EP3091173B1 - Drilling system for generating or extending a borehole in the ground and method for controlling an advance of such a drilling system - Google Patents
Drilling system for generating or extending a borehole in the ground and method for controlling an advance of such a drilling system Download PDFInfo
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- EP3091173B1 EP3091173B1 EP16168005.3A EP16168005A EP3091173B1 EP 3091173 B1 EP3091173 B1 EP 3091173B1 EP 16168005 A EP16168005 A EP 16168005A EP 3091173 B1 EP3091173 B1 EP 3091173B1
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- E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
- E21B7/28—Enlarging drilled holes, e.g. by counterboring
Definitions
- the invention relates to a method for controlling a feed drive of a drilling rig for generating or expanding a ground hole in the ground, wherein a drill pipe connected to the drilling and / or expansion tool is rotated about its longitudinal axis by means of a rotary drive and with the aid of the feed drive in the direction of its longitudinal axis is moved through the soil.
- the force exerted by the feed drive on the drill string in the direction of its longitudinal axis feed force is limited to a preset value.
- the invention relates to a drilling rig for generating or expanding a hole in the ground.
- a method and a device for controlling the feed drive of a drilling rig intended for producing wells are known.
- the drilling rig has a drill string carrying drill string that is advanced with simultaneous rotation in the soil.
- the feed rate of the feed drive is controlled in dependence on the torque occurring at the drill string.
- Other horizontal drilling rigs with a feed drive for driving a boring rod carrying a drilling tool, which advanced with simultaneous rotation by means of a feed drive in the ground is, are from the documents DE 10 2010 004 287 A1 and US 6,189,628 B1 known.
- a target value for the torque acting on the drill pipe to the rotation torque M is set.
- a control unit controls the feed rate of a drilling tool to be moved through the soil or a flaring tool to be moved through the soil with a pipe to be pulled into the opening created by means of the flaring tool such that a determined actual torque M is equal to the preset desired value M should be .
- the forces acting on the expansion tool in particular on a Aufweitkopf, larger.
- the intake speed v is increased until the actual torque M is reached the preset target value M soll . If the substrate is homogeneous, the expansion tool is then moved through the soil at a relatively constant pull-in speed. If the substrate becomes harder or hits the drilling and / or expansion tool on a rock or rock, the acting torque M ist is greater than the target value M soll . Then the feed is stopped until the drilling and / or expansion tool has rotated freely and the current torque acting M is again smaller than the set value M is intended. Subsequently, the feed rate is increased again until the current value of the torque M ist has reached the setpoint.
- both the drilling of a pilot hole by means of a drilling tool and the widening of the pilot hole or the widening of an opening already present in the ground in the prior art always takes place with the maximum retraction force. Depending on the substrate, this can lead to the carbide teeth of a drilling tool or a widening tool so pressed into the ground or in rock or pulled that they get caught in the soil or rock. As a result, the drilling tool or the expander head can not continue to turn and stops.
- a drill string connected to a drilling and / or expansion tool is rotated about its longitudinal axis by means of a rotary drive of the drilling rig and by means of the feed drive in the direction of its longitudinal axis through the Earth area moves. Furthermore, the feed force exerted by the feed drive on the drill string in the direction of its longitudinal axis is limited to a preset value.
- the feed drive is preferably a feed drive unit which generates a translatory drive movement of the drill string.
- the drilling and / or expansion tool is either pushed away from the feed drive into the soil or pulled towards the feed drive through the soil.
- the drilling and / or expansion tool is at least in a rotational direction at the remote from the feed drive end of the drill string rotatably connected thereto.
- Such a method for controlling the feed drive prevents the drilling tool or the expansion tool is pressed with a large force against the ground, in particular a blockage of the drilling tool is prevented due to excessive feed force.
- a suitable restriction of the feed force is ensured that an abrupt snagging of cutting elements of the drilling and / or Aufweitwerkmaschines is prevented with the soil, thereby causing such a blockage of the drilling and / or Aufweitwerkmaschines interruption of the drilling process and extreme loads on the drill string and the drilling tool can be avoided.
- the feed force is determined as the actual value and if the determined actual value is compared with a preset desired value. Upon reaching and / or exceeding the preset target value, the feed force exerted by the feed drive on the drill string is reduced. Preferably, the amount of the feed force is determined as the actual value and compared with the preset target value. As a result, a simple and safe monitoring and limiting the feed force is possible.
- the feed force is selectively exerted on the drill string in such a way that the drilling and / or expansion tool connected to the drill string is moved away from the feed drive or toward the feed drive by the feed force.
- the drilling rig can move the drilling and / or expansion tool both away from the feed drive and move towards the feed drive, so that in a simple manner a pilot hole can be made through the soil using a drilling tool and then the drilling tool at the end of the drill pipe of this is disconnected and the end of the drill string is connected to a Aufweitwerkmaschine, the Expansion tool then moved to the feed drive, that is pulled through the soil, is.
- the feed rate of the drill string and the feed force exerted on the drill string are set as a function of the torque exerted on the drill string for its rotation.
- the feed rate and the Feed force used as manipulated variables in a control loop for controlling the torque.
- the manipulated variables feed force and feed rate are adjusted together until one of the manipulated variables reaches a lower and / or upper preset limit value. Subsequently, only the other control variable is adjusted further.
- By restricting the feed force to the preset limit value it is achieved that even with a regulation of the torque, no such great force is exerted on the drilling and / or expanding tool that it stops. In particular, snagging of cutting of the drilling and / or expansion tool with stones or rock in the soil is prevented.
- the torque exerted on the drill pipe for its rotation is determined as the actual value and compared with a preset desired value and that a control deviation is determined from the difference between the desired value and the actual value.
- a positive control deviation the feed speed and the feed force are reduced and with a negative control deviation, the feed rate and the feed force are increased.
- the feed force can be increased until it has reached the preset value.
- the feed force is not further increased, even with a positive control deviation.
- an operator can change the preset value, so that then, depending on the determined control deviation with a positive control deviation, the feed force can be further increased to the new preset limit.
- the feed force and the feed rate are simultaneously increased until the feed force has reached the pre-set value.
- the feed force and the feed rate are reduced simultaneously until no more control deviation or a positive control deviation is detected.
- the drive unit used is preferably a hydraulic unit, wherein the pressure generated by the hydraulic unit on the hydraulic unit can be adjusted independently of the quantity of hydraulic fluid delivered by the hydraulic unit.
- the pressure generated by the hydraulic unit is a measure of the feed force and the amount delivered by the hydraulic unit is a measure of the feed rate.
- the feed force and the feed rate can be predefined on the hydraulic unit in a simple manner.
- the specification of these values is carried out in particular by a Control unit of the drilling rig, which is connected via a suitable interface with the hydraulic power unit for the specification of nominal values for pressure and quantity.
- the control unit is preferably a programmable logic controller of the drilling rig.
- the preset value of the feed force and / or the preset value of the feed rate can be set via an operating unit and changed during operation of the drilling system by an operator or by specifying a further control unit or a control algorithm.
- the actual value of the torque is preferably determined on the basis of the rotary drive force acting on the drill pipe.
- the rotary drive force can be determined in a hydraulic drive of the drill string simply due to the pressure of the hydraulic fluid supplied to the hydraulic motor.
- both the rotary drive and the feed drive are hydraulic drives.
- the amount of the pressure medium supplied to the feed drive in particular the hydraulic fluid supplied to the feed drive, is changed.
- the feed force of the pressure of the feed drive supplied pressure medium in particular of the feed drive hydraulic fluid is changed.
- the preset value for limiting the feed force before the start of a wellbore is set, preferably to a value in the range between 20% and 40%.
- the desired value of the torque is preset to a value in the range of 70% to 90% of the torque generated by the rotary drive for rotating the drill string.
- a second aspect of the invention relates to a drilling rig for generating or expanding a ground hole in the ground, preferably according to the method with the features of claim 1 or a previously described development of this method.
- the drilling rig has a feed drive which applies a feed force to a drill string and moves a drilling and / or expansion tool connected to the drill string in the direction of the longitudinal axis of the drill string through the soil.
- the drilling rig has a rotary drive which applies a rotational force to the drill string and generates a torque for rotating the drill string and the associated drilling and / or expansion tool about the longitudinal axis of the drill string.
- the drilling rig further has a control unit which controls the feed drive such that the feed force exerted by the feed drive on the drill string in the direction of its longitudinal axis is limited to a preset value.
- a drilling rig 10 is shown for controlled drilling of a pilot bore.
- Drill rig 10 operates on a horizontal boring process, also referred to as Horizontal Directional Drilling (HDD).
- a horizontal drilling rig available under the trade name Terra-Jet is used for this purpose.
- Such a horizontal drilling rig is for example from the document DE 101 15 233 A1 known.
- a linkage 14 composed of a plurality of linkage sections 13 is introduced into the ground 18 in the direction of the arrow P0 by means of a horizontal boring device 12 at a starting point 16 with a drill head 20 arranged at the end of the linkage 14 remote from the horizontal boring device 12.
- the horizontal boring device 12 introduces flushing fluid into the hollow boom 14 at high pressure.
- the rinsing liquid exits the drill head 20 at high pressure. Due to the high pressure and hard metal teeth of the drill head 20, a borehole is cut into the ground 18.
- the drill head 20 is asymmetrically flattened at its front end and is continuously rotated by means of the rod 14 for producing a straight borehole. In a desired lateral movement, upward movement or downward movement of the drill head 20 is stopped in a suitable movement for this desired position and not rotated further, so that due to the asymmetrical flattened shape of the front end of the drill head 20, a corresponding deflection movement of the drill head 20 in the ground 18 takes place ,
- FIG. 1B shows a detail view of the end of the linkage 14 remote from the horizontal boring device 12 together with the boring head 20.
- an electronic probe is arranged, which can be located with the help of a corresponding locating device at any time from the earth's surface, so that the position of the drill head 20 in the ground 18 can be exactly determined at any time.
- the trajectory of the drill head 20, and thus the bore of the pilot bore is simply controlled by controlled stopping of the rotation of the drill head 20 via the linkage 14 so that the control surface of the drill head 20 is brought into a position required for the desired movement. Even after the targeted stopping of the rotation of the drill head 20 flushing fluid is further passed through the linkage 14 and the drill head 20 further driven by the linkage, so that the drilling operation of the desired course of the borehole is continued by means of the rinsing liquid and the propulsion of the drill head 20.
- HDPE pipes are made of high density polyethylene, this high density polyethylene being a high density thermoplastic so that the pipes made of HDPE have high toughness and rigidity, very good chemical resistance, good sliding properties, low density Moisture absorption, very good processing properties, are very good weldable and are physiologically harmless.
- tubes 26 may be drawn in from other materials, in particular metal.
- the horizontal drilling unit 12 generates the pulling force required for the expansion process on the linkage 14 and also passes rinsing fluid to the expansion head 24.
- the rinsing fluid supports at least the expansion of the pilot hole and also serves to drain and discharge the excess soil dissolved in the expansion process 18.
- At least part of the soil 18 contacted by the expansion tool 24 during the expansion process must be removed from the scree and rock. This can be done in particular by the annular gap between the already designated as a bore channel area of the pilot hole and the retracted tube 26 done.
- the rinsing fluid introduced into the annular gap also reduces the skin friction between the tube 26 and the drilling channel.
- the widening tool 24 has a centering region 25, which is arranged upstream relative to the widening region 31 of the widening tool 24 in the direction of movement of the widening tool 24 and substantially corresponds to the diameter of the widened opening.
- the expansion tool 24 has a large support surface via the centering region 25, via which a counterforce to the transverse forces acting on the widening region 31 transversely to the movement direction P1 can be provided.
- a deflection of the expansion tool 24 is effectively avoided in a simple manner, so that the pilot bore or a passage opening already present in the ground 18 can be widened centrally by means of the expansion tool 24 according to the invention.
- the new pipe 26 to be laid in this case an HDPE pipe, is used.
- two or more expansion tools 24 in succession up to a diameter of 1000 mm.
- tubes 26 are retracted to a diameter of 800 mm or a tube bundle of several tubes.
- a rinsing liquid water with Betonit or Ejactomer can be used.
- Such rinsing fluids stabilize the drill channel, reduce the friction between drill pipe 14 and soil 18 and the friction between the pipe 26 to be recovered and the soil 18. Further, 18 is conveyed out through the already partially retracted pipe 26 from the drilling channel using the rinsing liquid soil.
- FIG. 1D shows an enlarged section of the in Figure 1C In this section, the remote from the horizontal drilling 12 end of the linkage 14, the expansion head 24 and the already partially retracted into the ground 18 tube 26 are shown. If the drill head 20 or the expander head 24 is pulled too strongly against solid earth, rock or rock, then cutting of the drill head 20 or the expander head 24 can be pulled against the earth 18 with such a force that rotation of the drill head 20 or expander head 24 is not possible even with the producible with the horizontal boring machine 12 maximum torque. In order to prevent this, a limitation of the maximum feed force to a preset limit occurs in this embodiment.
- the feed force generated by a feed drive is preferably determined and compared with the preset limit value. The comparison is preferably carried out by a control unit, in particular a programmable logic controller (SPS) of the horizontal boring machine 12.
- SPS programmable logic controller
- the horizontal boring machine 12 preferably has a rotary drive for rotating the linkage 14 and the advancing drive for moving the linkage 14 along its longitudinal axis through the ground 18 together with the end of the linkage 14 remote from the advancing drive with the boring head 20 or expander head 24 connected thereto.
- FIG. 2 show a block diagram of a in a control unit 29 of the horizontal drilling 12 after the Fig.1A to 1D implemented control algorithm for controlling a feed drive of the drilling rig 10 and the horizontal drilling 12.
- the rotary drive is a hydraulic drive.
- a pressure sensor 34 With the aid of a pressure sensor 34, the pressure of the hydraulic fluid of the hydraulic drive supplied to the hydraulic fluid is determined. From this pressure can directly the driving force and the am Linkage 14 acting torque M is to be determined.
- the rotational speed of the linkage 14 can be determined with the aid of a corresponding rotational speed sensor 36 of the horizontal device 12. Is the actual value of the torque M a comparator 28 is supplied, which is this actual value M with a preset and stored in the control unit 29 of the horizontal drill 12 set value M soll.
- the comparator 28 determines from the difference between the actual value M ist and the setpoint value M soll a control deviation. Starting from this control deviation, the controller 30 outputs control signals for the feed rate and the feed force and, if necessary, changes the feed direction. These actuating signals are used as manipulated variables for controlling the feed drive.
- the feed force can be easily adjusted by the pressure of the hydraulic fluid supplied to the hydraulic drive and the feed rate by the amount of hydraulic fluid supplied to the feed drive.
- a hydraulic unit for providing the hydraulic fluid for the hydraulic drive is then given a predetermined pressure starting from the feed force predetermined by the controller 30 and starting from the feed rate predetermined by the controller 30 a flow, ie the amount of hydraulic fluid delivered by the hydraulic unit in a predetermined time.
- a maximum value for the feed force F max can also be preset.
- the controller 30 limits the setting signal of the feed force to this value F max .
- a further control loop for controlling the feed force can be provided when the controller 30 for controlling the torque outputs the preset maximum value F max of the feed force as a control signal. The other controller then ensures that the feed force is also in itself changing soil condition is kept constant at the preset maximum value of the feed force.
- the actual value of the torque M ist increases and exceeds the setpoint value M soll .
- the feed speed and the feed force are reduced. This is done relatively quickly, preferably in a period between 1 ms and 100 ms, to prevent the linkage 14 from being blocked and the drill head 20 and linkage 14 from being able to be further rotated. Also can be rotated by reducing the feed rate and the feed force a blocked linkage 14 again. Depending on the determined deviation of the actual value at the rise of the torque M is carried out a large reduction of the feed rate and the feed force, which then again slowly through the controller 30, for example over a period of 0.3 to 10 s is increased again.
- the increase and reduction of the feed force and feed rate can be carried out continuously and / or stepwise.
- FIG. 3 shows a flow chart for adjusting the feed force and feed rate when creating a pilot hole or when expanding a hole by means of the horizontal drilling rig 12.
- the process is started in step S10.
- a target value M soll of the torque is preset. This is done by an operator depending on the expected on the drilling distance composition and type of soil 18. For example, the target value M soll of the torque is preset to 80% of the maximum torque generated by the horizontal drilling rig 12.
- an operator a value for the maximum allowable feed force F max of the feed drive preset.
- the feed force must be used in particular for the expansion of a well bore and the simultaneous insertion of a new pipe 26, the pipe 26 through the widened opening in the ground 18 pull.
- the maximum feed force is preset as a starting value to, for example, 20% of the feed force that can be generated by means of the feed drive.
- Both the preset target value M soll of the torque and the value F max of the maximum permissible feed force can be changed at any time during operation of the horizontal boring device 12 by an operator if necessary.
- the steps S12 and S14 can also be exchanged or conventional setting values can already be preset in the control unit 29 so that they only have to be changed if necessary.
- the drilling operation is started, wherein the control unit 29 of the horizontal boring machine 12, the rotary drive for rotating the linkage 14 and the feed drive for generating a feed force to Activate feed of the linkage 14.
- the linkage with the arranged at the end of the linkage 14 drill head 20 is pressed into the soil during the manufacture of a pilot hole and in the expansion of a hole in the earth, the expansion head 24 connected to the linkage 14 is pulled by the feed force to the horizontal drill 12.
- step S18 the feed force and the feed speed are then slowly increased. Increasing the feed force and feed rate can be continuous or incremental. However, the feed force is increased only until the feed force has reached the preset maximum value F max .
- step S20 it is then checked in step S20 whether the actual value M ist of the torque, the is generated by the rotary drive for rotating the linkage 14 is greater than the preset target value M soll of the torque. If this is the case, it is then checked in step S22 whether the actual feed rate is less than the preset feed rate or whether the feed has stopped. If the feed rate is less than the predetermined feed rate or if the feed is stopped, then in step S24 the preset value F max of the maximum feed force is increased. This can be done by the control unit 29 stepwise automatically or by an operator. After increasing the maximum value of the feed force, the process proceeds to step S18 where the feed force and the feed speed are further increased.
- step S22 determines whether the feed has not stopped and the feed rate corresponds to the desired feed rate. If this is the case, the process is completed in step S28 and the horizontal drilling rig 12 can be switched off by an operator.
- step S20 If it is determined in step 26 that the drilling operation has not yet been completed, the process continues in step S20. If it is determined in step S20 that the actual value M ist of the torque is equal to or greater than the setpoint value M soll of the torque, then in step S30 the feed force and the feed speed are reduced relatively quickly. The reduction of the feed force and feed rate can be done gradually. After reducing the feed force and feed rate in step S30, it is checked in step S32 whether the linkage 14 is rotated by the rotary drive or whether the linkage 14 is blocked. If the linkage 14 is blocked, the feed drive then moves the linkage 14 in the opposite direction in step S34.
- a drill carriage of the feed drive engaging with the linkage 14 is moved counter to the drilling or expansion direction. Subsequently, the process proceeds to step S32.
- step S36 If it is determined in step S32 that the rotation of the linkage 14 is not blocked, ie that the linkage 14 rotates, it is checked in step S36 whether the actual value M ist of the torque is smaller than a nominal value reduced by the amount x. Value M soll-x of the torque is. If this is the case, the process is continued in step S18 and the feed force and the feed rate are increased. If the actual value M ist of the torque does not fall below the setpoint value M soll-x of the torque reduced by the amount x, then the sequence after step S 36 is continued with step S20.
- Increasing the feed force and feed rate in step S18 is slower than reducing the feed force and the feed rate in step S30.
- the feed force is reduced faster by a factor in the range of 2 to 100 in step S30 than increased in step S18.
- FIG. 4 shows a perspective view of a horizontal auger 300 for producing and / or expansion of a well bore according to a second embodiment.
- the drilling apparatus 300 comprises two end plates 304, 306 delimiting a displacement unit 302, which are connected to one another via connecting elements 308, 310, 312, 314. About these connecting elements 308 to 314, the distance between the end plates 304, 306 is fixed.
- With the connecting elements 312, 314 support plates 316 to 322 are connected, via which the drill 300 can be supported in a pit or a shaft.
- the support plates 316 to 322 can be pulled out of the open ends of the connecting elements 314, 312 projecting through the end plates 304, 306 and via bolts 324, 326 in different extension stages connectable with the connecting elements 312, 314.
- the end plate 304 has a linkage passage 328, through which a linkage portion of the linkage 14 can be passed.
- Further locking levers 330, 332 are shown, by which a linkage portion of the linkage 14 can be optionally fixed so that it is prevented from rotating, so that the fixed linkage portion can be connected to another linkage section or can be separated from this further linkage section. Additionally or alternatively, by means of the clamping lever 330, 332 a displacement of a linkage section in the advancing direction P2 and opposite to the advancing direction can be prevented.
- a control panel 315 Connected to the connecting element 314 is a control panel 315, by means of which the displacement unit 302 and a hydraulic rotary drive 334 for generating a rotational movement of the boom receptacle 40 can be actuated.
- the rotary drive 334 is fixedly connected to the carriage 38.
- a transmission chain (not shown) arranged in the carriage 38 is provided.
- the displacement unit 302 has two cylinder assemblies 336, 338, which serve as a feed drive.
- the first cylinder assembly 336 has a first cylinder 340 with a first cylinder housing 342 and a first piston rod 344. Further, the first cylinder assembly 336 has a second cylinder 346 having a second cylinder housing 348 and a second piston rod 350.
- the second cylinder assembly 338 has a first cylinder 352 with a first cylinder housing 354 and a first piston rod 356. Further, the second cylinder assembly 338 includes a second cylinder that is in FIG. 4 is obscured by other elements.
- This second cylinder has a second cylinder housing and a second piston rod.
- One end of the piston rods 344, 356 is in each case with the first Face plate 304 firmly connected via a screw.
- the opposite second ends of the piston rods 344, 356 are screwed to the opposite second end plate 306, so that the piston rods 344, 356 serve as guide elements for guiding the displacement movement of the displacement unit 302.
- the face plate 304 facing side of the cylinder housing 342, 352 are connected via a first intermediate plate 364.
- the displacement unit 302 comprises a second intermediate plate 366, which is fixedly connected to the second end plate 306 facing the end of the cylinder housing 354, 342 of the first cylinder 340, 352 of the cylinder assemblies 336, 338. Furthermore, the ends of the piston rods 350, 362, which are fixedly connected to the first intermediate plate 364, are fixedly connected to the second intermediate plate 366 via a respective screw connection.
- the carriage 38 can also be displaced in the advancing direction P2 or in the opposite direction in the case of a displacement movement produced by the second cylinders 346, 358.
- the limiting of the feed force to a preset limit value F max is carried out in the horizontal drilling apparatus 300 in the same manner as in connection with the horizontal drilling apparatus 12 of the first embodiment in conjunction with the FIGS. 1 to 3 has been described.
- the horizontal drilling device 300 has a control unit 29.
- the feed drive for generating the feed motion of the drill string may also include a rack drive or other suitable drive.
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Vorschubantriebs einer Bohranlage zum Erzeugen oder Aufweiten einer Erdbohrung im Erdreich, bei dem ein mit dem Bohr- und/oder Aufweitwerkzeug verbundenes Bohrgestänge mit Hilfe eines Drehantriebs um seine Längsachse gedreht und mit Hilfe des Vorschubantriebs in Richtung seiner Längsachse durch das Erdreich bewegt wird. Die durch den Vorschubantrieb auf das Bohrgestänge in Richtung seiner Längsachse ausgeübte Vorschubkraft wird auf einen voreingestellten Wert begrenzt. Ferner betrifft die Erfindung eine Bohranlage zum Erzeugen oder Aufweiten einer Erdbohrung im Erdreich.The invention relates to a method for controlling a feed drive of a drilling rig for generating or expanding a ground hole in the ground, wherein a drill pipe connected to the drilling and / or expansion tool is rotated about its longitudinal axis by means of a rotary drive and with the aid of the feed drive in the direction of its longitudinal axis is moved through the soil. The force exerted by the feed drive on the drill string in the direction of its longitudinal axis feed force is limited to a preset value. Furthermore, the invention relates to a drilling rig for generating or expanding a hole in the ground.
Aus dem Dokument
Bei bekannten steuerbaren Horizontalbohranlagen, wie sie beispielsweise aus dem Dokument
Jedoch erfolgt sowohl das Bohren einer Pilotbohrung mit Hilfe eines Bohrwerkzeugs als auch das Aufweiten der Pilotbohrung bzw. das Aufweiten einer bereits im Erdreich vorhandenen Öffnung im Stand der Technik immer mit der maximalen Einzugskraft. Je nach Untergrund kann dies dazu führen, dass die Hartmetallzähne eines Bohrwerkzeugs oder eines Aufweitwerkzeugs so ins Erdreich oder in Fels gedrückt oder gezogen werden, dass sie sich im Erdreich bzw. Fels verhaken. Dadurch kann sich das Bohrwerkzeug bzw. der Aufweitkopf nicht weiterdrehen und bleibt stehen.However, both the drilling of a pilot hole by means of a drilling tool and the widening of the pilot hole or the widening of an opening already present in the ground in the prior art always takes place with the maximum retraction force. Depending on the substrate, this can lead to the carbide teeth of a drilling tool or a widening tool so pressed into the ground or in rock or pulled that they get caught in the soil or rock. As a result, the drilling tool or the expander head can not continue to turn and stops.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Bohranlage zum Erzeugen oder Aufweiten einer Erdbohrung im Erdreich sowie ein Verfahren zur Steuerung eines Vorschubantriebs der Bohranlage anzugeben, durch die eine Erdbohrung sowie das Aufweiten einer Erdbohrung einfach und effizient möglich ist.It is an object of the invention to provide a drilling rig for generating or expanding a ground hole in the ground and a method for controlling a feed drive of the drilling rig, through which a hole in the earth and the expansion of a hole is easy and efficient.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Bohranlage mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a method having the features of
Bei dem Verfahren zur Steuerung des Vorschubantriebs einer Bohranlage zum Erzeugen oder Aufweiten einer Erdbohrung im Erdreich wird ein mit einem Bohr- und/oder Aufweitwerkzeug verbundenes Bohrgestänge mit Hilfe eines Drehantriebs der Bohranlage um seine Längsachse gedreht und mit Hilfe des Vorschubantriebs in Richtung seiner Längsachse durch das Erdbereich bewegt. Ferner wird die durch den Vorschubantrieb auf das Bohrgestänge in Richtung seiner Längsachse ausgeübte Vorschubkraft auf einen voreingestellten Wert begrenzt. Der Vorschubantrieb ist vorzugsweise eine Vorschubantriebseinheit, die eine translatorische Antriebsbewegung des Bohrgestänges erzeugt. Dabei wird das Bohr- und/oder Aufweitwerkzeug entweder vom Vorschubantrieb weg in das Erdreich gedrückt oder zum Vorschubantrieb hin durch das Erdreich gezogen. Vorzugsweise ist das Bohr- und/oder Aufweitwerkzeug zumindest in einer Drehrichtung an dem vom Vorschubantrieb entfernten Ende des Bohrgestänges drehfest mit diesem verbunden.In the method for controlling the feed drive of a drilling rig for generating or expanding a ground hole in the ground, a drill string connected to a drilling and / or expansion tool is rotated about its longitudinal axis by means of a rotary drive of the drilling rig and by means of the feed drive in the direction of its longitudinal axis through the Earth area moves. Furthermore, the feed force exerted by the feed drive on the drill string in the direction of its longitudinal axis is limited to a preset value. The feed drive is preferably a feed drive unit which generates a translatory drive movement of the drill string. The drilling and / or expansion tool is either pushed away from the feed drive into the soil or pulled towards the feed drive through the soil. Preferably, the drilling and / or expansion tool is at least in a rotational direction at the remote from the feed drive end of the drill string rotatably connected thereto.
Durch ein solches Verfahren zur Steuerung des Vorschubantriebs wird verhindert, dass das Bohrwerkzeug oder das Aufweitwerkzeug mit einer zu großen Kraft gegen das Erdreich gedrückt wird, wobei insbesondere eine Blockade des Bohrwerkzeugs aufgrund zu großer Vorschubkraft verhindert wird. Durch eine geeignete Beschränkung der Vorschubkraft wird sichergestellt, dass ein abruptes Verhaken von Schneidelementen des Bohr- und/oder Aufweitwerkzeugs mit dem Erdreich verhindert wird, wodurch eine durch eine solche Blockierung des Bohr- und/oder Aufweitwerkzeugs bewirkte Unterbrechung des Bohrvorgangs sowie extreme Belastungen des Bohrgestänges und des Bohrwerkzeugs vermieden werden.Such a method for controlling the feed drive prevents the drilling tool or the expansion tool is pressed with a large force against the ground, in particular a blockage of the drilling tool is prevented due to excessive feed force. By a suitable restriction of the feed force is ensured that an abrupt snagging of cutting elements of the drilling and / or Aufweitwerkzeugs is prevented with the soil, thereby causing such a blockage of the drilling and / or Aufweitwerkzeugs interruption of the drilling process and extreme loads on the drill string and the drilling tool can be avoided.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Vorschubkraft als Ist-Wert ermittelt wird und wenn der ermittelte Ist-Wert mit einem voreingestellten Soll-Wert verglichen wird. Beim Erreichen und/oder Überschreiten des voreingestellten Soll-Werts wird die durch den Vorschubantrieb auf das Bohrgestänge ausgeübte Vorschubkraft reduziert. Vorzugsweise wird der Betrag der Vorschubkraft als Ist-Wert ermittelt und mit dem voreingestellten Soll-Wert verglichen. Hierdurch ist eine einfache und sichere Überwachung und Begrenzung der Vorschubkraft möglich.Furthermore, it is advantageous if the feed force is determined as the actual value and if the determined actual value is compared with a preset desired value. Upon reaching and / or exceeding the preset target value, the feed force exerted by the feed drive on the drill string is reduced. Preferably, the amount of the feed force is determined as the actual value and compared with the preset target value. As a result, a simple and safe monitoring and limiting the feed force is possible.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Vorschubkraft wahlweise derart auf das Bohrgestänge ausgeübt wird, dass das mit dem Bohrgestänge verbundene Bohr- und/oder Aufweitwerkzeug durch die Vorschubkraft von dem Vorschubantrieb weg oder zum Vorschubantrieb hin bewegt wird. Dadurch kann die Bohranlage das Bohr- und/oder Aufweitwerkzeug sowohl vom Vorschubantrieb wegbewegen als auch zum Vorschubantrieb hinbewegen, so dass auf einfache Art und Weise eine Pilotbohrung mit Hilfe eines Bohrwerkzeugs durch das Erdreich hergestellt werden kann und anschließend das Bohrwerkzeug am Ende des Bohrgestänges von diesem getrennt wird und das Ende des Bohrgestänges mit einem Aufweitwerkzeug verbunden wird, wobei das Aufweitwerkzeug dann zum Vorschubantrieb hinbewegt, d.h. durchs Erdreich gezogen, wird.Furthermore, it is advantageous if the feed force is selectively exerted on the drill string in such a way that the drilling and / or expansion tool connected to the drill string is moved away from the feed drive or toward the feed drive by the feed force. As a result, the drilling rig can move the drilling and / or expansion tool both away from the feed drive and move towards the feed drive, so that in a simple manner a pilot hole can be made through the soil using a drilling tool and then the drilling tool at the end of the drill pipe of this is disconnected and the end of the drill string is connected to a Aufweitwerkzeug, the Expansion tool then moved to the feed drive, that is pulled through the soil, is.
Es ist erfindungsgemäß, dass die Vorschubgeschwindigkeit des Bohrgestänges und die auf das Bohrgestänge ausgeübte Vorschubkraft in Abhängigkeit des auf das Bohrgestänge zu dessen Drehung ausgeübten Drehmoments eingestellt werden. Dadurch werden die Vorschubgeschwindigkeit und die
Vorschubkraft als Stellgrößen in einem Regelkreis zur Reglung des Drehmoments genutzt. Es werden die Stellgrößen Vorschubkraft und Vorschubgeschwindigkeit gemeinsam verstellt, bis eine der Stellgrößen einen unteren und/oder oberen voreingestellten Grenzwert erreicht. Anschließend wird nur die andere Stellgröße weiter verstellt. Durch eine Beschränkung der Vorschubkraft auf den voreingestellten Grenzwert wird erreicht, dass auch bei einer Regelung des Drehmoments keine derart große Kraft auf das Bohr- und/oder Aufweitwerkzeug ausgeübt wird, dass dieses stehenbleibt. Insbesondere wird ein Verhaken von Schneiden des Bohr- und/oder Aufweitwerkzeugs mit Steinen oder Fels im Erdreich verhindert.According to the invention, the feed rate of the drill string and the feed force exerted on the drill string are set as a function of the torque exerted on the drill string for its rotation. As a result, the feed rate and the
Feed force used as manipulated variables in a control loop for controlling the torque. The manipulated variables feed force and feed rate are adjusted together until one of the manipulated variables reaches a lower and / or upper preset limit value. Subsequently, only the other control variable is adjusted further. By restricting the feed force to the preset limit value, it is achieved that even with a regulation of the torque, no such great force is exerted on the drilling and / or expanding tool that it stops. In particular, snagging of cutting of the drilling and / or expansion tool with stones or rock in the soil is prevented.
Es ist außerdem erfindungsgemäß, dass das auf das Bohrgestänge zu dessen Drehung ausgeübte Drehmoment als Ist-Wert ermittelt und mit einem voreingestellten Soll-Wert verglichen wird und dass eine Regelabweichung aus der Differenz aus Soll-Wert und Ist-Wert ermittelt wird. Bei einer positiven Regelabweichung werden die Vorschubgeschwindigkeit und die Vorschubkraft reduziert und bei einer negativen Regelabweichung werden die Vorschubgeschwindigkeit und die Vorschubkraft erhöht. Hierdurch erfolgt eine Regelung des Drehmoments, durch die ein einfacher und sicherer Betrieb der Bohranlage möglich ist.It is also according to the invention that the torque exerted on the drill pipe for its rotation is determined as the actual value and compared with a preset desired value and that a control deviation is determined from the difference between the desired value and the actual value. With a positive control deviation, the feed speed and the feed force are reduced and with a negative control deviation, the feed rate and the feed force are increased. As a result, there is a control of the torque, through which a simple and safe operation of the drilling rig is possible.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Vorschubgeschwindigkeit und/oder die Vorschubkraft nur dann geändert werden, wenn der Betrag der Regelabweichung einen voreingestellten Wert überschreitet. Dadurch wird die Regelung vereinfacht und insbesondere ein Ausschwingen des Regelkreises vermieden.It is advantageous if the feed rate and / or the feed force can only be changed if the amount of the control deviation is a preset Value exceeds. As a result, the control is simplified and in particular avoided a decay of the control loop.
Es kann bei einer positiven Regelabweichung die Vorschubkraft solange erhöht werden, bis sie den voreingestellten Wert erreicht hat.With a positive control deviation, the feed force can be increased until it has reached the preset value.
Somit wird nach Erreichen des voreingestellten Werts der Vorschubkraft auch bei einer positiven Regelabweichung die Vorschubkraft nicht weiter erhöht. Doch kann eine Bedienperson den voreingestellten Wert ändern, so dass dann abhängig von der ermittelten Regelabweichung bei einer positiven Regelabweichung die Vorschubkraft weiter bis zum neuen voreingestellten Grenzwert erhöht werden kann.Thus, after reaching the preset value of the feed force, the feed force is not further increased, even with a positive control deviation. However, an operator can change the preset value, so that then, depending on the determined control deviation with a positive control deviation, the feed force can be further increased to the new preset limit.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei einer positiven Regelabweichung die Vorschubkraft und die Vorschubgeschwindigkeit gleichzeitig so lange erhöht werden, bis die Vorschubkraft den voreingestellten Wert erreicht hat. Bei einer negativen Regelabweichung werden die Vorschubkraft und die Vorschubgeschwindigkeit gleichzeitig so lange verringert, bis keine Regelabweichung mehr oder eine positive Regelabweichung festgestellt wird.It is particularly advantageous if, in the case of a positive system deviation, the feed force and the feed rate are simultaneously increased until the feed force has reached the pre-set value. In the case of a negative control deviation, the feed force and the feed rate are reduced simultaneously until no more control deviation or a positive control deviation is detected.
Vorzugsweise wird nach Erreichen des voreingestellten Werts der Vorschubkraft nur noch die Vorschubgeschwindigkeit erhöht, bis diese einen für die Vorschubgeschwindigkeit voreingestellten maximalen Wert erreicht hat. Vorzugsweise dient als Antriebseinheit ein Hydraulikaggregat, wobei am Hydraulikaggregat der vom Hydraulikaggregat erzeugte Druck unabhängig von der vom Hydraulikaggregat geförderten Menge an Hydraulikflüssigkeit eingestellt werden kann. Der vom Hydraulikaggregat erzeugte Druck ist ein Maß für die Vorschubkraft und die vom Hydraulikaggregat geförderte Menge ein Maß für die Vorschubgeschwindigkeit. Dadurch lassen sich am Hydraulikaggregat auf einfache Art und Weise die Vorschubkraft und die Vorschubgeschwindigkeit vorgeben. Die Vorgabe dieser Werte erfolgt insbesondere durch eine Steuereinheit der Bohranlage, die über eine geeignete Schnittstelle mit dem Hydraulikaggregat zur Vorgabe von Soll-Werten für Druck und Menge verbunden ist. Die Steuereinheit ist vorzugsweise eine speicherprogrammierbare Steuerung der Bohranlage.Preferably, only the feed rate is increased after reaching the preset value of the feed force, until it has reached a maximum value preset for the feed rate. The drive unit used is preferably a hydraulic unit, wherein the pressure generated by the hydraulic unit on the hydraulic unit can be adjusted independently of the quantity of hydraulic fluid delivered by the hydraulic unit. The pressure generated by the hydraulic unit is a measure of the feed force and the amount delivered by the hydraulic unit is a measure of the feed rate. As a result, the feed force and the feed rate can be predefined on the hydraulic unit in a simple manner. The specification of these values is carried out in particular by a Control unit of the drilling rig, which is connected via a suitable interface with the hydraulic power unit for the specification of nominal values for pressure and quantity. The control unit is preferably a programmable logic controller of the drilling rig.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der voreingestellte Wert der Vorschubkraft und/oder der voreingestellte Wert der Vorschubgeschwindigkeit über eine Bedieneinheit einstellbar und beim Betrieb der Bohranlage durch eine Bedienperson oder durch eine Vorgabe einer weiteren Steuereinheit oder eines Steueralgorithmus veränderbar ist.It is particularly advantageous if the preset value of the feed force and / or the preset value of the feed rate can be set via an operating unit and changed during operation of the drilling system by an operator or by specifying a further control unit or a control algorithm.
Der Ist-Wert des Drehmoments wird vorzugsweise ausgehend von der auf das Bohrgestänge wirkenden Dreh-Antriebskraft ermittelt. Die Dreh-Antriebskraft kann bei einem hydraulischen Antrieb des Bohrgestänges einfach aufgrund des Drucks der dem Hydraulikmotor zugeführten Hydraulikflüssigkeit ermittelt werden.The actual value of the torque is preferably determined on the basis of the rotary drive force acting on the drill pipe. The rotary drive force can be determined in a hydraulic drive of the drill string simply due to the pressure of the hydraulic fluid supplied to the hydraulic motor.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn sowohl der Drehantrieb als auch der Vorschubantrieb hydraulische Antriebe sind.It is particularly advantageous if both the rotary drive and the feed drive are hydraulic drives.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn zur Änderung der Vorschubgeschwindigkeit die Menge des dem Vorschubantrieb zugeführten Druckmittels, insbesondere der dem Vorschubantrieb zugeführten Hydraulikflüssigkeit, verändert wird. Zur Änderung der Vorschubkraft wird der Druck des dem Vorschubantrieb zugeführten Druckmittels, insbesondere der dem Vorschubantrieb zugeführten Hydraulikflüssigkeit, geändert.Furthermore, it is advantageous if, for changing the feed speed, the amount of the pressure medium supplied to the feed drive, in particular the hydraulic fluid supplied to the feed drive, is changed. To change the feed force of the pressure of the feed drive supplied pressure medium, in particular of the feed drive hydraulic fluid is changed.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der voreingestellte Wert zur Begrenzung der Vorschubkraft vor Beginn einer Erdbohrung abhängig von der zu erwartenden Beschaffenheit des Erdreichs auf einen Wert im Bereich zwischen 20 % und 98 % der durch den Vorschubantrieb erzeugbaren Vorschubkraft eingestellt wird, vorzugsweise auf einen Wert im Bereich zwischen 20 % und 40 %.It is particularly advantageous if the preset value for limiting the feed force before the start of a wellbore, depending on the expected nature of the soil to a value in the range between 20% and 98% of the feed drive producible feed force is set, preferably to a value in the range between 20% and 40%.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Soll-Wert des Drehmoments auf einen Wert im Bereich von 70 % bis 90 % des durch den Drehantrieb erzeugbaren Drehmoments zum Drehen des Bohrgestänges voreingestellt wird.Further, it is advantageous if the desired value of the torque is preset to a value in the range of 70% to 90% of the torque generated by the rotary drive for rotating the drill string.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Bohranlage zum Erzeugen oder Aufweiten einer Erdbohrung im Erdreich, vorzugsweise nach dem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder einer zuvor beschriebenen Weiterbildung dieses Verfahrens. Die Bohranlage hat einen Vorschubantrieb, der eine Vorschubkraft auf ein Bohrgestänge ausübt und ein mit dem Bohrgestänge verbundenes Bohr- und/oder Aufweitwerkzeug in Richtung der Längsachse des Bohrgestänges durch das Erdreich bewegt. Ferner hat die Bohranlage einen Drehantrieb, der eine Rotationskraft auf das Bohrgestänge ausübt und ein Drehmoment zur Drehung des Bohrgestänges und des mit diesem verbundenen Bohr- und/oder Aufweitwerkzeugs um die Längsachse des Bohrgestänges erzeugt. Die Bohranlage hat weiterhin eine Steuereinheit, die den Vorschubantrieb derart steuert, dass die durch den Vorschubantrieb auf das Bohrgestänge in Richtung seiner Längsachse ausgeübte Vorschubkraft auf einen voreingestellten Wert begrenzt wird. Dadurch ist ein einfacher und sicherer kontinuierlicher Betrieb der Bohranlage sowohl zum Einbringen einer Pilotbohrung in das Erdreich mit Hilfe eines Bohrwerkzeugs als auch zum Aufweiten einer Pilotbohrung mit Hilfe eines Aufweitwerkzeugs einfach möglich.A second aspect of the invention relates to a drilling rig for generating or expanding a ground hole in the ground, preferably according to the method with the features of
Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, die die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den beigefügten Figuren näher erläutert.Further features and advantages will become apparent from the following description, which illustrates the invention with reference to embodiments in conjunction with the accompanying figures.
Es zeigen:
- Figur 1A
- eine schematische Darstellung einer Bohranlage zum gesteuerten Bohren einer Pilotbohrung, mit der eine Durchgangsöffnung im Erdreich erzeugt wird, die nachfolgend mithilfe eines Aufweitwerkzeugs aufweitbar ist;
- Figur 1B
- einen vergrößerten Ausschnitt der Bohranlage nach
Figur 1A , wobei der Bohrkopf zum Erzeugen der Pilotbohrung dargestellt ist; - Figur 1C
- eine schematische Darstellung einer Bohranlage zum Aufweiten der mit der Bohranlage nach
Figur 1A erzeugten Pilotbohrung mithilfe eines Aufweitwerkzeugs; - Figur 1D
- einen vergrößerten Ausschnitt der Bohranlage nach
Figur 1C , wobei das Aufweitwerkzeug zum Aufweiten der Pilotbohrung dargestellt ist; - Figur 2
- das Blockschaltbild eines Regelkreises zur Steuerung der Bohranlage nach den
Figuren 1A bis 1D ; - Figur 3
- einen Ablaufplan der Steuerung eines Drehantriebs der Bohranlage zum Drehen eines Gestänges und eines Vorschubantriebs zum Vorschub des Gestänges;
- Figur 4
- ein Bohrgerät gemäß einer zweiten Ausführungsform.
- Figure 1A
- a schematic representation of a drilling rig for controlled drilling a pilot hole, with which a passage opening in the soil is produced, which is subsequently expandable by means of a Aufweitwerkzeugs;
- FIG. 1B
- an enlarged section of the drill after
Figure 1A wherein the drill head is shown for generating the pilot hole; - Figure 1C
- a schematic representation of a drilling rig for expanding with the drilling rig after
Figure 1A created pilot hole using a flaring tool; - FIG. 1D
- an enlarged section of the drill after
Figure 1C wherein the expansion tool for expanding the pilot hole is shown; - FIG. 2
- the block diagram of a control loop for controlling the drilling rig after the
Figures 1A to 1D ; - FIG. 3
- a flow chart of the control of a rotary drive of the drilling rig for rotating a linkage and a feed drive for advancing the linkage;
- FIG. 4
- a drill according to a second embodiment.
In
Der Bohrkopf 20 ist an seinem vorderen Ende asymmetrisch abgeflacht und wird mithilfe des Gestänges 14 zum Erzeugen eines geraden Bohrlochs kontinuierlich gedreht. Bei einer gewünschten seitlichen Bewegung, Aufwärtsbewegung oder Abwärtsbewegung wird der Bohrkopf 20 in einer für diese gewünschte Bewegung geeigneten Position angehalten und nicht weiter gedreht, so dass aufgrund der asymmetrisch abgeflachten Form des vorderen Endes des Bohrkopfs 20 eine entsprechende Ablenkbewegung des Bohrkopfs 20 im Erdreich 18 erfolgt. In
Die Bewegungsbahn des Bohrkopfs 20 und damit der Verlauf des Bohrlochs der Pilotbohrung wird einfach durch kontrolliertes Stoppen der Drehung des Bohrkopfs 20 über das Gestänge 14 gesteuert, so dass die Steuerfläche des Bohrkopfs 20 in eine für die gewünschte Bewegung erforderliche Stellung gebracht wird. Auch nach dem gezielten Stoppen der Drehung des Bohrkopfs 20 wird weiterhin Spülflüssigkeit durch das Gestänge 14 geleitet und der Bohrkopf 20 weiter über das Gestänge vorangetrieben, so dass mithilfe der Spülflüssigkeit und des Vortriebs des Bohrkopfs 20 der Bohrvorgang des gewünschten Verlaufs des Bohrlochs fortgesetzt wird.The trajectory of the
Nach Erreichen des Zielpunkts 22, der beispielsweise in einer Zielgrube vorgesehen ist, wird der Bohrkopf 20 durch einen Aufweitkopf 24 ersetzt, der beim Zurückziehen des Gestänges 14 die zuvor erzeugte Pilotbohrung aufweitet und gleichzeitig ein HDPE-Rohr 26 einzieht, wie dies in den
Das Horizontalbohrgerät 12 erzeugt die für den Aufweitvorgang erforderliche Zugkraft am Gestänge 14 und leitet weiterhin Spülflüssigkeit zum Aufweitkopf 24. Die Spülflüssigkeit unterstützt zumindest das Aufweiten der Pilotbohrung und dient ferner zum Ableiten und Austragen des beim Aufweitvorgang gelösten überschüssigen Erdreichs 18. Insbesondere bei steinigem Erdreich 18, Geröll und Fels muss zumindest ein Teil des mithilfe des Aufweitwerkzeugs 24 beim Aufweitvorgang kontaktierten Erdreichs 18 abgeleitet werden. Dies kann insbesondere durch den Ringspalt zwischen dem als Bohrkanal bezeichneten bereits aufgeweiteten Bereich der Pilotbohrung und dem eingezogenen Rohr 26 erfolgen. Die in den Ringspalt eingebrachte Spülflüssigkeit verringert auch die Mantelreibung zwischen dem Rohr 26 und dem Bohrkanal.The
Zur Vermeidung einer nicht zentrischen Aufweitung der Pilotbohrung, insbesondere in Folge einer Ablenkung des Aufweitwerkzeugs 24 durch inhomogenes Erdreich, hat das Aufweitwerkzeug 24 einen Zentrierbereich 25, der in Bezug auf den Aufweitbereich 31 des Aufweitwerkzeugs 24 in Bewegungsrichtung des Aufweitwerkzeugs 24 stromaufwärts angeordnet ist und im Wesentlichen dem Durchmesser der aufgeweiteten Öffnung entspricht. Dadurch hat das Aufweitwerkzeug 24 über den Zentrierbereich 25 eine große Abstützfläche, über die eine Gegenkraft zu den auf den Aufweitbereich 31 quer zur Bewegungsrichtung P1 wirkenden Querkräfte bereitgestellt werden kann. Dadurch wird eine Ablenkung des Aufweitwerkzeugs 24 auf einfache Art und Weise wirkungsvoll vermieden, so dass die Pilotbohrung bzw. eine bereits im Erdreich 18 vorhandene Durchgangsöffnung mithilfe des erfindungsgemäßen Aufweitwerkzeugs 24 zentrisch aufgeweitet werden kann.To avoid non-centric widening of the pilot bore, in particular due to deflection of the widening
Gleichzeitig mit dem Aufweitvorgang wird das neu zu verlegende Rohr 26, im vorliegenden Fall ein HDPE-Rohr, eingesetzt. Je nach Untergrund können auch zwei oder mehr Aufweitwerkzeuge 24 nacheinander mit bis zu einem Durchmesser von 1000 mm eingesetzt werden. Üblicherweise werden dann Rohre 26 bis zu einem Durchmesser von 800 mm oder ein Rohrbündel aus mehreren Rohren eingezogen. Als Spülflüssigkeit kann Wasser mit Betonit oder Ejactomer eingesetzt werden. Solche Spülflüssigkeiten stabilisieren den Bohrkanal, vermindern die Reibung zwischen Bohrgestänge 14 und Erdreich 18 sowie die Reibung zwischen dem einzuziehenden Rohr 26 und dem Erdreich 18. Ferner wird mithilfe der Spülflüssigkeit Erdreich 18 durch das bereits zum Teil eingezogene Rohr 26 aus dem Bohrkanal herausgefördert.Simultaneously with the expansion process, the
Das Horizontalbohrgerät 12 hat vorzugsweise einen Drehantrieb zum Drehen des Gestänges 14 und den Vorschubantrieb zum Bewegen des Gestänges 14 entlang seiner Längsachse durch das Erdreich 18 zusammen mit dem an dem vom Vorschubantrieb entfernten Ende des Gestänges 14 mit diesem verbundenen Bohrkopf 20 oder Aufweitkopf 24.The horizontal
Trifft der Bohrkopf 20 oder der Aufweitkopf 24 auf ein Hindernis, so steigt der Ist-Wert des Drehmoments Mist an und übersteigt den Soll-Wert Msoll. Daraufhin werden die Vorschubgeschwindigkeit und die Vorschubkraft reduziert. Dies erfolgt relativ schnell, vorzugsweise in einem Zeitraum zwischen 1 ms und 100 ms, um zu verhindern, dass das Gestänge 14 blockiert und der Bohrkopf 20 sowie das Gestänge 14 nicht weitergedreht werden können. Auch kann durch eine Reduzierung der Vorschubgeschwindigkeit und der Vorschubkraft ein blockiertes Gestänge 14 wieder gedreht werden. Abhängig von der ermittelten Regelabweichung beim Anstieg des IstWerts Mist des Drehmoments erfolgt eine große Reduzierung der Vorschubgeschwindigkeit und der Vorschubkraft, die dann durch den Regler 30 wieder langsam, beispielsweise in einem Zeitraum von 0,3 bis 10 s wieder erhöht wird. Die Reduzierung bei einem Stillstand des Gestänges 14, d.h. beim Blockieren des Gestänges 14, erfolgt beispielsweise auf 15 % der voreingestellten Maximalwerte für Vorschubkraft und Vorschubgeschwindigkeit. Die Erhöhung und Reduzierung der Vorschubkraft und Vorschubgeschwindigkeit können dabei kontinuierlich und/oder schrittweise erfolgen.If the
Nachdem der Soll-Wert Msoll für das Drehmoment und der Wert Fmax für die maximal zulässige Vorschubkraft voreingestellt sind, wird der Bohrvorgang gestartet, wobei die Steuereinheit 29 des Horizontalbohrgeräts 12 den Drehantrieb zum Drehen des Gestänges 14 und den Vorschubantrieb zum Erzeugen einer Vorschubkraft zum Vorschub des Gestänges 14 aktivieren. Mit Hilfe der Vorschubkraft wird beim Herstellen einer Pilotbohrung das Gestänge mit dem am Ende des Gestänges 14 angeordneten Bohrkopf 20 ins Erdreich hinein gedrückt und bei dem Aufweiten einer Erdbohrung wird der mit dem Gestänge 14 verbundene Aufweitkopf 24 durch die Vorschubkraft zum Horizontalbohrgerät 12 gezogen.After the set value M soll for the torque and the value F max for the maximum allowable feed force are preset, the drilling operation is started, wherein the
Im Schritt S18 werden dann die Vorschubkraft und die Vorschubgeschwindigkeit langsam erhöht. Das Erhöhen der Vorschubkraft und Vorschubgeschwindigkeit kann kontinuierlich oder schrittweise erfolgen. Jedoch wird die Vorschubkraft nur so lange erhöht, bis die Vorschubkraft den voreingestellten Maximalwert Fmax erreicht hat. Nach dem Erhöhen der Vorschubkraft und Vorschubgeschwindigkeit im Schritt S18 wird anschließend im Schritt S20 geprüft, ob der Ist-Wert Mist des Drehmoments, das durch den Drehantrieb zum Drehen des Gestänges 14 erzeugt wird, größer ist als der voreingestellte Soll-Wert Msoll des Drehmoments. Ist das der Fall, so wird anschließend im Schritt S22 überprüft, ob die tatsächliche Vorschubgeschwindigkeit kleiner als die voreingestellte Vorschubgeschwindigkeit ist oder ob der Vorschub gestoppt hat. Ist die Vorschubgeschwindigkeit kleiner als die vorgegebene Vorschubgeschwindigkeit oder ist der Vorschub gestoppt, so wird anschließend im Schritt S24 der voreingestellte Wert Fmax der maximalen Vorschubkraft erhöht. Dies kann durch die Steuereinheit 29 schrittweise automatisch oder durch eine Bedienperson erfolgen. Nach dem Erhöhen des Maximalwerts der Vorschubkraft wird der Ablauf im Schritt S18 fortgesetzt, in dem die Vorschubkraft und die Vorschubgeschwindigkeit weiter erhöht werden.In step S18, the feed force and the feed speed are then slowly increased. Increasing the feed force and feed rate can be continuous or incremental. However, the feed force is increased only until the feed force has reached the preset maximum value F max . After increasing the feed force and feed rate in step S18, it is then checked in step S20 whether the actual value M ist of the torque, the is generated by the rotary drive for rotating the
Wird im Schritt S22 jedoch festgestellt, dass der Vorschub nicht gestoppt hat und die Vorschubgeschwindigkeit der gewünschten Vorschubgeschwindigkeit entspricht, so wird im Schritt S26 geprüft, ob der Bohr- oder Aufweitvorgang abgeschlossen ist. Ist dies der Fall, so ist der Ablauf im Schritt S28 beendet und die Horizontalbohranlage 12 kann durch eine Bedienperson abgeschaltet werden.However, if it is determined in step S22 that the feed has not stopped and the feed rate corresponds to the desired feed rate, it is checked in step S26 whether the drilling or expanding operation is completed. If this is the case, the process is completed in step S28 and the
Wird im Schritt 26 festgestellt, dass der Bohrvorgang noch nicht abgeschlossen ist, so wird der Ablauf im Schritt S20 fortgesetzt. Wird im Schritt S20 festgestellt, dass der Ist-Wert Mist des Drehmoments gleich oder größer dem Soll-Wert Msoll des Drehmoments ist, so werden anschließend im Schritt S30 die Vorschubkraft und die Vorschubgeschwindigkeit relativ schnell reduziert. Das Reduzieren der Vorschubkraft und Vorschubgeschwindigkeit kann dabei schrittweise erfolgen. Nach dem Reduzieren der Vorschubkraft und Vorschubgeschwindigkeit im Schritt S30 wird im Schritt S32 überprüft, ob das Gestänge 14 durch den Drehantrieb gedreht wird oder ob das Gestänge 14 blockiert ist. Ist das Gestänge 14 blockiert, so bewegt der Vorschubantrieb das Gestänge 14 anschließend im Schritt S34 in die entgegengesetzte Richtung.If it is determined in
Hierzu wird insbesondere ein mit dem Gestänge 14 in Eingriff stehender Bohrschlitten des Vorschubantriebs entgegen der Bohr- bzw. Aufweitrichtung bewegt. Anschließend wird der Ablauf im Schritt S32 fortgesetzt.For this purpose, in particular, a drill carriage of the feed drive engaging with the
Wird im Schritt S32 festgestellt, dass das Drehen des Gestänges 14 nicht blockiert ist, d.h. dass sich das Gestänge 14 dreht, so wird im Schritt S36 geprüft, ob der Ist-Wert Mist des Drehmoments kleiner als ein um den Betrag x reduzierter Soll-Wert Msoll-x des Drehmoments ist. Ist dies der Fall, so wird der Ablauf im Schritt S18 fortgesetzt und die Vorschubkraft und die Vorschubgeschwindigkeit werden erhöht. Unterschreitet der Ist-Wert Mist des Drehmoments nicht den um den Betrag x reduzierten Soll-Wert Msoll-x des Drehmoments, so wird der Ablauf nach dem Schritt S36 mit Schritt S20 fortgesetzt.If it is determined in step S32 that the rotation of the
Das Erhöhen der Vorschubkraft und Vorschubgeschwindigkeit im Schritt S18 erfolgt langsamer als das Reduzieren der Vorschubkraft und der Vorschubgeschwindigkeit im Schritt S30. Beispielsweise wird die Vorschubkraft um einen Faktor im Bereich von 2 bis 100 im Schritt S30 schneller reduziert als im Schritt S18 erhöht.Increasing the feed force and feed rate in step S18 is slower than reducing the feed force and the feed rate in step S30. For example, the feed force is reduced faster by a factor in the range of 2 to 100 in step S30 than increased in step S18.
Mit dem Verbindungselement 314 ist ein Bedienpult 315 verbunden, mit dessen Hilfe die Verschiebeeinheit 302 sowie ein hydraulischer Drehantrieb 334 zum Erzeugen einer Drehbewegung der Gestängeaufnahme 40 angesteuert werden kann. Der Drehantrieb 334 ist fest mit dem Schlitten 38 verbunden. Zur Kraftübertrag zwischen dem Drehantreib 334 und der Gestängeaufnahme 40 ist eine im Schlittens 38 angeordnete Übertragungskette (nicht dargestellt) vorgesehen.Connected to the connecting
Die Verschiebeeinheit 302 hat zwei Zylinderanordnungen 336, 338, die als Vorschubantrieb dienen. Die erste Zylinderanordnung 336 hat einen ersten Zylinder 340 mit einem ersten Zylindergehäuse 342 und einer ersten Kolbenstange 344. Ferner hat die erste Zylinderanordnung 336 einen zweiten Zylinder 346, der ein zweites Zylindergehäuse 348 und eine zweite Kolbenstange 350 hat.The
Die zweite Zylinderanordnung 338 hat einen ersten Zylinder 352 mit einem ersten Zylindergehäuse 354 und einer ersten Kolbenstange 356. Ferner umfasst die zweite Zylinderanordnung 338 einen zweiten Zylinder, der in
Der Schlitten 38 kann bei einer durch die zweiten Zylinder 346, 358 erzeugten Verschiebebewegung ebenfalls in Vortriebsrichtung P2 bzw. in entgegengesetzter Richtung verschoben werden.The
Die Begrenzung der Vorschubkraft auf einen voreingestellten Grenzwert Fmax erfolgt bei dem Horizontalbohrgerät 300 in gleicher Weise wie dies in Verbindung mit dem Horizontalbohrgerät 12 der ersten Ausführungsform in Verbindung mit den
Bei alternativen Bohrgeräten kann der Vorschubantrieb zum Erzeugen der Vorschubbewegung des Bohrgestänges auch einen Zahnstangenantrieb oder einen anderen geeigneten Antrieb umfassen.In alternative drilling rigs, the feed drive for generating the feed motion of the drill string may also include a rack drive or other suitable drive.
Claims (12)
- A method for controlling a feed drive of a drilling system for producing or enlarging a borehole in the ground,
in which system a drill pipe (14) connected with a drilling and/or enlarging tool (20, 24) are rotated about a longitudinal axis by means of a rotary drive (334) and moved by means of a feed drive (336, 338) in the direction of its longitudinal axis through the ground (18), wherein an upper limit value (Fmax) for the feed force exerted by the feed drive (336, 338) onto the drill pipe (14) in the direction of its longitudinal axis and an upper limit value for the feed rate are preset,
in which the torque exerted onto the drill pipe (14) for its rotation is detected as an actual value (Mist),
in which the detected actual value (Mist) is compared by means of a control unit (29) with a preset target value (Msoll) and
in which by means of the control unit (29) a control deviation is calculated from the difference between the target value (Msoll) and the actual value (Mist),
characterized in that the control unit (29) controls the feed drive (336, 338) such that in the case of a negative control deviation the feed force and the feed rate are reduced together as regulating variables, and that in the case of a positive control deviation the feed force and feed rate are increased together as regulating variables, until one of the regulating variables reaches a preset upper limit value, wherein subsequently only the other regulating variable is further adjusted. - The method according to claim 1, characterized in that the feed force is determined as an actual value, that the determined actual value is compared to the limit value (Fmax) preset for the feed force, and that the feed force exerted by the feed drive (336, 338) onto the drill pipe (14) is reduced when the preset limit value (Fmax) is reached and/or exceeded.
- The method according to one of the preceding claims, characterized in that the feed force is optionally exerted onto the drill pipe (14) such that the feed force either moves the drilling and/or enlarging tool (20, 24) connected with the drill pipe (14) away from the feed drive (336, 338) or towards the feed drive (336, 338).
- The method according to one of the preceding claims, characterized in that the feed rate of the drill pipe (14) and the feed force exerted onto the drill pipe (14) are adjusted depending on the torque acting on the drill pipe (14) in order to rotate it.
- The method according to one of the preceding claims, characterized in that the feed rate and/or the feed force are only adjusted when the amount of control deviation exceeds a preset value (x).
- The method according to one of the preceding claims, characterized in that the preset limit value (Fmax) of the feed force is adjustable via a control unit and can be changed during operation of the drilling system.
- The method according to one of the preceding claims, characterized in that the actual value (Mist) of the torque is determined based on the drive force exerted on the drill pipe (14) for its rotation.
- The method according to one of the preceding claims, characterized in that the rotary drive and the feed drive are hydraulic drives.
- The method according to claim 8, characterized in that the amount of pressure fluid supplied to the feed drive (336, 338) is changed in order to change the feed rate, and that the pressure of the pressure fluid supplied to the feed drive (336, 338) is changed in order to change the feed force.
- The method according to one of the preceding claims, characterized in that the limit value (Fmax) preset for the feed force previous to the beginning of the ground drilling is dependent on the quality of the soil (18) to be expected to a value between 20 % and 98 % of the feed force producible by the feed drive (336, 338).
- The method according to one of the preceding claims, characterized in that the target value (Msoll) of the torque is set to a value in a range from 70 % to 90 % of the torque producible by the rotary drive (334) for rotating the drill pipe (14).
- A drill system for producing or enlarging a borehole in the ground preferably according to the method of one of the preceding claims,
with a feed drive (336, 338) which exerts a feed force onto a drill pipe (14) and moves a drilling and/or enlarging tool (20, 24) connected with the drill pipe (14) in the direction of the longitudinal axis of the drill pipe (14) through the soil (18),
with a rotary drive (334) which exerts a rotary force onto the drill pipe (14) and generates a torque for rotating the drill pipe and the drilling and/or enlarging tool (20, 24) connected with the drill pipe (14) about the longitudinal axis of the drill pipe (14), with a control unit (29); which compares the actual value (Mist) of the torque exerted onto the drill pipe (14) for its rotation with a preset target value (Msoll),
wherein the control unit (29) determines a rule deviation from the difference between the target value (Msoll) and the actual value (Mist),
characterized In that the control unit (29) controls the feed drive (336, 338) based on an upper limit value preset for the feed force exerted by the feed drive (336, 338) onto the drilling pipe (14) in the direction of its longitudinal axis and an upper limit value preset for the feed rate such that in the case of a negative rule deviation, the feed force and the feed rate are reduced together as regulating variables, and that in the case of a positive rule deviation the feed force and the feed rate are increased together as regulating variables until one of the regulating variables reaches a preset upper limit value, wherein subsequently only the other regulating variable is adjusted further.
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