EP3940192A1 - Verfahren zum vorbereiten oder herstellen einer bohrung in einem boden - Google Patents

Verfahren zum vorbereiten oder herstellen einer bohrung in einem boden Download PDF

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EP3940192A1
EP3940192A1 EP21183182.1A EP21183182A EP3940192A1 EP 3940192 A1 EP3940192 A1 EP 3940192A1 EP 21183182 A EP21183182 A EP 21183182A EP 3940192 A1 EP3940192 A1 EP 3940192A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pilot
bore
drill head
agent
soil
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21183182.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Wild
Götz Tintelnot
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Max Wild GmbH
TPH Bausysteme GmbH
Original Assignee
Max Wild GmbH
TPH Bausysteme GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Max Wild GmbH, TPH Bausysteme GmbH filed Critical Max Wild GmbH
Publication of EP3940192A1 publication Critical patent/EP3940192A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • 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
    • E21B7/04—Directional drilling
    • E21B7/046—Directional drilling horizontal drilling
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • 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
    • E21B33/10—Sealing or packing boreholes or wells in the borehole
    • E21B33/13—Methods or devices for cementing, for plugging holes, crevices or the like
    • E21B33/138—Plastering the borehole wall; Injecting into the formation
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • 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
    • E21B7/20—Driving or forcing casings or pipes into boreholes, e.g. sinking; Simultaneously drilling and casing boreholes
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • 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
    • E21B7/28—Enlarging drilled holes, e.g. by counterboring

Definitions

  • the invention relates to a method for preparing or producing a bore in a ground according to the preamble of claim 1.
  • the method can be used as a preparation for laying a line in the bore.
  • Horizontal drilling methods are known for laying lines, for example pipelines, empty pipes or electrical lines in the ground, which, instead of a ditch, produce a substantially horizontal borehole for the passage of the lines in the ground.
  • the horizontal directional drilling method which is also known as "Horizontal Directional Drilling" (HDD), is used particularly frequently.
  • a first pilot bore is first made in the ground between a starting point and a target point.
  • a starting pit is made at a starting point and a pilot drilling head was inserted into the ground within this starting pit.
  • a target pit is provided at the intended target point, in which the pilot drilling head exits again.
  • the pilot drill head is preferably arranged on a drill rod which is lengthened in sections and is continuously fed into the borehole during drilling.
  • the course and direction of the pilot hole can be controlled by influencing the pilot drill head. After the pilot hole has been drilled, the pilot drill and drill rods are pulled out of the hole and back to the starting point.
  • the pilot bore can then be widened to a diameter that corresponds to the outside diameter of the line to be laid by clearing it out using a clearing drill.
  • the line to be laid is attached to the drill head and the line is pulled into the widened borehole as the reamer is pulled out.
  • the pilot drill head and/or the reaming drill is retracted that the borehole partially collapses or collapses, for example in the area of sandy or gravel-filled soil sections.
  • the pilot bore is no longer passable due to collapsed borehole sections, the subsequent clearing bore cannot be carried out and the line to be laid cannot be pulled in.
  • DE 198 08 478 C2 also uses the horizontal drilling technique to first create a pilot hole. Once this is completed, a special drilling machine is used, equipped with a scraping disc, cutter wheel or drill head, which can crush larger stones with the help of an integrated crushing tool. The drilling machine is used at the end point of the pilot hole and widens the pilot hole to the required diameter. At the same time, the pipeline to be laid is drawn into the borehole with the drilling machine. Here, too, there is a risk that when the pilot drill is pulled back, the ground will collapse at least in sections due to the geological conditions and the pipeline cannot be pulled in.
  • WO 2015 197 828 A1 is a method for creating a borehole in a ground and for laying a pipeline in the borehole, in which a combination of an outer tube and an inner tube is used, the outer tube and a with the Drill head coupled to the inner tube can be driven separately in order to achieve greater ranges due to better kink resistance.
  • the aim of the invention is to overcome the described disadvantages of the prior art and to create a method with which a bore can be stably drilled through the subsoil, so that in particular a pipeline to be laid can always be laid quickly and reliably in the ground.
  • the subject matter of the invention is also the use of a solidifying agent discharged into the surrounding soil of a pilot borehole produced by a horizontal drilling method for the purpose of solidifying a pilot borehole according to claim 14.
  • An embodiment is the subject matter of claim 15.
  • a method for producing a bore in a ground for laying a line in the bore is proposed, that the steps of arranging a drill pipe arranged on a pilot drill head at a starting point in the ground, driving and guiding the pilot drill head in the ground on a predefined path from the starting point to an ending point to produce a pilot hole, and retracting the drill string to the starting point.
  • the step of guiding an injection tool through the pilot bore, coupled with a movement of the pilot drill head or the drill rod is provided, which at least partially applies a consolidation agent to the adjoining soil for consolidation of the soil.
  • the solidifying agent can be pressed more or less deeply into the soil surrounding the borehole. Injection materials that harden after injection are used as solidifying agents.
  • the starting point could be located in a first pit as mentioned above.
  • the pilot drill head can be driven through the ground in particular by a rotary drive. As an alternative or in addition to this, hitting the pilot drilling head is also conceivable.
  • Known sensors can be used to determine the current position of the pilot drill head and influence the corresponding control of the drilling mechanism in order to follow the predefined path to follow. Consequently, the method according to the invention begins with a controllable horizontal drilling method for producing a continuous pilot bore between the starting point and the end point.
  • the pilot bore is stabilized by an injection tool that is guided through the pilot bore.
  • the injection tool is guided in conjunction with a movement of the pilot drill head or the drill rods. This means that when the drill rods of the pilot drill head are still in the pilot drill hole, the injection tool is guided in the pilot drill hole. It is initially irrelevant how the injection tool is coupled to the movement of the pilot drill head or the drill rods.
  • the injection tool can be attached to the drill string or pilot drill bit. As an alternative to this, it could also already be arranged on the drill string behind the pilot drill head. Due to the coupled guidance, the solidifying agent can be applied in situ immediately after the progressive production of the well.
  • an aqueous bentonite or cement suspension a reaction resin that hardens by polymerisation (chemically hardening adhesive) or a physically setting adhesive (e.g. solvent-based adhesives) is used as the strengthening agent.
  • Polymerization as a generic term here includes polyaddition, polycondensation and free-radical polymerization, i.e. a reaction resin that hardens by polyaddition, polycondensation or free-radical polymerization can be used as the reaction resin.
  • a reaction mass based on acrylate or silicate resin or a reaction mass based on polyurethane is preferably applied as a solidifying agent in the vicinity of the drilled hole.
  • the injection tool is coupled to the pilot drill head at the end point or, optionally after decoupling the pilot drill head, to the drill pipe and selectively discharges the solidifying agent when the drill pipe is pulled back to the starting point.
  • the pilot drill head is driven completely through the ground to the intended end point and then projects out of the second pit located there at the end point.
  • the injection tool can then subsequently be connected to the pilot drill head or, after decoupling the pilot drill head, can be connected directly to the drill string. It might be advisable to make a non-rotatable connection with the pilot drill head so that the injection tool does not twist.
  • the injection tool could be moved with the pilot drilling head when the pilot bore is being made, and the solidifying agent could be selectively discharged in the process.
  • the injection tool could also already be arranged behind the pilot drilling head and be guided through the already existing section of the pilot drilling directly when the pilot drilling is being made. It is conceivable that the injection tool will then already carry out a consolidation of the soil where necessary when creating the pilot bore.
  • the solidification agent is injected radially (with respect to the central axis of the bore) from the injection tool onto the surrounding soil.
  • the application can be distributed around the entire circumference so that a closed, tube-like shell of solidification agent is formed.
  • the application can be selective only in a desired area of the circumference, so that for example only a half-shell or another segment of a shell of consolidating agent is formed if only there the consolidation of the soil around the well is desired.
  • the injection tool can consequently have nozzles, openings and/or slots which are distributed around the circumference of the injection tool and through which the consolidating agent is applied radially to the surrounding soil.
  • the drill string may provide the necessary tubing for the consolidant and others.
  • the injection tool can have a line running close to or through the pilot drill head, with which consolidating agent can be injected into a zone lying in the drilling direction in front of the pilot drill head.
  • injections of solidifying agent into the borehole environment which take place in relation to the production of the borehole after, in parallel or in advance.
  • the injection is referred to as trailing if the injection tool follows the pilot drill head at some distance or is only pulled through the drilled hole when the drill rod is pulled back;
  • Such a procedure can be used if the soil surrounding the bore has a certain basic strength, so that it can be assumed that the bore has at least one some time until the injection tool is fed through the hole is stable.
  • Simultaneous or parallel injection is considered to be injection made by an injection tool immediately following or a very short distance behind the tip of the pilot drill bit and injecting consolidating agent into the straight hole area being drilled.
  • the injection direction is primarily radial, ie the solidifying agent is pressed perpendicularly to the drilling direction and 360° around the axis of the drilling direction into the soil surrounding the drilling.
  • this is practically already stabilized by hardening solidifying agent when a longitudinal section of the bore is being produced.
  • consolidating agent is pressed into the area in front of the pilot drill head in the drilling direction, thereby stabilizing the soil in the area of the borehole with hardened consolidating agent even before it is drilled.
  • such a procedure is required in the case of very loose areas where a drilled hole would otherwise be buried again immediately or after a short time.
  • the injection tool may have lines or lances which are positioned at least temporarily so that they pass close to or through the pilot drill head and have their injection opening directed towards the area in front of the pilot drill head. It is also possible to combine several of the three injection methods described.
  • the course of hardening of the consolidating agent over time must be adapted to the movement of the injection tool through the bore through its chemical formulation in such a way that the injection tool has already left an area into which the consolidating agent has been injected before the consolidating agent has completely hardened is. This can prevent hardened hardening material from hardening on the injection tool and being pulled along with it.
  • the strength of the soil could be analyzed before or during the drilling of the pilot hole.
  • the analysis could be carried out by externally placed probes in the ground.
  • a sensor system could be provided which allows the soil to be examined directly inside the pilot borehole when the pilot borehole is being made or immediately thereafter.
  • the condition of the washed out material could be examined to analyze the strength of the soil. Consequently, the condition of the soil in particular is continuously examined to assess its strength.
  • the injection tool could discharge the consolidant in areas of the pilot hole where the strength is below a desired minimum strength.
  • the areas in which the strength of the soil is not sufficient to ensure the stability of the pilot bore could be stored electronically, for example, so that they can then be solidified one after the other, controlled by a control unit.
  • At least a partial area, i.e. a longitudinal section, of the pilot borehole is separated from adjacent areas and the consolidating agent is discharged exclusively in the partial area for consolidating the soil. This allows the solidifying agent to be discharged by means of an overpressure in the corresponding sub-area, so that individual sub-areas can be solidified efficiently and the solidifying agent does not flow into adjacent areas of the pilot bore.
  • partial areas of the pilot bore are solidified.
  • the partial areas could lie next to one another or be spaced apart from one another. It may be advisable to always provide two opposing axial boundaries of a sub-area with a constant distance in order to strengthen larger areas, for example by treating several small sub-areas with fixed dimensions in succession. This limits the size of the injection tool and constant flow conditions can always be guaranteed in the limited sub-areas.
  • sealing elements that are spaced apart from one another along the pilot bore to separate a respective partial region and to contract after the solidifying agent has been discharged.
  • the sealing elements could be, for example, fluid-inflatable annular cushion-like devices that can be selectively expanded and contracted. Using a soft, elastic material allows for a good seal against the ground.
  • the partial area containing the strengthening agent could be compressed radially by means of the sealing elements. It might be advisable to use these sealing elements to partially compress the soil radially in order to achieve particularly good consolidation.
  • the invention further relates to the use of a solidifying agent discharged into the surrounding soil of a pilot bore hole produced by a horizontal drilling method for solidifying a pilot bore hole.
  • the solidifying agent could be discharged in situ when the pilot bore is made or when a pilot drill head is withdrawn.
  • In 1 shows a schematic cross section through an underground area through which a horizontal drilling machine 6 has created a pilot hole 8 .
  • This extends from a starting point 1 in front of the horizontal boring machine 6 to an end point 5.
  • a pilot boring head 2 on a boring bar 3 can be guided through the ground on a desired path.
  • the pilot bore 8 leads, for example, through a soil area 10 with loosened soil.
  • the pilot drill head 2 protrudes at the end point 5 from the ground.
  • the drill string extends through the entire pilot hole 8, thereby preventing the collapse of the adjacent soil.
  • An injection tool 4 is now coupled to the pilot drilling head 2; alternatively, the pilot drill head 2 dated Drill string to be uncoupled and as in 2 shown an injection tool 4 are coupled directly to the drill string 3.
  • the injection tool 4 is in 2 shown schematically as a cylindrical body having an internal cavity communicating with a series of injection ports 9 on the surface of the injection tool 4.
  • the injection openings 9 are preferably distributed around the circumference of the injection tool 4 and are intended to be able to release a solidifying agent.
  • the drill rod 3 is pulled back through the pilot bore 8 with the injection tool 4 arranged thereon, with the solidifying agent being released at least in certain areas during the pulling back where it is needed.
  • the solidifying agent is pressed under pressure into the injection tool 4 and is thereby pressed out of its injection openings 9 into the surrounding soil. This will in 3 shown. If the injection openings 9 are correspondingly distributed around the circumference of the injection tool 4, a closed, tubular shell is thereby produced from the solidification agent. After the injection tool 4 has passed the loosened area 10, which is now stabilized by solidifying solidifying agent, the injection tool 4 can again stop dispensing solidifying agent. After the drill rod 3 has been completely pulled out with the injection tool 4, the pilot hole 8 is present. This can be reamed to create a larger diameter hole that is used to route cables.
  • a pilot drill head 2 is arranged on a drill rod 3 at a starting point 1 in the ground 7 12.
  • the pilot drill head 2 is then placed in the ground 7 on a predefined path from the starting point 1 to an end point 5 for producing a pilot hole 8 out and driven 13.
  • the pilot drill head 2 or the drill string 3 is coupled to an injection tool 4 and the injection tool 4 is guided through the pilot hole. This can be done when the drill string 3 is pulled back 15 to the starting point 1 .
  • a solidifying agent is applied 16 to the adjoining soil 7 to solidify the soil 7. In this case, sealing elements could separate 18 partial regions into which the solidifying agent is introduced.
  • the strength of the soil can be analyzed before or during the drilling of the pilot hole 17. This could, for example, be Investigate washed out material.
  • the pilot hole 8 can be broached 19 in order to pull in a line.

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Abstract

Ein Verfahren zum Vorbereiten oder Herstellen einer Bohrung in einem Boden zum Verlegen einer Leitung in der Bohrung umfasst die Schritte des Anordnens eines an einem Bohrgestänge angeordneten Pilotbohrkopfs an einem Startpunkt im Boden, des Antreibens und Führens des Pilotbohrkopfs in dem Boden auf einer vordefinierten Bahn von dem Startpunkt zu einem Endpunkt zum Herstellen einer Pilotbohrung, und des Zurückziehens des Bohrgestänges mit dem Pilotbohrkopf zum Startpunkt. Erfindungsgemäß ist der Schritt des mit einer Bewegung des Pilotbohrkopfs gekoppelten Führens eines Injektionswerkzeugs durch die Pilotbohrung vorgesehen, welches zumindest bereichsweise ein Verfestigungsmittel in den angrenzenden Boden zum Verfestigen des Bodens ausbringt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorbereiten oder Herstellen einer Bohrung in einem Boden gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Insbesondere kann das Verfahren als Vorbereitung zum Verlegen einer Leitung in der Bohrung angewendet werden.
  • Zum Verlegen von Leitungen, beispielsweise Rohrleitungen, Leerrohren oder elektrischen Leitungen im Erdreich sind Horizontalbohrverfahren bekannt, welche statt eines Grabens eine im Wesentlichen horizontale Bohrung zum Durchführen der Leitungen im Erdreich herstellen. Das Horizontalspülbohrverfahren, welches auch als "Horizontal Directional Drilling" (HDD) bekannt ist, wird dabei besonders häufig angewendet.
  • Wie beispielsweise in EP 2 863 003 A2 dargestellt, wird zum Einbringen der neuen Rohrleitung im Erdreich zunächst zwischen einem Startpunkt und einem Zielpunkt eine erste Pilotbohrung in das Erdreich eingebracht. Dazu wird an einem Startpunkt eine Startgrube hergestellt und innerhalb dieser Startgrube ein Pilotbohrkopf in das Erdreich eingeführt. Am vorgesehenen Zielpunkt ist eine Zielgrube vorgesehen, in welcher der Pilotbohrkopf wieder austritt.
  • Der Pilotbohrkopf ist bevorzugt an einem Bohrgestänge angeordnet, das abschnittsweise verlängert und während dem Bohren permanent in das Bohrloch nachgeführt wird. Der Verlauf und die Richtung der Pilotbohrung kann durch Beeinflussung des Pilotbohrkopfs gesteuert werden. Nach Ausführung der Pilotbohrung wird der Pilotbohrer samt dem Bohrgestänge aus dem Bohrloch heraus und zum Startpunkt zurückgezogen.
  • Anschließend kann durch Räumen mittels eines Räumbohrers die Pilotbohrung auf einen Durchmesser aufgeweitet werden, welcher dem Außendurchmesser der zu verlegenden Leitung entspricht. Vor dem Zurückziehen des Räumbohrers wird die zu verlegende Leitung an den Bohrkopf angehängt und mit dem Herausziehen des Räumbohrers die Leitung in das geweitete Bohrloch eingezogen.
  • Aufgrund von unterschiedlichen geologischen Beschaffenheiten des Erdreichs kann es beim Zurückziehen des Pilotbohrkopfs und/oder des Räumbohrers vorkommen, dass das Bohrloch teilweise einstürzt oder in sich zusammenfällt, beispielsweise im Bereich von sandigen oder kiesgefüllten Bodenabschnitten. Ist jedoch bereits die Pilotbohrung aufgrund zusammengefallener Bohrlochabschnitte nicht mehr durchgängig, kann die anschließende Räumbohrung nicht durchgeführt und die zu verlegende Leitung nicht eingezogen werden.
  • DE 198 08 478 C2 verwendet ebenfalls die Horizontalbohrtechnik, um zunächst eine Pilotbohrung zu erstellen. Sobald diese fertiggestellt ist, wird eine spezielle Bohrmaschine eingesetzt, die mit einer Schürfscheibe, einem Schneidrad oder einem Bohrkopf ausgestattet ist und die mit Hilfe eines integrierten Brecherwerkzeugs größere Steine zerkleinern kann. Die Bohrmaschine wird im Endpunkt der Pilotbohrung eingesetzt und weitet die Pilotbohrung auf den notwendigen Durchmesser auf. Mit der Bohrmaschine wird zugleich die zu verlegende Rohrleitung in das Bohrloch eingezogen. Auch hierbei besteht die Gefahr, dass beim Zurückziehen des Pilotbohrers das Erdreich aufgrund der geologischen Verhältnisse zumindest abschnittsweise einstürzt und die Rohrleitung nicht eingezogen werden kann.
  • Aus WO 2015 197 828 A1 ist ein Verfahren zur Erstellung eines Bohrlochs in einem Boden und zur Verlegung einer Rohrleitung in dem Bohrloch bekannt, bei dem eine Kombination aus einem Außenrohr und einem Innenrohr eingesetzt wird, wobei das Außenrohr sowie ein mit dem Innenrohr gekoppelter Bohrkopf separat vorgetrieben werden, um höhere Reichweiten aufgrund einer besseren Knickbeständigkeit zu erzielen.
  • Ziel der Erfindung ist es, die geschilderten Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Verfahren zu schaffen, mit dem eine Bohrung durch den Untergrund stabil hergestellt werden kann, so dass insbesondere eine zu verlegende Rohrleitung stets rasch und zuverlässig im Boden verlegt werden kann.
  • Hauptmerkmale der Erfindung sind im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 angegeben. Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 13.
  • Gegenstand der Erfindung ist weiterhin die Verwendung eines in umgebenden Boden einer durch ein Horizontalbohrverfahren hergestellten Pilotbohrung ausgetragenen Verfestigungsmittels zum Verfestigen einer Pilotbohrung nach Anspruch 14. Eine Ausgestaltung ist Gegenstand des Anspruchs 15.
  • Es wird ein Verfahren zum Herstellen einer Bohrung in einem Boden zum Verlegen einer Leitung in der Bohrung vorgeschlagen, dass die Schritte des Anordnens eines an einem Bohrgestänge angeordneten Pilotbohrkopfs an einem Startpunkt im Boden, des Antreibens und Führens des Pilotbohrkopfs in dem Boden auf einer vordefinierten Bahn von dem Startpunkt zu einem Endpunkt zum Herstellen einer Pilotbohrung, und des Zurückziehens des Bohrgestänges zum Startpunkt umfasst. Erfindungsgemäß ist der Schritt des mit einer Bewegung des Pilotbohrkopfs oder des Bohrgestänges gekoppelten Führens eines Injektionswerkzeugs durch die Pilotbohrung vorgesehen, welches zumindest bereichsweise ein Verfestigungsmittel an den angrenzenden Boden zum Verfestigen des Bodens ausbringt.
  • Das Verfestigungsmittel kann dabei je nach dem Druck der Ausbringung und der Bodenbeschaffenheit mehr oder weniger tief in das das Bohrloch umgebenden Erdreich gedrückt werden. Als Verfestigungsmittel werden Injektionsmaterialien eingesetzt, die nach der Injektion aushärten.
  • Der Startpunkt könnte in einer ersten Grube angeordnet sein, wie vorangehend erwähnt. Der Pilotbohrkopf kann insbesondere durch rotatorischen Antrieb durch den Boden getrieben werden. Alternativ oder zusätzlich dazu ist auch das Schlagen des Pilotbohrkopfs denkbar. Durch bekannte Sensorik kann die aktuelle Position des Pilotbohrkopfs bestimmt und entsprechende Ansteuerung der Bohrmechanik beeinflusst werden, um der vordefinierten Bahn zu folgen. Das erfindungsgemäße Verfahren beginnt folglich mit einem steuerbaren Horizontalbohrverfahren zum Herstellen einer durchgängigen Pilotbohrung zwischen dem Startpunkt und dem Endpunkt.
  • Das Stabilisieren der Pilotbohrung erfolgt erfindungsgemäß durch ein Injektionswerkzeug, das durch die Pilotbohrung geführt wird. Das Führen des Injektionswerkzeugs erfolgt dabei gekoppelt mit einer Bewegung des Pilotbohrkopfes oder des Bohrgestänges. Dies bedeutet, dass bei noch in der Pilotbohrung befindlichem Bohrgestänge des Pilotbohrkopfes das Injektionswerkzeug in der Pilotbohrung geführt ist. Dabei ist es zunächst unerheblich, wie das Injektionswerkzeug mit der Bewegung des Pilotbohrkopfs oder des Bohrgestänges gekoppelt wird. In einer Ausführungsform kann nach vollständiger Herstellung der Pilotbohrung das Injektionswerkzeug an das Bohrgestänge oder den Pilotbohrkopf angehängt werden. Alternativ dazu könnte es auch bereits hinter dem Pilotbohrkopf an dem Bohrgestänge angeordnet sein. Durch das gekoppelte Führen kann das Verfestigungsmittel in situ, unmittelbar anschließend an die fortschreitende Herstellung der Bohrung, ausgebracht werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird als Verfestigungsmittel eine wässrige Bentonit- oder Zementsuspension, ein durch Polymerisation aushärtendes Reaktionsharz (chemisch härtender Klebstoff) oder ein physikalisch abbindender Klebstoff (z.B. lösungsmittelhaltige Klebstoffe) verwendet. Polymerisation umfasst hier als Oberbegriff Polyaddition, Polykondensation und radikalische Polymerisation, d.h. als Reaktionsharz kann ein durch Polyaddition, Polykondensation oder durch radikalische Polymerisation aushärtendes Reaktionsharz verwendet werden. Vorzugsweise wird als Verfestigungsmittel eine Reaktionsmasse auf Acrylat- oder Silikatharzbasis oder eine Reaktionsmasse auf Polyurethanbasis in die Umgebung der hergestellten Bohrung ausgebracht.
  • Es ist besonders bevorzugt, dass das Injektionswerkzeug an dem Endpunkt mit dem Pilotbohrkopf oder, gegebenenfalls nach Abkoppeln des Pilotbohrkopfes, mit dem Bohrgestänge gekoppelt wird und beim Zurückziehen des Bohrgestänges zum Startpunkt selektiv das Verfestigungsmittel ausbringt. Folglich wird der Pilotbohrkopf vollständig bis zu dem vorgesehenen Endpunkt durch den Boden getrieben und ragt anschließend an dem Endpunkt etwa aus der dort befindlichen zweiten Grube heraus. Das Injektionswerkzeug kann dann anschließend mit dem Pilotbohrkopf verbunden werden oder nach Abkoppeln des Pilotbohrkopfes direkt mit dem Bohrgestänge verbunden werden. Hierbei könnte es sich empfehlen, eine nicht-drehfeste Verbindung mit dem Pilotbohrkopf durchzuführen, sodass das Injektionswerkzeug sich nicht verdreht.
  • Alternativ dazu könnte das Injektionswerkzeug beim Herstellen der Pilotbohrung mit dem Pilotbohrkopf bewegt werden und dabei selektiv das Verfestigungsmittel ausbringen. Wie vorangehend dargestellt könnte das Injektionswerkzeug auch bereits hinter dem Pilotbohrkopf angeordnet sein und direkt beim Herstellen der Pilotbohrung durch den bereits bestehenden Abschnitt der Pilotbohrung geführt werden. Es ist vorstellbar, dass das Injektionswerkzeug dann bereits beim Erstellen der Pilotbohrung eine Verfestigung des Erdreichs durchführt, wo erforderlich.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird das Verfestigungsmittel radial (in Bezug auf die Mittelachse der Bohrung) aus dem Injektionswerkzeug auf den umgebenden Boden gespritzt. Die Ausbringung kann um den gesamten Umfang herum verteilt erfolgen, so dass eine geschlossene, röhrenartige Schale aus Verfestigungsmittel gebildet wird. Alternativ kann die Ausbringung selektiv nur in einem gewünschten Bereich des Umfangs erfolgen, so dass z.B. nur eine Halbschale oder ein anderes Segment einer Schale aus Verfestigungsmittel gebildet wird, wenn nur dort die Verfestigung des Erdreichs um die Bohrung gewünscht ist. Das Injektionswerkzeug kann folglich Düsen, Öffnungen und/oder Schlitze aufweisen, die um den Umfang des Injektionswerkzeugs verteilt angeordnet sind und durch die das Verfestigungsmittel radial auf den umgebenden Boden aufgebracht wird. Das Bohrgestänge kann die notwendigen Leitungen für das Verfestigungsmittel und anderes bereitstellen. Im Fall von sehr lockeren Untergrundbereichen, bei denen die Gefahr besteht, dass unmittelbar nach Herstellung der Bohrung diese wieder einstürzt, kann es notwendig sein, Verfestigungsmittel in größerer Menge vorauseilend nach vorne in das Erdreich vor dem Pilotbohrkopf zu pressen, so dass eine Zone, deren Durchmesser über den Durchmesser der zu schaffenden Bohrung hinausreicht, dadurch verfestigt wird. Diese verfestigte Zone wird dann durchbohrt, wobei verfestigte Bereiche um das Bohrloch stehenbleiben. In diesen Fällen kann das Injektionswerkzeug eine nahe an oder durch den Pilotbohrkopf verlaufende Leitung haben, mit der Verfestigungsmittel in eine in Bohrrichtung vor dem Pilotbohrkopf liegende Zone gepresst werden kann.
  • Grundsätzlich kann also zwischen Injektionen von Verfestigungsmittel in die Bohrungsumgebung unterschieden werden, die im zeitlichen Verhältnis zur Herstellung der Bohrung nachlaufend, parallel oder vorauseilend erfolgen. Als nachlaufend wird die Injektion bezeichnet, wenn das Injektionswerkzeug in einiger Entfernung auf den Pilotbohrkopf folgt oder erst beim Zurückziehen des Bohrgestänges durch die hergestellte Bohrung gezogen wird; eine solche Vorgehensweise ist anwendbar, wenn das die Bohrung umgebende Erdreich eine gewisse Grundfestigkeit hat, so dass davon auszugehen ist, dass die Bohrung wenigstens eine gewisse Zeit, bis das Injektionswerkzeug durch die Bohrung geführt wird, stabil ist. Als parallel oder gleichzeitig wird eine Injektion angesehen, die durch ein Injektionswerkzeug erfolgt, das unmittelbar auf die Spitze des Pilotbohrkopfes oder in sehr geringem Abstand dahinter folgt und Verfestigungsmittel in den geraden entstehenden Bohrungsbereich presst. In diesem Fall ist die Injektionsrichtung primär radial, d.h. das Verfestigungsmittel wird senkrecht zur Bohrrichtung und um 360° um die Achse der Bohrrichtung umlaufend in das die Bohrung umgebende Erdreich gedrückt. Bei einer solchen zum Bohrvorgang parallelen oder zeitgleichen Injektion wird praktisch bei der Erzeugung eines Längenabschnitts der Bohrung dieser bereits durch sich aushärtendes Verfestigungsmittel stabilisiert. Bei vorauseilender oder vorauslaufender Injektion wird Verfestigungsmittel in das in Bohrrichtung vor dem Pilotbohrkopf liegende Gebiet gepresst und dadurch das Erdreich im Bereich der Bohrung bereits vor deren Erzeugung durch ausgehärtetes Verfestigungsmittel stabilisiert. Wie bereits erwähnt, ist eine solche Vorgehensweise im Falle von sehr lockeren Bereichen geboten, bei denen sonst eine erzeugte Bohrung sofort oder nach kurzer Zeit wieder verschüttet würde. Für eine solche vorauseilende Injektion kann das Injektionswerkzeug Leitungen oder Lanzen aufweisen, die zumindest zeitweise so verlaufend positioniert sind, dass sie nahe an dem Pilotbohrkopf vorbei oder durch diesen hindurch verlaufen und mit ihrer Injektionsöffnung auf das Gebiet vor dem Pilotbohrkopf gerichtet sind. Es können auch mehrere dieser drei beschriebenen Injektionsweisen kombiniert werden.
  • Bei nachlaufender oder paralleler Injektion ist der zeitliche Aushärtungsverlauf des Verfestigungsmittels durch dessen chemische Formulierung so angepasst an die Bewegung des Injektionswerkzeugs durch die Bohrung zu wählen, dass das Injektionswerkzeug einen Bereich, in dem Verfestigungsmittel injiziert worden ist, bereits verlassen hat, bevor das Verfestigungsmittel vollständig ausgehärtet ist. Dadurch kann verhindert werden, dass ausgehärtetes Verfestigungsmaterial an dem Injektionswerkzeug verfestigt und mit diesem mitgezogen wird.
  • Weiterhin könnte vor oder während des Herstellens der Pilotbohrung die Festigkeit des Bodens analysiert werden. Das Analysieren könnte durch von extern in den Boden eingebrachte Sonden durchgeführt werden. Alternativ dazu könnte eine Sensorik vorgesehen sein, die direkt innerhalb der Pilotbohrung das Untersuchen des Bodens beim Herstellen der Pilotbohrung oder unmittelbar danach erlaubt.
  • Beim Herstellen der Pilotbohrung könnte die Beschaffenheit ausgeschlämmten Materials untersucht werden, um die Festigkeit des Bodens zu analysieren. Folglich wird insbesondere kontinuierlich die Beschaffenheit des Bodens zur Beurteilung der Festigkeit untersucht.
  • Das Injektionswerkzeug könnte das Verfestigungsmittel in Bereichen der Pilotbohrung austragen, in denen die Festigkeit unterhalb einer gewünschten Mindestfestigkeit liegt. Die Bereiche, in denen die Festigkeit des Bodens nicht ausreicht, um die Stabilität der Pilotbohrung zu gewährleisten, könnten beispielsweise elektronisch gespeichert werden, um diese anschließend durch eine Steuereinheit angesteuert nacheinander verfestigen zu lassen.
  • Es ist vorteilhaft, wenn beim Austragen des Verfestigungsmittels mindestens ein Teilbereich, d.h. ein Längenabschnitt, der Pilotbohrung von benachbarten Bereichen abgetrennt wird und das Verfestigungsmittel ausschließlich in dem Teilbereich zum Verfestigen des Bodens ausgetragen wird. Dies erlaubt das Austragen des Verfestigungsmittels durch einen Überdruck in dem entsprechenden Teilbereich, sodass effizient einzelne Teilbereiche verfestigbar sind und das Verfestigungsmittel nicht in benachbarte Bereiche der Pilotbohrung abfließt.
  • Es ist weiterhin denkbar, dass mehrere Teilbereiche der Pilotbohrung verfestigt werden. Die Teilbereiche könnten beispielsweise nebeneinanderliegen oder voneinander beabstandet sein. Es kann sich anbieten, zwei einander entgegengesetzte axialen Grenzen eines Teilbereichs stets mit einem konstanten Abstand vorzusehen, um größere Bereiche beispielsweise durch aufeinanderfolgendes Behandeln mehrerer kleiner Teilbereiche mit festgesetzten Abmessungen zu verfestigen. Die Größe des Injektionswerkzeugs wird dadurch begrenzt und es können stets gleichbleibende Strömungsbedingungen in den begrenzten Teilbereichen garantiert werden.
  • Es ist vorteilhaft, zwei entlang der Pilotbohrung voneinander beabstandete Dichtelemente zum Abtrennen eines jeweiligen Teilbereichs zu expandieren und nach Austragen des Verfestigungsmittels zu kontrahieren. Die Dichtelemente könnten etwa mit einem Fluid aufblasbare, ringförmige, kissenartige Vorrichtungen sein, welche selektiv expandiert und kontrahiert werden können. Eine Verwendung eines weichen, elastischen Materials erlaubt eine gute Abdichtung gegenüber dem Boden.
  • Nach dem Kontrahieren könnte der das Verfestigungsmittel aufweisende Teilbereich mittels der Dichtelemente radial verpresst werden. Es könnte sich anbieten, den Boden teilweise mittels dieser Dichtelemente radial zu verpressen, um eine besonders gute Verfestigung zu erreichen.
  • Nach dem vollständigen Zurückziehen des Pilotbohrkopfs und des Bohrgestänges kann ein Räumen der Pilotbohrung und ein Einziehen der Leitung durchgeführt wird. Damit wird die Bohrung mit der Leitung durch die Bohrung in dem Boden ausgerüstet.
  • Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines in umgebenden Boden einer durch ein Horizontalbohrverfahren hergestellten Pilotbohrung ausgetragenen Verfestigungsmittels zum Verfestigen einer Pilotbohrung.
  • Dabei könnte das Verfestigungsmittel in situ beim Herstellen der Pilotbohrung oder beim Zurückziehen eines Pilotbohrkopfs ausgetragen werden.
  • Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
    • Fig. 1
    einen schematischen Querschnitt des Untergrunds nach Einbringen der Pilotbohrung,
    Fig. 2
    den schematischen Querschnitt beim Ankoppeln des Injektionswerkzeugs und
    Fig. 3
    den Querschnitt beim Verfestigen des eines lockeren Bereichs des Erdreichs um das Bohrloch.
    Fig. 4
    eine blockbasierte, schematische Darstellung des Verfahrens.
  • In Fig. 1 ist ein schematischer Querschnitt durch einen Untergrundbereich gezeigt, durch den eine Horizontalbohrmaschine 6 eine Pilotbohrung 8 erstellt hat. Diese erstreckt sich von einem Startpunkt 1 vor der Horizontalbohrmaschine 6 zu einem Endpunkt 5. Hierzu kann ein Pilotbohrkopf 2 an einem Bohrgestänge 3 auf einer gewünschten Bahn durch den Boden geführt werden. Die Pilotbohrung 8 führt dabei exemplarisch durch einen Bodenbereich 10 mit gelockertem Erdreich.
  • Nach Erstellung der Pilotbohrung 8 wie in Fig. 1 gezeigt, ragt der Pilotbohrkopf 2 an dem Endpunkt 5 aus dem Boden. Das Bohrgestänge erstreckt sich durch die gesamte Pilotbohrung 8 und verhindert dabei das Zusammenstürzen des angrenzenden Erdreichs. Nun wird an dem Pilotbohrkopf 2 ein Injektionswerkzeug 4 angekoppelt; alternativ kann der Pilotbohrkopf 2 vom Bohrstrang abgekoppelt werden und wie in Fig. 2 gezeigt ein Injektionswerkzeug 4 direkt an das Bohrgestänge 3 angekoppelt werden.
  • Das Injektionswerkzeug 4 ist in Fig. 2 schematisch als ein zylindrischer Körper dargestellt, der einen inneren Hohlraum aufweist, der in Verbindung mit einer Reihe von Injektionsöffnungen 9 an der Oberfläche des Injektionswerkzeugs 4 steht. Die Injektionsöffnungen 9 sind vorzugsweise um den Umfang des Injektionswerkzeugs 4 herum verteilt angeordnet und dazu vorgesehen, ein Verfestigungsmittel abgeben zu können. Das Bohrgestänge 3 wird mit dem daran angeordneten Injektionswerkzeug 4 durch die Pilotbohrung 8 zurückgezogen, wobei zumindest bereichsweise während des Zurückziehens das Verfestigungsmittel abgegeben wird, wo es benötigt wird.
  • Insbesondere wenn das Injektionswerkzeug 4 beim Zurückziehen den lockeren Bereich 10 erreicht, wird das Verfestigungsmittel unter Druck in das Injektionswerkzeug 4 gedrückt und dadurch aus dessen Injektionsöffnungen 9 heraus in das umgebende Erdreich gedrückt. Dies wird in Fig. 3 gezeigt. Sind die Injektionsöffnungen 9 entsprechend um den Umfang des Injektionswerkzeugs 4 verteilt, wird hierdurch eine geschlossene, röhrenförmige Schale aus dem Verfestigungsmittel erzeugt. Nachdem das Injektionswerkzeug 4 den aufgelockerten Bereich 10, der nun durch verfestigendes Verfestigungsmittel stabilisiert ist, passiert hat, kann das Ausbringen von Verfestigungsmittel durch das Injektionswerkzeug 4 wieder beendet werden. Nach dem vollständigen Herausziehen des Bohrgestänges 3 mit dem Injektionswerkzeug 4 liegt die Pilotbohrung 8 vor. Diese kann aufgeweitet werden, um eine Bohrung größeren Durchmessers herzustellen, die zum Verlegen von Leitungen genutzt wird.
  • Fig. 4 zeigt in blockbasierter Darstellung den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens 11. Zunächst wird an einem Bohrgestänge 3 ein Pilotbohrkopfs 2 an einem Startpunkt 1 im Boden 7 angeordnet 12. Anschließend wird der Pilotbohrkopfs 2 in dem Boden 7 auf einer vordefinierten Bahn von dem Startpunkt 1 zu einem Endpunkt 5 zum Herstellen einer Pilotbohrung 8 geführt und angetrieben 13. Der Pilotbohrkopf 2 oder das Bohrgestänge 3 wird mit einem Injektionswerkzeug 4 gekoppelt und das Injektionswerkzeug 4 wird durch die Pilotbohrung geführt. Dies kann beim Zurückziehen 15 des Bohrgestänges 3 zum Startpunkt 1 erfolgen. Zumindest bereichsweise wird ein Verfestigungsmittel in den angrenzenden Boden 7 zum Verfestigen des Bodens 7 ausgebracht 16. Dabei könnten Dichtelemente Teilbereiche abtrennen 18, in die das Verfestigungsmittel eingebracht wird. Es kann vor oder während des Herstellens der Pilotbohrung die Festigkeit des Bodens analysiert werden 17. Dies könnte beispielsweise das Untersuchen ausgeschlämmten Materials umfassen. Nach der Erstellung der Pilotbohrung 8 kann ein Räumen 19 der Pilotbohrung 8 zum Einziehen einer Leitung erfolgen.
  • Die Erfindung ist nicht auf eine der vorbeschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern in vielfältiger Weise abwandelbar.
  • Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Startpunkt
    2
    Pilotbohrkopf
    3
    Bohrgestänge
    4
    Injektionswerkzeug
    5
    Endpunkt
    6
    Horizontalbohrmaschine
    7
    Boden
    8
    Pilotbohrung
    9
    Injektionsöffnung
    10
    Bereich mit lockerem Erdreich um ein Bohrloch
    11
    Verfahren
    12
    Anordnen Pilotbohrkopf an Startpunkt
    13
    Führen und Antreiben
    14
    Koppeln mit Injektionswerkzeug
    15
    Zurückziehen des Bohrgestänges
    16
    Ausbringen Verfestigungsmittel
    17
    Analysieren des Bodens
    18
    Abtrennen von Teilbereichen
    19
    Räumen der Pilotbohrung

Claims (15)

  1. Verfahren (11) zum Vorbereiten oder Herstellen einer Bohrung in einem Boden (7) zum Verlegen einer Leitung in der Bohrung, aufweisend die Schritte:
    Anordnen (12) eines an einem Bohrgestänge (3) angeordneten Pilotbohrkopfs (2) an einem Startpunkt (1) im Boden (7),
    Antreiben und Führen (13) des Pilotbohrkopfs (2) in dem Boden (7) auf einer vordefinierten Bahn von dem Startpunkt (1) zu einem Endpunkt (5) zum Herstellen einer Pilotbohrung (8), und
    Zurückziehen (15) des Bohrgestänges (3) zum Startpunkt (1),
    gekennzeichnet durch den Schritt des mit einer Bewegung des Pilotbohrkopfs (2) oder des Bohrgestänges (3) gekoppelten Führens (14) eines Injektionswerkzeugs (4) durch die Pilotbohrung (8), welches zumindest bereichsweise ein Verfestigungsmittel in den angrenzenden Boden (7) zum Verfestigen des Bodens (7) ausbringt (16).
  2. Verfahren (11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Verfestigungsmittel eine wässrige Bentonit- oder Zementsuspension, ein durch Polymerisation aushärtendes Reaktionsharz oder ein physikalisch abbindender Klebstoff oder Gemische aus den vorgenannten Verbindungen verwendet wird, vorzugsweise ein Reaktionsharz auf Acrylat- oder Silikatharzbasis oder ein Reaktionsharz auf Polyurethanbasis.
  3. Verfahren (11) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Injektionswerkzeug (4) an dem Endpunkt (5) mit dem Pilotbohrkopf (2) oder dem Bohrgestänge (3) gekoppelt wird und beim Zurückziehen des Bohrgestänges (3) zum Startpunkt (1) selektiv das Verfestigungsmittel ausbringt (16).
  4. Verfahren (11) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Injektionswerkzeug (4) beim Herstellen der Pilotbohrung (8) mit dem Pilotbohrkopf (2) bewegt wird und dabei selektiv das Verfestigungsmittel ausbringt (16).
  5. Verfahren (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfestigungsmittel radial aus dem Injektionswerkzeug (4) auf den umgebenden Boden (7) gespritzt wird.
  6. Verfahren (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor oder während des Herstellens der Pilotbohrung (8) die Festigkeit des Bodens (7) analysiert wird (17).
  7. Verfahren (11) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass beim Herstellen der Pilotbohrung (8) die Beschaffenheit ausgeschlämmten Materials untersucht wird, um die Festigkeit des Bodens (7) zu analysieren (17).
  8. Verfahren (11) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Injektionswerkzeug (4) das Verfestigungsmittel in Bereichen (10) der Pilotbohrung (8) austrägt (16), in denen die Festigkeit unterhalb einer gewünschten Mindestfestigkeit liegt.
  9. Verfahren (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Austragen des Verfestigungsmittels mindestens ein Teilbereich der Pilotbohrung (8) von benachbarten Bereichen abgetrennt wird (18) und das Verfestigungsmittel ausschließlich in dem Teilbereich zum Verfestigen des Bodens (7) ausgetragen wird (16).
  10. Verfahren (11) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Teilbereiche der Pilotbohrung (8) verfestigt werden.
  11. Verfahren (11) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwei entlang der Pilotbohrung (8) voneinander beabstandete Dichtelemente zum Abtrennen eines jeweiligen Teilbereichs expandiert und nach Austragen des Verfestigungsmittels kontrahiert werden.
  12. Verfahren (11) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Kontrahieren der das Verfestigungsmittel aufweisende Teilbereich mittels der Dichtelemente radial verpresst wird.
  13. Verfahren (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach vollständigem Zurückziehen des Pilotbohrkopfs (2) und des Bohrgestänges (3) ein Räumen der Pilotbohrung (8) und ein Einziehen der Leitung durchgeführt wird.
  14. Verwendung eines in umgebenden Boden (7) einer durch ein Horizontalbohrverfahren hergestellten Pilotbohrung (8) ausgetragenen Verfestigungsmittels zum Verfestigen der Pilotbohrung (8).
  15. Verwendung nach Anspruch 15, wobei das Verfestigungsmittel in situ beim Herstellen der Pilotbohrung (8) oder beim Zurückziehen eines Pilotbohrkopfs (2) ausgetragen wird.
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