrkopfes.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 und/oder 9, weiter umfassend die Schritte:
    (f) Vorrücken des Innenbohrkopfes bis zu einem Zielbereich und Anbringen einer Nebenleitung am Gestänge des Innenbohrkopfes oder des Bohrkopfes; und
    (g) Zurückziehen des Gestänges des Innenbohrkopfes und Einziehen der Nebenleitung bis in die Nähe der Pilotbohrung.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, zusätzlich umfassend den Schritt:
    (h) Einziehen einer Hauptleitung in die Pilotbohrung; und
    (i) Herstellen von Rohrverzweigungen durch das abschnittsweise Öffnen der Hauptleitung und Verbinden der Nebenleitung mit der Hauptleitung.
  12. Verfahren nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    das Verbinden der Nebenleitung mit der Hauptleitung durch das Überstülpen oder vor-Ort-Extrudierens eines Rohrstutzens über die Nebenleitung und das dichte Anbringen des Rohrstutzens an der Nebenleitung und an der Hauptleitung ausgeführt wird.
  13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 13, umfassend den Schritt:
    Einbringen eines Rohrroboters zum Herstellen der Rohrverzweigungen.
  14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 bis 13, weiter umfassend:
    Anbringen eines Ziehteiles aus Metall an dem in Einzugsrichtung vorderen Ende der Nebenleitung; und
    Erfassen der Position der Nebenleitung durch die Ortung des Ziehteiles mittels eines Metalldetektors.
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