DE10115713A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Verschrauben von Bohrstangen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für den horizontalen unterirdischen Gestängevortrieb mit einem Antrieb und einer Antriebswelle zur Übertragung der Antriebskraft auf ein schraubengekuppeltes Bohrgestänge, wobei die Antriebswelle zum Ausgleich der axialen Verschiebung beim An- oder Abschrauben eines Gestängeschusses zwischen zwei Endpositionen axial verschiebbar gelagert ist, und daß im Bereich der Antriebswelle mindestens ein Geber oder Sensor angeordnet ist und die Antriebswelle den Geber bei Erreichen mindestens einer bestimmten Position erregt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verschrauben von Bohrstangen beim horizontalen Erdbohren.

Im Bereich des horizontalen Erdbohrens, der das Erstellen und Aufweiten von Pilotbohrungen sowie das Ersetzen von Altleitungen mit umfaßt, werden häufig verschraubbare Bohrstangen eingesetzt. Derartige Bohrstangen wei­ sen in der Regel beidseitige Schraubverbindungselemente (männlich und weiblich) auf und werden mit einem Bohr- oder Aufweitkopf versehen schrittweise verlängert oder verkürzt und dabei in das Erdreich eingetrieben oder aus dem Erdreich herausgezogen. Hierzu werden die einzelnen Gestängeschüsse in der Regel in eine Bohrlafette mit einem Schub/Drehantrieb eingelegt und einzeln miteinander verbunden bzw. von­ einander gelöst. Dies erfolgt durch Rotation des zu entnehmenden oder zu verbindenden Gestängeschusses bei gleichzeitiger Fixierung des noch im Erdreich befindlichen Gestängeschusses.

Der Schub/Drehantrieb der Lafette überträgt seine Kraft dabei über eine Antriebswelle mit einem Gestängeadapter. Bei dem Gestängeadapter han­ delt es sich um ein mit den Gestängeverbindungselementen korrespondie­ rendes Gegenstück. Bei Schraubgestängeschüssen wird der zu verbindende Gestängeschuß wiederum fixiert und die Antriebswelle mit dem Gestänge­ adapter rotierend von dem Gestängeschuß gelöst oder mit diesem verbun­ den.

Die Lafette besteht in der Regel aus einem Schlitten, auf dem der Schub/Drehantrieb verfahrbar gelagert ist. Zum Einbringen oder Herauszie­ hen der Gestängeschüsse besitzt der Schlitten einen Transversalantrieb. Zum Verbinden oder Lösen der Gestängeschüsse bzw. der Verbindung zwi­ schen Bohrwelle und Gestängeschuß wird das einzuschraubende Verbin­ dungselement mit dem Transversalantrieb an das korrespondierende Verbindungselement herangefahren. Beim Einschrauben mit Hilfe des Drehan­ triebs besteht nun die Schwierigkeit, daß das Einschrauben nicht nur eine Rotation, sondern auch eine Transversalbewegung erfordert. Hierzu ist es bekannt, eine Antriebswelle mit einem axialen Spiel einzusetzen, wobei die Antriebswelle mit Hilfe eines Federelements in einem Abstand von den bei­ den Endpositionen des Spiels gehalten wird. Die durch das Spiel gegebenen axiale Verschiebbarkeit der Antriebswelle muß begrenzt sein, um die Kraftübertragung auf das Gestänge beim Bohren nicht zu behindern. Beim Verbinden und Lösen der Gestängeschüsse bzw. des Gestängeadapters ist es daher mit dem beschriebenen System erforderlich, daß der Betreiber des Bohrgerätes die zu verschraubenden Verbindungselemente möglichst fein­ fühlig aneinander fährt, bis eine Positionierung erreicht ist, die es erlaubt, unter Ausnutzung des Spiels der Antriebswelle ein Einschrauben durchzu­ führen. Dieser Vorgang ist nicht nur schwierig, sondern führt häufig zu erheblichen Belastungen der Verbindungselemente, wenn die Positionierung des Gestängeadapters nicht ausreichend geglückt ist. In diesem Falle wird der Gestängeadapter in die Bohrstange eingeschraubt, wobei die Antriebs­ welle vor Erreichen der endgültigen Einschraubtiefe ihre Endposition in bezug auf das Spiel erreicht.

Die gleiche Situation ergibt sich beim Herausschrauben des Gestänge­ adapters, wenn die Antriebswelle nicht so akkurat positioniert wird, daß das zur Verfügung stehende Spiel zur Aufnahme der axialen Verschiebung beim Herausschrauben des Gestängeadapters ausreicht.

Die beschriebenen Schwierigkeiten stellen in der Praxis einen erheblichen Nachteil dar, da es sich bei dem Gestängeadapter um dasjenige Bauteil handelt, welches quantitativ die größte Verschraubungs- und Lösebeanspru­ chung ausgesetzt ist. Es handelt sich somit bei dem Gestängeadapter um eines der wesentlichen Verschleißteile bei der beschriebenen Vorrichtung.

Da der Schub/Drehantrieb erhebliche Kräfte auf das Bohrgestänge überträgt, stellt zudem ein Materialbruch im Bereich der Verbindungselemente eine Gefahr auf der Baustelle dar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der das Verbinden von Gestängeschüssen verbessert wird.

Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein entsprechendes Verfah­ ren bereitzustellen.

Die Lösung der Aufgabe ergibt sich aus den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt es, eine Information über eine Position der Antriebswelle in bezug auf deren Spiel zu ermitteln. Diese Information kann dem Bedienungspersonal angezeigt werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden verschiedene Positionen der Antriebswelle, insbesondere die Endstellungen ermittelt und angezeigt. Dies erlaubt es dem Bedienungspersonal, den Antrieb in bezug auf das im Erd­ reich befindliche Gestänge so zu verfahren, daß das Spiel der Antriebswelle optimal ausgenutzt wird. So kann beispielsweise beim Einschrauben die Antriebsstelle bis in die oder kurz vor die Endposition der Antriebswelle gefahren werden, in der eine Leuchtdiode oder eine Lampe oder eine mechanische Anzeigevorrichtung anzeigen kann, daß nun unter optimaler Ausnutzung des Spiels der Antriebswelle ein- oder ausgeschraubt werden kann.

Die Information über die Position der Antriebswelle kann auch zur Steuerung der Axialverschiebung der Antriebswelle eingesetzt werden. So kann bei­ spielsweise der Transversalantrieb bei Erreichen einer bestimmten Position der Antriebswelle unterbrochen oder zunächst verlangsamt und dann unterbrochen werden, so daß eine automatische Positionierung des Gestänge­ adapters möglich ist.

Die Position der Antriebswelle kann induktiv, kapazitativ, optisch, mecha­ nisch oder akustisch ermittelt und transportiert werden. Für die induktive Ermittlung kann beispielsweise ein Ringmagnet eingesetzt werden, der eine Induktionsänderung beim Verschieben einer entsprechend ausgestalteten Antriebswelle bewirkt. Der Ringmagnet kann aus einer Vielzahl auf dem Umfang der Antriebswelle angeordneter voneinander beabstandeter Magneten bestehen.

Die zu dem beschriebenen Zweck im Bereich der Antriebswelle angeordne­ ten Geber und Sensoren lassen sich aber auch zur Ermittlung weiterer Parameter, wie Winkellage oder Drehzahl einsetzen.

Besonders vorteilhaft ist es, die ermittelte Information über die Position der Antriebswelle zur Steuerung einer Zuschaltung eines Schlagantriebs einzu­ setzen. Dies erlaubt es, mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein von dem Widerstand in der Ortsbrust abhängiges Zu- oder Abschalten eines Schlagantriebs zu steuern.

Darüber hinaus kann der Verschiebeweg der Antriebswelle ermittelt werden, um Aussagen über den Bohrverlauf zu erhalten.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des näheren erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Schub/Drehantriebs mit verschiedenen Elementen der Erfindung;

Fig. 2 eine Schnittdarstellung des Gestängeadapters der Fig. 1;

Fig. 3 bevorzugte Ausführungsformen von Gebern und Sensoren der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung.

In Fig. 1 ist ein Schub/Drehantrieb 1 auf einer Bohrlafette 2 mit einer Antriebswelle 3 dargestellt. Die Antriebswelle 3 weist einen Gestängeadaper 4 auf.

Der Gestängeadapter 4 ist so ausgebildet, daß er mit den Gestängeschüs­ sen 6, 8, 10 verbunden werden kann.

Zum Verbinden werden die Gestängeschüsse mit Hilfe eines Greifers 12, wie er zum Einsetzen der Gestängeschüsse aus einem Gestängemagazin (nicht dargestellt) in die Bohrachse verwendet wird, oder mit Hilfe einer Klemm- und Lösevorrichtung 14 fixiert.

Zum Verschrauben von Antriebswelle und Gestängeschuß wird die Antriebswelle 3 mit dem Gestängeadapter 4 mit Hilfe der Lafette 2 an den Gestängeschuß 6 so weit herangefahren, daß das männliche Schraubver­ bindungselement 40 des Gestängeadapters 4 mit dem weiblichen Schraub­ verbindungselement 60 des Gestängeschusses 6 in Berührung gerät. Zwi­ schen der Antriebswelle 3 und dem Antrieb 1 ist ein Spiel vorgesehen, wel­ ches mit Hilfe einer Feder 30 in seiner ausgefahrenen Position gehalten wird. Vor dem Einschalten des Drehantriebs 1 zwecks Verschraubung des Gestängeadapters 4 mit dem Gestängeschuß 6 wird der Antrieb mit Hilfe der Lafette nochmals um ein Stück in Richtung des Gestängeschusses 6 verfah­ ren, um die Feder 30 vorzuspannen, so daß das Einschrauben des Gewin­ des 40 in Dose 60 ohne weiteres Verfahren der Lafette 2 mit Hilfe des Drehantriebs erfolgen kann.

Erfindungsgemäß ist nun ein Geber 20 vorgesehen, der über Sensoren 22, 24 ein Signal an eine Steuer- und/oder Anzeigevorrichtung 26 über die Stel­ lung der Antriebswelle bzw. des Gestängeadapters übermittelt.

Bei einer Ausführungsform kann mit Hilfe zweier Leuchtdioden 28, 39 oder Lampen angezeigt werden, ob die Antriebswelle in der optimalen Position für das Ein- oder für das Ausschrauben liegt. So kann beim Heranfahren der Antriebswelle 3 mit Gestängeadapter 4 mit Hilfe der Lafette 2 die Leuchtdi­ ode 28 bei oder kurz vor dem Erreichen der maximalen Federvorspannung der Feder 30 aufleuchten, um zu Signalisieren, daß die Phase des Ein­ schraubens mit Hilfe des Drehantriebs 1 nun eingeleitet werden kann.

Die Antriebswelle kann Geber 32, 34, 36 aufweisen, die als Magnetring 32 oder als einzelne Magnetelemente 34 oder auch mechanische Struktur 36 oder als radiale Eindrehung ausgebildet sind.

In Fig. 2 ist das Spiel bezüglich der Antriebswelle 3 und des Antriebs 1 als "ΔX" dargestellt.

Bei einer anderen Ausführungsform wird die Steuerung 26 zur Automatisie­ rung des Heranfahrens und Einschraubens eingesetzt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch zur Kontrolle der hinteren Erdlage der Antriebswelle 3 beim schlagenden Vortrieb eingesetzt werden. Dabei soll verhindert werden, daß die Antriebswelle sich beim Schlagen nicht in der hinteren Endlage befindet, um eine axiale Vorspannung zu erreichen.

Claims (22)

1. Vorrichtung für den horizontalen unterirdischen Gestängevortrieb mit einem Antrieb und einer Antriebswelle zur Übertragung der Antriebskraft auf ein schraubgekuppeltes Bohrgestänge, wobei die Antriebswelle zum Ausgleich der axialen Verschiebung beim An- oder Abschrauben eines Gestängeschusses zwischen zwei Endpositionen axial verschiebbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Antriebs­ welle (3) mindestens ein Geber (20, 32, 34, 36) oder Sensor (22, 24) angeordnet ist und die Antriebswelle (3) den Geber (20, 32, 34, 36) bei Erreichen mindestens einer bestimmten Position erregt.

2. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gebersignal einer Anzeigevorrichtung (26) zugeführt wird.

3. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Signale mehrerer Geber (20, 32, 34, 36) Anzeigevorrich­ tungen zugeführt werden, um verschiedene Positionen der Antriebswelle (3) anzuzeigen.

4. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gebersignale durch Leuchtdioden (28, 29) oder Lam­ pen oder eine mechanische Anzeigevorrichtung angezeigt werden.

5. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch eine optische Anzeigevorrichtung (26) zur Anzeige der beiden Endpositionen der Antriebswelle (3).

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebersignal zur Steuerung der Axialverschie­ bung Antriebswelle (3) verwendet wird.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebersignal den Axialantrieb (1) der Antriebswelle (3) in mindestens einer Position unterbricht.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebersignal den Rotationsantrieb in minde­ stens einer Stellung unterbricht.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn­ zeichnet durch einen induktiven, kapazitiven oder optischen, mechani­ schen oder akustischen Geber (20, 32, 34, 36) oder Sensor (22, 24).

10. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Geber oder Sensor als Ringmagnet (32) ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Geber oder Sensor als Ringmagnet (32) bestehend aus einer Vielzahl auf dem Umfang der Antriebswelle angeordneter von­ einander beabstandeter Magneten (34) ausgebildet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Geber oder Sensor als radiale Eindrehung ausgebil­ det ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Geber oder Sensor als radiale Erhebung (Nocken) ausgebildet ist.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Geber (20, 32, 34, 36) oder Sensor (22, 24) zur Ermittlung weiterer Parameter eingesetzt wird.

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Geber (20, 32, 34, 36) oder Sensor (22, 24) zur Ermittlung der Winkellage oder Drehzahl eingesetzt wird.

16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale eines oder zweier Geber den Axialan­ trieb (1) der Antriebswelle (3) kurz vor den axialen Endpositionen der Antriebswelle (3) unterbricht.

17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Gebersignal zur Kontrolle der hinteren Erdlage der Antriebswelle (3) beim schlagenden Vortrieb eingesetzt wird.

18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Geber (20, 32, 34, 36) oder Sen­ sor (22, 24) zur Messung und Darstellung des Verschiebewegs der Antriebswelle verwendet wird.

19. Antriebswelle zum Verbinden von Bohrgestängeschüssen mit einem Antrieb, wobei die Antriebswelle (3) axial verschiebbar gelagert ist, gekennzeichnet durch eine Anzeige der Axialposition der Antriebswelle (3) in mindestens einem Punkt.

20. Vorrichtung zur Ermittlung der axialen Position einer Antriebswelle (3) eines Antriebs für ein Bohrgestänge mit einem Sensor (22, 24) für die Ermittlung der axialen Position der Antriebswelle (3) und einer Anzeige­ einrichtung (26).

21. Steuereinheit zur Steuerung der axialen Position einer Antriebswelle (3) eines Antriebs (1) für ein Bohrgestänge mit einem Sensor (22, 24) für die Ermittlung mindestens einer axialen Position der Antriebswelle (3), wobei die Steuereinheit den Antrieb (1) bei Erreichen mindestens einer bestimmten Axialposition der Antriebswelle (3) unterbricht.

22. Verfahren zum An- und Abschrauben von Gestängeschüssen an eine axial verschiebbaren Antriebswelle eines Bohrantriebs mit einer Anzei­ gevorrichtung für die Endpositionen der Antriebswelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (3) mit dem Antrieb (1) an ein Gestängeschuß herangefahren wird, bis die Anzeigevorrichtung (26) im wesentlichen die Endposition anzeigt und maximal soweit eingeschraubt wird, bis die zweite Endposition erreicht ist und die Anzeigevorrichtung (26) dies anzeigt.