DE102013018585A1

DE102013018585A1 - Method for magnification of bore hole in e.g. clay floor and laying of pipeline into enlarged bore hole, involves rotating outer fitting opposite to direction of inner fitting, and inserting pipeline into bore hole at drilling device

Info

Publication number: DE102013018585A1
Application number: DE201310018585
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-02-05
Filing date: 2013-11-06
Publication date: 2014-08-07

Abstract

The method involves pulling and rotating an inner sleeve fitting (1) of a drilling device (2) by a drill string (4) in a bore hole (3). An outer sleeve fitting (5) is rotated by a drilling engine (6) in the drilling device opposite to a rotation direction of the inner sleeve fitting. A secured pipeline (7) is inserted into an enlarged bore hole (8) at the drilling device. Drilling liquid (9) is pumped into an annular space (10) between the pipeline and a wall of the enlarged bore hole at a rear part of the drilling device through a nozzle (11). An independent claim is also included for a drilling device.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie dabei einsetzbare Vorrichtungen zur Vergrößerung eines Bohrlochs und zur gleichzeitigen Verlegung einer Rohrleitung in das vergrößerte Bohrloch.The present invention relates to a method as well as usable devices for enlarging a borehole and simultaneously laying a pipeline in the enlarged borehole.

Stand der TechnikState of the art

Verfahren, mit denen Rohrleitungen in Bohrlöcher verlegt werden können, werden als ”grabenlose Bauweisen” bezeichnet. Zum heutigen Zeitpunkt gibt es zahlreiche grabenlose Bauweisen wie z. B. die gesteuerte Horizontalbohrtechnik, den gesteuerten Rohrvortrieb, das Pressbohrverfahren, das Pilotrohr-Verfahren etc.Procedures that allow pipelines to be routed into wells are referred to as "trenchless construction." At the present time there are numerous trenchless construction methods such. B. the controlled horizontal drilling technology, the controlled pipe jacking, the Pressbohrverfahren, the pilot pipe method, etc.

Der Stand der Technik im Hinblick auf das erfindungsgemäße Verfahren sowie die dabei einsetzbaren Vorrichtungen wird am ehesten durch die so genannte gesteuerte Horizontalbohrtechnik repräsentiert. Diese Technik wird auch als ”Horizontal Directional Drilling” – kurz ”HDD” – bezeichnet. Der Arbeitsablauf des HDD-Verfahrens unterteilt sich in der Regel in die drei aufeinander folgende Arbeitsschritte Pilotbohrung, Aufweitbohrung(en) und Einziehvorgang.The state of the art with regard to the method according to the invention and the devices which can be used in this case are most likely to be represented by the so-called controlled horizontal drilling technique. This technique is also referred to as "Horizontal Directional Drilling" - "HDD" for short. The workflow of the HDD process is usually divided into the three consecutive steps pilot hole, expansion bore (s) and Einziehvorgang.

Bei der Pilotbohrung wird von einem übertägig aufgestellten Bohrgerät ein aus einzelnen Bohrstangen (”Bohrgestänge”) zusammengesetzter Bohrstrang sukzessive in den Baugrund geschoben. Durch Drehen des Bohrstrangs kann ein am vorderen Ende des Bohrstrangs befindlicher Bohrkopf mit einer vorgegebenen Arbeitsrichtung (realisiert z. B. mittels einer Steuerfläche oder einer kleinen Abwinkelung) so positioniert werden, dass der Bohrkopf im Ergebnis ein Bohrloch entlang einer vorgegebenen, z. B. bananenförmigen Bohrlinie, erstellt.During the pilot drilling, a drill string composed of individual drill rods ("drill pipe") is successively pushed into the subsoil by a drill rig installed on a surface. By rotating the drill string, a drill bit located at the forward end of the drill string may be positioned with a predetermined working direction (realized, eg, by a control surface or a small bend) so that the drill head will, as a result, drill along a predetermined, e.g. B. banana-shaped drilling line created.

Nachdem der Bohrkopf den Zielpunkt der Bohrlinie erreicht hat, wird er vom Bohrstrang demontiert und stattdessen ein so genannter Räumer angebracht. Beim Räumer handelt es sich um ein Bohrwerkzeug, welches die Pilotbohrung auf einen größeren Durchmesser aufweitet. Dies geschieht, indem der Räumer drehend und mit hydraulischer Unterstützung durch verpumpte Bohrflüssigkeit von der Bohranlage durch das Pilotbohrloch zurück gezogen wird. Der Boden wird dabei wiederum hydraulisch-mechanisch abgebaut und von der Bohrflüssigkeit durch den Ringraum zwischen Rohrleitung und Bohrlochwand aus dem Bohrloch gefördert.After the drill head has reached the target point of the drill line, it is disassembled from the drill string and instead a so-called reamer attached. The reamer is a drilling tool that expands the pilot hole to a larger diameter. This is done by pivoting the reamer back and forth through the pilot hole with hydraulic assistance from pumped drilling fluid from the drilling rig. The soil is in turn degraded hydraulically-mechanical and promoted by the drilling fluid through the annulus between pipe and borehole wall from the well.

Diese Aufweitbohrung kann mit einem größeren Räumer wiederholt werden, und zwar in der Regel so oft, bis der Durchmesser des Bohrlochs einen Wert erreicht hat, der ca. 1,2- bis 1,5-fach so groß ist wie der Durchmesser der einzuziehenden Rohrleitung. Hierzu können bei großen Rohrleitungen bis zu sieben – oder bei ungünstigem Baugrund sogar mehr – Arbeitsschritte erforderlich werden.This expansion bore can be repeated with a larger reamer, usually until the diameter of the well has reached a value that is approximately 1.2 to 1.5 times the diameter of the pipe to be recovered , For large pipelines, up to seven or, in the case of unfavorable ground, even more work steps may be required.

Im letzten Arbeitsschritt des HDD-Verfahrens wird dann die (meistens in einem Stück vorbereitete) Rohrleitung mit dem Bohrstrang verbunden und von der Bohranlage in das Bohrloch eingezogen. Bei kleineren Bohrungsdimensionen werden mitunter auch der Aufweitschritt und der Einziehvorgang zusammengefasst, d. h. die Rohrleitung wird während einer (einzigen) Aufweitung der Pilotbohrung eingezogen.In the last step of the HDD process, the pipeline (usually prepared in one piece) is then connected to the drill string and drawn into the well by the drilling rig. For smaller bore dimensions, sometimes also the expansion step and the threading process are summarized, i. H. the pipeline is retracted during a (single) widening of the pilot hole.

Nachteile des Stands der TechnikDisadvantages of the prior art

Generell stellt die zur Zeit fehlende Möglichkeit, Pilotbohrungen für die Verlegung großer Rohrleitungen in einem Arbeitsschritt aufzuweiten und die Rohrleitungen gleichzeigt dabei einzuziehen, einen ganz erheblichen technischen und wirtschaftlichen Nachteil des Stands der Technik dar. Die oben beschriebenen Arbeitsabläufe weisen darüber hinaus weitere, spezifische Nachteile in technischer und wirtschaftlicher Hinsicht auf.In general, the current lack of opportunity to expand pilot wells for the laying of large pipes in one step and draw the same pipes show a very significant technical and economic disadvantage of the prior art. The above-described workflows also have other specific disadvantages technical and economic terms.

So ist zum Beispiel die Zentrierung von Räumern in großen Bohrlöchern schwierig, da sämtliche Räumer – bedingt durch ihr Eigengewicht und den Rechtdrall durch den sie antreibenden Bohrstrang – die Tendenz haben, die Achse des aufgeweiteten Bohrlochs (gegenüber dem vorherigen Bohrloch) seitlich nach unten zu verschieben. Dieser auch als ”Schlüsselloch-Effekt” bezeichnete Vorgang führt unter anderem dazu, dass insgesamt ein erheblich größeres Bohrloch erstellt wird, als wenn die Räumer perfekt zentriert wären. Dies bringt ganz erhebliche wirtschaftliche Nachteile mit sich (mehr Bohrspülung, mehr Bohrklein, längere Arbeitszeiten etc.), insbesondere dann, wenn zahlreiche Aufweitgänge bis zum Erreichen des erforderlichen Enddurchmessers erforderlich werden.For example, centering scrapers in large wells is difficult because all scavengers - due to their own weight and the rightfulness of the drill string driving them - tend to shift the axis of the flared wellbore sideways (as opposed to the previous wellbore) , This process, also known as the "keyhole effect", among other things, results in a significantly larger drill hole being created overall than if the scrapers were perfectly centered. This entails very significant economic disadvantages (more drilling fluid, more cuttings, longer working hours, etc.), especially when numerous expansion passages are required to reach the required final diameter.

Des Weiteren müssen große Bohrlöcher heute zu Tage in mehreren Arbeitsschritten auf ihren geplanten Enddurchmesser aufgeweitet werden, weil ansonsten die Drehmomentanforderungen des Räumers die Kapazitäten auch hochfester Bohrstränge übersteigen würden. Aus diesem Grund muss die spezifische Schnittfläche je Räumgang nicht nur der örtlichen Geologie sondern auch den maximal möglichen Drehmomenten angepasst werden.Furthermore, large wells today have to be expanded in several steps to their planned final diameter, otherwise the torque requirements of the reamer would exceed the capacities of even high strength drill strings. For this reason, the specific cutting surface per clearing must be adapted not only to the local geology but also to the maximum possible torques.

Ein weiterer Nachteil des Stands der Technik ist darin zu sehen, das die Fließgeschwindigkeit der mit Bohrklein beladenen Bohrflüssigkeit überproportional mit dem Bohrlochdurchmesser abnimmt, d. h. die Fließgeschwindigkeit kann bei großen Bohrlöchern auf wenige Zentimeter pro Sekunde abnehmen. Dieser Effekt birgt die große Gefahr, dass der am Räumer gelöste Boden – der als Bohrklein von der Bohrflüssigkeit aus dem Bohrloch heraus transportiert werden soll – sich auf seinem Weg aus dem Bohrloch heraus absetzt und dann gravierende Probleme beim späteren Einzug der Rohrleitung erzeugen kann. Diesem Ablagerungseffekt kann auch bei Einsatz einer besonders aufwendigen, teureren Bohrflüssigkeit nur unvollkommen begegnet werden.A further disadvantage of the prior art is that the flow rate of the cuttings-laden drilling fluid decreases disproportionately with the diameter of the borehole, ie the flow rate can be reduced to a few centimeters per second for large boreholes lose weight. This effect entails the great danger that the soil dissolved on the reamer - which is to be transported as drill cuttings from the drilling fluid out of the borehole - settles out on its way out of the borehole and can then cause serious problems in the subsequent collection of the pipeline. This deposition effect can be met only imperfectly even when using a particularly expensive, more expensive drilling fluid.

Der Ablagerungseffekt wird nach dem Stand der Technik weiterhin dadurch verschärft, dass bisher verfahrensbedingt bei der Durchführung der Räumgänge eine Unterbrechung des Flüssigkeitsstroms im Bohrloch erforderlich ist. Dies ist dadurch bedingt, dass die Räumer immer nur um eine Bohrstangenlänge bewegt werden können, weil diese Längeneinheit dem maximalen Verfahrweg des Bohrschlittens auf der Bohranlage entspricht. Dann muss zunächst die Bohrstange auf der Bohranlage vom Bohrstrang abgeschraubt und abgelegt werden. Während dieser Phase kann keine Bohrflüssigkeit verpumpt werden und demzufolge findet während dieser Zeit überhaupt keine Fließbewegung im Bohrloch statt. Die Gefahr von Sedimentationen ist deshalb in diesen Phasen des Bohrstangenwechsels besonders groß. Einmal abgesetztes Bohrklein lässt sich bei Fortgang der Arbeiten nur sehr schwer wieder in Schwebe versetzen.The deposition effect is further exacerbated by the prior art, that hitherto process-related in the execution of clearances, an interruption of the liquid flow in the borehole is required. This is due to the fact that the scrapers can only ever be moved by one drill rod length because this unit of length corresponds to the maximum travel of the drill carriage on the drilling rig. Then first the drill rod on the rig must be unscrewed from the drill string and stored. During this phase, no drilling fluid can be pumped and, consequently, there is no flow in the borehole during this time. The risk of sedimentation is therefore particularly great in these phases of the drill rod change. Once removed cuttings can be very difficult to put into suspension again as the work progresses.

Ein insbesondere aus risikotechnischer Sicht nicht zu unterschätzender Nachteil des Stands der Technik nach dem HDD-Verfahren ist darin zu sehen, dass das Bohrloch bis zum Einzug der Rohrleitung alleine von der im Bohrloch befindlichen Bohrflüssigkeit gestützt und offengehalten wird. Eine mechanische Stützung erfolgt nicht, da der im Bohrloch befindliche Bohrstrang einen viel zu kleinen Durchmesser (gegenüber dem Bohrlochdurchmesser) aufweist, um eine spürbare mechanische Stützung zu bewirken.A particular disadvantage from a risk engineering point of view of the prior art according to the HDD method is the fact that the borehole is supported and kept open until the pipeline is pulled in by the drilling fluid located in the borehole alone. Mechanical support does not occur because the downhole drill string is much too small in diameter (versus the diameter of the wellbore) to provide appreciable mechanical support.

Beim Einzug der Rohrleitung in das aufgeweitete Bohrloch wird außerdem zwangsläufig die von der Rohrleitung verdrängte Bohrflüssigkeit aus dem Bohrloch herausgedrückt. Dieser Überschuss an Bohrflüssigkeit muss zunächst zwischengelagert werden (Speicherbecken) und anschließend umweltgerecht entsorgt werden. Auch dies führt zu erheblichen logistischen Herausforderungen und wirtschaftlichen Belastungen (Transporte, Entsorgungskosten).When the pipeline is drawn into the expanded borehole, the drilling fluid displaced by the pipeline is forced out of the borehole as well. This excess of drilling fluid must first be stored (reservoir) and then disposed of in an environmentally sound manner. This also leads to significant logistical challenges and economic burdens (transport, disposal costs).

Technische AufgabeTechnical task

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren sowie dabei einsetzbare Vorrichtungen zu schaffen, mit denen (Pilot)-Bohrungen in einem Schritt auf einen großen Enddurchmesser vergrößert werden können und gleichzeitig mit dem Aufweiten des (Pilot)-Bohrlochs eine Rohrleitung in das vergrößerte Bohrloch eingezogen werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die dabei einsetzbaren Vorrichtungen sollen sowohl in Lockergesteinsböden (Ton, Schluff, Sand etc.) als auch in Fels einsetzbar sein.The present invention is based on the object to provide a method and thereby usable devices with which (pilot) holes can be increased in one step to a large final diameter and at the same time with the expansion of the (pilot) -bottom a pipe in the enlarged borehole can be recovered. The method according to the invention and the devices which can be used in this case should be usable both in unconsolidated soil (clay, silt, sand, etc.) and in rock.

Lösung der technischen AufgabeSolution of the technical task

Die technische Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren entsprechend den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 3 sowie dabei einsetzbaren Vorrichtungen entsprechend den Merkmalen der Ansprüche 4 bis 9.The technical problem is solved by a method according to the features of claims 1 to 3 as well as usable devices according to the features of claims 4 to 9.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird eine (Pilot)-Bohrung in einem Arbeitsschritt auf einen Durchmesser vergrößert, der geeignet ist, direkt eine Rohrleitung aufzunehmen. Hierzu wird eine Bohrvorrichtung verwendet, die einen inneren Schneidring und einen (gegenläufig drehenden) äußeren Schneidring aufweist. Der innere Schneidring wird dabei von einem vorderen, in der (Pilot)-Bohrung befindlichen Bohrstrang angetrieben und gezogen, während der äußere Schneidring von einem in der Bohrvorrichtung befindlichen Bohrmotor angetrieben wird.In the method according to the invention, a (pilot) bore is enlarged in one working step to a diameter which is suitable for directly receiving a pipeline. For this purpose, a drilling device is used, which has an inner cutting ring and a (counter-rotating) outer cutting ring. The inner cutting ring is thereby driven and pulled by a front drill string located in the (pilot) bore, while the outer cutting ring is driven by a drill motor located in the drilling apparatus.

Die Zugkräfte des Bohrstrangs übertragen sich zunächst auf den inneren Schneidring, von dort auf den äußeren Schneidring und schließlich über ein Maschinenrohr der Bohrvorrichtung auf eine einzuziehende Rohrleitung. Um eine Drehmomentübertragung vom inneren Schneidring auf den äußeren Schneidring und vom äußeren Schneidring auf das Maschinenrohr zu verhindern, befinden sich zwischen innerem Schneidring und äußerem Schneidring sowie zwischen äußerem Schneidring und Maschinenrohr jeweils Drehwirbel. Drehwirbel sind dadurch gekennzeichnet, dass sie Axialkräfte – aber keine Drehmomente – übertragen können.The tensile forces of the drill string are first transferred to the inner cutting ring, from there to the outer cutting ring and finally via a machine tube of the drilling device on a pipeline to be recovered. In order to prevent a torque transmission from the inner cutting ring on the outer cutting ring and the outer cutting ring on the machine tube, are located between the inner cutting ring and outer cutting ring and between the outer cutting ring and machine tube respectively swivel. Swivels are characterized in that they can transmit axial forces - but no torques.

Der vor der Bohrvorrichtung anstehende Boden wird mechanisch von dem inneren und dem äußeren Schneidring gelöst. Unterstützt wird diese mechanische Lösearbeit hydraulisch durch Bohrflüssigkeit, die unter hohem Druck aus Düsen in den beiden Schneidrädern austritt. Die Bohrflüssigkeit vermischt sich dann mit dem gelösten Boden und trägt dieses Bohrklein durch den Ringraum zwischen Rohrleitung und Bohrlochwand aus dem Bohrloch aus. Die Bohrflüssigkeit wird dabei dem inneren Schneidring durch den Bohrstrang und dem äußeren Schneidring durch einen in der Rohrleitung befindlichen, mit dem Bohrmotor verbundenen Rohrstrang zugeführt.The soil in front of the drilling device is mechanically released from the inner and outer cutting rings. This mechanical release work is supported hydraulically by drilling fluid, which escapes under high pressure from nozzles in the two cutting wheels. The drilling fluid then mixes with the dissolved soil and discharges this cuttings out of the wellbore through the annulus between the tubing and borehole wall. The drilling fluid is thereby fed to the inner cutting ring through the drill string and the outer cutting ring through a pipe string located in the pipeline and connected to the drilling motor.

Die Zugkraft wird von einem übertägig aufgestellten Horizontalbohrgerät auf den Bohrstrang aufgebracht. Der Bohr- und Verlegevorgangs erfolgt schrittweise, indem immer ein Bohrgestänge des Bohrstrangs mittels des verfahrbaren Bohrschlittens der Bohranlage gezogen wird. Der Verfahrweg des Bohrschlittens entspricht dabei etwa der Länge handelsüblicher Bohrgestänge. Sobald ein Bohrgestänge gezogen wurde, wird der Bohr- und Verlegevorgang unterbrochen, um dieses Bohrgestänge vom Bohrstrang zu demontieren und den Schlitten wieder mit dem Bohrstrang zu verbinden.The pulling force is applied to the drill string by a horizontal drilling rig set upside down. The drilling and laying process is carried out step by step by always pulling a drill rod of the drill string by means of the movable drilling carriage of the drilling rig. The travel of the drill carriage corresponds approximately to the length commercial drill pipe. Once a drill string has been pulled, the drilling and laying operation is interrupted to disassemble this drill string from the drill string and to reconnect the sled to the drill string.

Während dieser Unterbrechung des Bohr- und Verlegevorgangs kann keine Bohrflüssigkeit durch den Bohrstrang gepumpt werden und demzufolge findet in diesem Zeitraum im Ringraum auch kein Transport von Bohrklein statt. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird jedoch während dieser Zeit durch eine spezielle Spülungsleitung in der Bohrvorrichtung ein kontinuierlicher Bohrkleintransport im Ringraum aufrecht erhalten, indem die während des Bohr- und Verlegevorgangs zum Antrieb des Bohrmotors erforderliche Bohrflüssigkeit mittels eines Verteilers und der Spülungsleitung direkt in den Ringraum umgeleitet wird.During this interruption of the drilling and laying process, no drilling fluid can be pumped through the drill string and consequently there is no transport of cuttings in the annulus during this period. In a preferred embodiment of the method according to the invention, however, a continuous cuttings transport in the annulus is maintained during this time by a special flushing line in the drilling device by the required during the drilling and laying operation for driving the drilling motor drilling fluid by means of a distributor and the flushing line directly into the Annulus is redirected.

Durch die beschriebene Arbeitsweise wird verhindert, dass der Bohrmotor während der Gestängewechsel in Betrieb bleibt und dabei den äußeren Schneidring dreht. Dadurch werden die begrenzten Betriebsstunden eines Bohrmotors nicht unnütz verwendet und es wird außerdem verhindert, dass der sich drehende äußere Schneidring (zusammen mit der dabei an seinen Düsen austretenden Bohrflüssigkeit) während der Stillstandszeit eine Kaverne im Bereich der Bohrvorrichtung erzeugt, die je nach Art des gerade durchbohrten Bodens zu Bohrlocheinstürzen führen kann, die im Ergebnis sogar die Bohrvorrichtung und/oder die Rohrleitung festsetzen können.The described operation prevents the drill motor during operation of the linkage remains in operation while rotating the outer cutting ring. Thereby, the limited operating hours of a drilling motor are not uselessly used and it is also prevented that the rotating outer cutting ring (together with the thereby emerging at its nozzles drilling fluid) generates a cavern in the region of the drilling device during downtime, depending on the type of straight drilled soil can lead to borehole collapses, which may even result in setting up the boring device and / or pipeline.

Bei sehr großen Bohrungslängen und/oder sehr großen Durchmessern der Rohrleitungen kann die von einem Horizontalbohrgerät auf den Bohrstrang übertragbare Zugkraft eventuell nicht ausreichen, um die im Bohrloch entstehenden Reibungskräfte zu überwinden. In diesem Fall ist es möglich, zusätzlich von einer außerhalb des Bohrlochs aufgestellten Schubvorrichtung Schubkräfte auf die Rohrleitung aufzubringen. Dadurch werden von der einen Seite (Horizontalbohrgerät) über den Bohrstrang Zugkräfte auf die Bohrvorrichtung aufgebracht und von der anderen Seite (Schubvorrichtung) werden Schubkräfte auf die Rohrleitung und über die Rohrleitung auf die Bohrvorrichtung erzeugt.In the case of very large bore lengths and / or very large diameters of the pipelines, the tensile force that can be transmitted to the drill string by a horizontal boring machine may not be sufficient to overcome the frictional forces arising in the borehole. In this case, it is possible to additionally apply thrust forces to the pipeline from a pusher installed outside the borehole. As a result, tensile forces are applied to the drilling device from one side (horizontal drilling device) via the drill string, and from the other side (pushing device), shear forces are generated on the pipeline and via the pipeline on the drilling device.

Die Kombination dieser Merkmale wird von keinem der existierenden Verfahren erfüllt.The combination of these features is not met by any of the existing methods.

Die Bohrvorrichtung wird zu einem großen Teil von einem Maschinenrohr umschlossen. Dieses Maschinenrohr ist gelenkig aus mindestens zwei Teilen aufgebaut, so dass die gesamte Vorrichtung auch bei einem relativ großen Durchmesser problemlos engen Bohrungsverläufen folgen kann. Die Gelenkverbinder zwischen den einzelnen Teilen der Bohrvorrichtung können dabei z. B. aus Federpaketen bestehen oder mittels schwimmend gelagerter Hydraulikzylinder realisiert werden. In einem bevorzugten Ausführungsfall weisen die Gelenkverbinder Dichtungen auf, die ein Eindringen von Wasser oder Bohrflüssigkeit in die Bohrvorrichtung verhindern.The drilling device is largely enclosed by a machine tube. This machine tube is articulated from at least two parts, so that the entire device can easily follow even with a relatively large diameter narrow bore gradients. The joint connector between the individual parts of the drilling device can be z. B. consist of spring packs or be realized by floating hydraulic cylinder. In a preferred embodiment, the joint connectors have seals that prevent ingress of water or drilling fluid into the drilling device.

Bei den Bohrmotoren handelt es sich bevorzugt um die in der Bohrindustrie üblichen Schrauben-Motoren nach dem Moineau-Prinzip, die das erforderliche Antriebsdrehmoment aus der durch den Motor hindurch strömenden Bohrflüssigkeit generieren. Bei besonders großem Drehmomentbedarf an den angetriebenen Schneidrädern kann zwischen Motor und Schneidring zusätzlich ein Getriebe integriert werden, in dem die Drehzahl des Motors reduziert und das Antriebsmoment vergrößert wird.The drilling motors are preferably Moineau-type screw motors commonly used in the drilling industry, which generate the required drive torque from the drilling fluid flowing through the engine. For particularly large torque demand on the driven cutting wheels can be integrated between the engine and cutting ring in addition a gear in which reduces the speed of the motor and the drive torque is increased.

Auch der innere Schneidring kann von einem Bohrmotor angetrieben werden, indem dieser Bohrmotor zwischen Bohrstrang und innerem Schneidring positioniert wird.Also, the inner cutting ring can be driven by a drill motor by this drill motor between the drill string and inner cutting ring is positioned.

Um das relativ große Gewicht der erfindungsgemäßen Bohrvorrichtung zu kompensieren und ein unnötiges Absinken im Bohrloch zu verhindern, können bevorzugt im inneren Schneidring Auftriebskörper vorgesehen werden. Dieser Auftriebseffekt wird außerdem unterstützt, wenn am Ende der Bohrvorrichtung eine wasserdichte Schottwand vorgesehen wird, die das Innere der Bohrvorrichtung gegenüber der Rohrleitung abschottet. Dieses Merkmal ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Rohrleitung aus Gründen der Ballastierung während des Verlegevorgangs mit Wasser geflutet wird.In order to compensate for the relatively large weight of the drilling device according to the invention and to prevent unnecessary sinking in the borehole, preferably buoyancy bodies can be provided in the inner cutting ring. This buoyancy effect is also assisted if at the end of the drilling device a watertight bulkhead is provided which seals off the interior of the drilling device from the pipeline. This feature is particularly advantageous when the pipeline is flooded with water during the laying process for reasons of ballasting.

Durch einen Verteiler zwischen Rohrstrang und Bohrmotor kann im Bedarfsfall (z. B. bei Gestängewechsel) die Bohrflüssigkeit anstatt durch den Bohrmotor durch eine Spülungsleitung gepumpt werden. Dabei ist das Ende der Spülungsleitung über Düsen so ausgestaltet, dass die Bohrflüssigkeit direkt in den Ringraum zwischen Wandung des vergrößerten Bohrlochs und Rohrleitung gepumpt wird.Through a distributor between the pipe string and the drill motor, the drilling fluid can be pumped through a flushing line instead of through the drilling motor if required (eg during rod change). In this case, the end of the flushing line via nozzles is designed so that the drilling fluid is pumped directly into the annulus between the wall of the enlarged borehole and pipeline.

Die Kombination dieser Merkmale wird von keiner der existierenden Vorrichtungen erfüllt.The combination of these features is not met by any of the existing devices.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung können (Pilot)-Bohrlöcher in einem Arbeitsschritt auf den für die Verlegung großer Rohrleitungen erforderlichen Durchmesser vergrößert werden und gleichzeitig mit der Vergrößerung des (Pilot)-Bohrlochs kann dabei eine Rohrleitung in das vergrößerte Bohrloch eingezogen werden.With the aid of the present invention, (pilot) wells can be increased in one step to the diameter required for laying large pipelines, and at the same time as the (pilot) well is enlarged, a pipeline can be drawn into the enlarged well.

Bedingt durch die gegenläufig rotierenden Schneidräder kommt es zu keinem ”Rechtsdrall” der Bohrvorrichtung; stattdessen folgt die erfindungsgemäße Bohrvorrichtung exakt dem horizontalen Verlauf der (Pilot)-Bohrung.Due to the counter-rotating cutting wheels, there is no "right-hand spiral" of drilling; instead, the drilling device according to the invention follows exactly the horizontal course of the (pilot) bore.

Durch die optional vorgesehenen Auftriebskörper wird darüber hinaus die ”Schwerkraftkomponente” minimiert, d. h. die erfindungsgemäße Bohrvorrichtung folgt auch exakt dem vertikalen Verlauf der (Pilot)-Bohrung.In addition, by the optional buoyancy body, the "gravity component" is minimized, d. H. The drilling device according to the invention also follows exactly the vertical course of the (pilot) bore.

Die gelenkig aufgebaute Bohrvorrichtung ermöglicht darüber hinaus eine hohe Kurvengängigkeit, was ebenfalls wiederum dem exakten Folgen eines möglicherweise sehr kurvigen (Pilot)-Bohrungsverlaufs zugutekommt. Diesem vergrößerten Bohrloch kann auch eine relativ biegesteife Rohrleitung folgen, da durch den Ringraum zwischen Rohrleitung und Bohrlochwand entsprechende ”Bewegungsfreiheit” geschaffen wurde.In addition, the articulated drilling device allows a high degree of turnability, which in turn also benefits the exact consequences of a possibly very curvy (pilot) bore course. This enlarged borehole can also be followed by a relatively rigid pipeline, as a result of the annular space between the pipeline and borehole wall corresponding "freedom of movement" was created.

Durch die Aufteilung der gesamten Schnittflächen auf einen inneren und einen äußeren Schneidring wird sichergestellt, dass die Drehmomentbelastungen für den antreibenden Bohrstrang bzw. den Bohrmotor in technisch vertretbaren Grenzen bleiben. Dadurch können hohe Produktivität (Bohr- und Verlegeleistung) und geringes Schadensrisiko (z. B. Abdrehen des Bohrstrangs wegen Überlastung) miteinander in Einklang gebracht werden.By dividing the entire cut surfaces on an inner and an outer cutting ring ensures that the torque loads for the driving drill string or the drill motor remain within technically reasonable limits. This allows high productivity (drilling and laying performance) and low risk of damage (eg twisting of the drill string due to overloading) to be reconciled.

Durch die Möglichkeit, auch bei Gestängewechseln an der Bohranlage den Bohrflüssigkeitsstrom im Ringraum aufrecht erhalten zu können, wird das Risiko von Bohrkleinsedimentationen und den daraus möglichen negativen Folgen (z. B. Festwerden der Rohrleitung) minimiert. Diesem Ziel dient auch die im Vergleich zum Stand der Technik deutlich größere Strömungsgeschwindigkeit im Ringraum.The possibility of maintaining the drilling fluid flow in the annulus even during drill changes on the drilling rig minimizes the risk of cuttings sedimentation and the resulting negative consequences (eg solidification of the pipeline). This goal is also the significantly higher flow velocity in the annulus compared to the prior art.

Ein weiterer signifikanter Vorteil – insbesondere in nicht standfesten Böden – ist darin zu sehen, dass das vergrößerte Bohrloch kontinuierlich durch die Rohrleitung mechanisch gestützt werden kann. Ein vollständiger Bohrlochkollaps kann so ausgeschlossen werden.Another significant advantage - especially in unstable soils - is the fact that the enlarged borehole can be continuously mechanically supported by the pipeline. A complete borehole collapse can be excluded.

Im Ergebnis können so mit der Erfindung große Rohrleitungen schneller, sicherer und kostengünstiger in Bohrlöchern verlegt werden als derzeit nach dem Stand der Technik möglich.As a result, with the invention large pipes can be laid faster, safer and more cost-effective in boreholes than currently possible according to the prior art.

Zeichnungendrawings

Das erfindungsgemäße Verfahren sowie dabei einsetzbare Vorrichtungen werden anhand von Zeichnungen dargestellt und nachfolgend erläutert, wobei die dort gezeigten Merkmale beispielhaften Charakter aufweisen.The method according to the invention and devices which can be used in the process are illustrated with reference to drawings and explained below, wherein the features shown there have exemplary character.

Die Zeichnungen zeigen:The drawings show:

1: Beispielhafte Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bohrvorrichtung (Seitenansicht/Schnitt). 1 : Exemplary representation of a preferred embodiment of the drilling device according to the invention (side view / section).

2: Beispielhafte Darstellung der Schnittflächen erfindungsgemäßen Bohrvorrichtung (Vorderansicht). 2 : Exemplary representation of the cutting surfaces of the drilling device according to the invention (front view).

In 1 wird eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bohrvorrichtung dargestellt.In 1 a preferred embodiment of the drilling device according to the invention is shown.

In einer zu verlegenden Rohrleitung 7 befindet sich ein Rohrstrang 17, durch den Bohrflüssigkeit 9 gepumpt werden kann. Die Rohrleitung 7 ist an ihrer vorderen Seite zug- und druckfest mit einer Bohrvorrichtung 2 verbunden.In a pipeline to be laid 7 there is a pipe string 17 , through the drilling fluid 9 can be pumped. The pipeline 7 is on its front side tensile and pressure resistant with a drilling device 2 connected.

Die äußere Hülle der Bohrvorrichtung 2, das Maschinenrohr 14, besteht im dargestellten Fall aus vier mittels Gelenkverbindern 15 gelenkig miteinander verbundenen Segmenten. Im Inneren des Maschinenrohrs 14 ist ein Bohrmotor 6 angebracht, der mittels Abstandshalter 16 im Maschinenrohr 14 fixiert ist.The outer shell of the drilling device 2 , the machine pipe 14 , In the illustrated case consists of four by means of joint connectors 15 articulated interconnected segments. Inside the machine pipe 14 is a drill motor 6 attached by means of spacers 16 in the machine tube 14 is fixed.

Zwischen Rohrstrang 17 und Bohrmotor 6 ist ein Verteiler 18 positioniert. Dieser kann über Klappen 19 den Strom der Bohrflüssigkeit 9 entweder zu dem Bohrmotor 6 oder durch Spülungsleitungen 20 zu Düsen 11 leiten. Während des Bohrvorgangs wird die Bohrflüssigkeit 9 zum Antrieb des Bohrmotors 6 benötigt. Während Unterbrechungen des Bohrvorgangs kann die Bohrflüssigkeit 9 direkt in den Ringraum 10 des vergrößerten Bohrlochs 8 geleitet werden. Der Ringraum 10 wird auf der einen Seite von der Bohrlochwand des vergrößerten Bohrlochs 8 und auf der anderen Seite von der Rohrleitung 7 begrenzt.Between pipe string 17 and drilling motor 6 is a distributor 18 positioned. This can be over flaps 19 the stream of drilling fluid 9 either to the drill motor 6 or through flushing lines 20 to nozzles 11 conduct. During the drilling process, the drilling fluid 9 for driving the drilling motor 6 needed. During interruptions of the drilling process, the drilling fluid 9 directly into the annulus 10 of the enlarged borehole 8th be directed. The annulus 10 becomes on one side of the borehole wall of the enlarged borehole 8th and on the other side of the pipeline 7 limited.

Der Bohrmotor 6 ist auf der vorderen Seite mit einem Getriebe 24 verbunden. Die Abtriebsseite des Getriebes ist mit einem äußeren Schneidring 5 verbunden. Dieser äußere Schneidring 5 wird von dem Bohrmotor 6 angetrieben. Dabei wird eine Übertragung der Drehbewegung des äußeren Schneidrings 5 auf das Maschinenrohr 14 mittels eines Drehwirbels 13 unterbunden. Der Drehwirbel 13 ist so ausgestaltet, dass er zwar keine Drehmomente, wohl aber Schub- und Druckkräfte übertragen kann.The drill motor 6 is on the front side with a gearbox 24 connected. The output side of the gearbox is equipped with an outer cutting ring 5 connected. This outer cutting ring 5 is from the drill motor 6 driven. In this case, a transmission of the rotational movement of the outer cutting ring 5 on the machine tube 14 by means of a rotation vortex 13 prevented. The swivel 13 is designed in such a way that, although it can transmit no torques, but thrusting and compressive forces.

Die während des Bohrvorgangs durch den Rohrstrang 17, den Verteiler 18, den Bohrmotor 6 und das Getriebe 24 in den äußeren Schneidring 5 verpumpte Bohrspülung 9 tritt an Düsen 11 des äußeren Schneidrings 5 aus und unterstützt dabei die mechanische Lösearbeit des äußeren Schneidrings 5.The during the drilling process through the tubing 17 , the distributor 18 , the drill motor 6 and the gearbox 24 in the outer cutting ring 5 pumped drilling fluid 9 occurs at nozzles 11 of the outer cutting ring 5 and thereby supports the mechanical release work of the outer cutting ring 5 ,

Der äußere Schneidring 5 ist über einen weiteren Drehwirbel 13 mit einem inneren Schneidring 1 zug- und druckfest verbunden, ohne dass jedoch Drehmomente von dem äußeren Schneidring 5 auf den inneren Schneidring 1 oder umgekehrt übertragen werden können. Der innere Schneidring 1 ist darüber hinaus in dem äußeren Schneidring 5 mittels Lager 12 gelagert.The outer cutting ring 5 is about another spin 13 with an inner cutting ring 1 Tension and pressure-tight, but without torques from the outer cutting ring 5 on the inner cutting ring 1 or vice versa. The inner cutting ring 1 is also in the outer cutting ring 5 by means of bearings 12 stored.

Das vordere Ende des inneren Schneidrings 1 ist mit einem Bohrstrang 4 verbunden. Dieser Bohrstrang 4 wird von einer (nicht dargestellten) Bohranlage angetrieben. Dabei werden zum Einen die für den Bohrvorgang am inneren Schneidring 1 erforderlichen Drehmomente zugeführt und zum Anderen wird die für den Bohr- und Verlegevorgang insgesamt erforderliche Zugkraft vom Bohrstrang 4 in den inneren Schneidring 1 geleitet. Diese Zugkraft wird über die beiden Drehwirbel 13 auf den äußeren Schneidring 5 sowie das Maschinenrohr 14 und vom Maschinenrohr 14 auf die Rohrleitung 7 weitergeleitet.The front end of the inner cutting ring 1 is with a drill string 4 connected. This drill string 4 is driven by a (not shown) drilling rig. On the one hand, for the drilling on the inner cutting ring 1 required torques supplied and on the other hand, the total required for the drilling and laying process traction from the drill string 4 in the inner cutting ring 1 directed. This tensile force is over the two swivel 13 on the outer cutting ring 5 as well as the machine tube 14 and from the machine tube 14 on the pipeline 7 forwarded.

Die durch den Bohrstrang 4 dem inneren Schneidring 1 zugeführte Bohrflüssigkeit 9 tritt an Düsen 11 des inneren Schneidrings 1 aus und unterstützt dabei die mechanische Lösearbeit des inneren Schneidrings 1.The through the drill string 4 the inner cutting ring 1 supplied drilling fluid 9 occurs at nozzles 11 of the inner cutting ring 1 and thereby supports the mechanical release work of the inner cutting ring 1 ,

Die Vorderseite des inneren Schneidrings 1 ist gegenüber der vorderen Seite des äußeren Schneidrings etwas versetzt, so dass sich in der Seitenansicht ein stufiges (”konisches”) Schnittbild ergibt. Dadurch wird die Zentrierung der Bohrvorrichtung 2 in Bezug auf die Achse der (Pilot)-Bohrung 3 weiter optimiert.The front of the inner cutting ring 1 is slightly offset from the front side of the outer cutting ring, so that in the side view results in a stepped ("conical") sectional image. This will cause the centering of the drilling device 2 with respect to the axis of the (pilot) bore 3 further optimized.

Die Rohrleitung 7 kann im leeren Zustand eine große Auftriebskraft entwickeln (insbesondere bei einer ”schweren” Bohrflüssigkeit 9 im Ringraum 10). Deshalb ist es oft sinnvoll, die Rohrleitung 7 während des Verlegevorgangs mit Wasser 25 zu ballastieren. Um zu verhindern, dass relativ sensible Bauteile wie z. B. der Verteiler 18 dabei durch Feuchtigkeit beschädigt werden, ist das hintere Ende der Bohrvorrichtung 2 durch eine Schottwand 22 vom Inneren der Rohrleitung 7 getrennt.The pipeline 7 can develop a large buoyancy force when empty (especially with a "heavy" drilling fluid) 9 in the annulus 10 ). That is why it is often useful to pipe 7 during the laying process with water 25 to ballast. To prevent relatively sensitive components such. B. the distributor 18 Damaged by moisture, is the back end of the drill 2 through a bulkhead 22 from the inside of the pipeline 7 separated.

Im Gegensatz zu der Rohrleitung 7 ist die Bohrvorrichtung 2 aufgrund ihrer massiven Bauweise auch in Bohrflüssigkeit 9 durch eine resultierende Abtriebskraft gekennzeichnet. Um diese Abtriebskraft in vertretbaren Grenzen zu halten, befindet sich im inneren Schneidring 1 ein Auftriebskörper 21. Bei Einbau von entsprechenden Dichtungen in die Gelenkverbinder 15 bleibt auch das Innere des Maschinenrohrs 14 luftgefüllt und kompensiert so zu einem großen Teil die gewichtsbedingte Antriebskraft der Bohrvorrichtung 2.Unlike the pipeline 7 is the drilling device 2 due to their massive construction also in drilling fluid 9 characterized by a resulting output force. To keep this output force within acceptable limits, located in the inner cutting ring 1 a buoyancy body 21 , When installing appropriate seals in the joint connector 15 also remains the interior of the machine tube 14 air-filled and thus compensated to a large extent the weight-related driving force of the drilling device 2 ,

In 2 sind beispielhaft die innere Schnittfläche 26 des inneren Schneidrings 1, die äußere Schnittfläche 27 des äußeren Schneidrings 5 sowie die Drehrichtungen des inneren Schneidrings 1 (nicht dargestellt) und des äußeren Schneidrings 5 (nicht dargestellt) abgebildet. Zusätzlich ist das Bohrloch 3 mit dem darin befindlichen Bohrstrang 4 gezeigt.In 2 are exemplary the inner cut surface 26 of the inner cutting ring 1 , the outer cut surface 27 of the outer cutting ring 5 as well as the directions of rotation of the inner cutting ring 1 (not shown) and the outer cutting ring 5 (not shown). In addition, the hole 3 with the drill string inside 4 shown.

Durch Variation des Durchmessers von innerem Schneidring 1 (nicht dargestellt) und äußerem Schneidring 5 (nicht dargestellt) können die jeweiligen Schnittflächen 26 bzw. 27 z. B. den in einem aktuellen Projekt verfügbaren Drehmomentkapazitäten von Bohrstrang 4 (nicht dargestellt) und Bohrmotor 6 (nicht dargestellt) angepasst werden. Dadurch kann die Produktivität (Bohrgeschwindigkeit) der Bohrvorrichtung 2 (nicht dargestellt) optimiert werden.By varying the diameter of inner cutting ring 1 (not shown) and outer cutting ring 5 (not shown), the respective cut surfaces 26 respectively. 27 z. For example, the torque capacities of drill string available in a current project 4 (not shown) and drill motor 6 (not shown) to be adjusted. This allows the productivity (drilling speed) of the drilling device 2 (not shown) to be optimized.

Bei einem beispielhaften Durchmesser einer (Pilot)-Bohrung 3 von ca. 300 mm und einem Durchmesser des inneren Schneidrings 1 (nicht dargestellt) von ca. 1.080 mm sowie einem Durchmesser des äußeren Schneidrings 5 (nicht dargestellt) von ca. 1.500 mm ergeben sich für den inneren Schneidring 1 und den äußeren Schneidring 5 etwa gleich große Schnittflächen 26 bzw. 27.At an exemplary diameter of a (pilot) bore 3 of about 300 mm and a diameter of the inner cutting ring 1 (not shown) of about 1080 mm and a diameter of the outer cutting ring 5 (not shown) of about 1,500 mm result for the inner cutting ring 1 and the outer cutting ring 5 about the same size cut surfaces 26 respectively. 27 ,

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: innerer Schneidringinner cutting ring
22: Bohrvorrichtungdrilling
33: Bohrloch (= Pilot-Bohrloch)Borehole (= pilot borehole)
44: Bohrstrangdrill string
55: äußerer Schneidringouter cutting ring
66: Bohrmotordrill motor
77: Rohrleitungpipeline
88th: vergrößertes Bohrlochenlarged borehole
99: Bohrflüssigkeitdrilling fluid
1010: Ringraumannulus
1111: Düsejet
1212: Lagercamp
1313: Drehwirbelswivel
1414: Maschinenrohrmachines tube
1515: GelenkverbinderAdjustable connector
1616: Abstandshalterspacer
1717: Rohrstrangtubing
1818: Verteilerdistributor
1919: Klappeflap
2020: Spülungsleitungpurge line
2121: Auftriebskörperbuoyancy
2222: Schottwandbulkhead
2323: Bodenground
2424: Getriebetransmission
2525: Wasserwater
2626: innere Schnittflächeinner cut surface
2727: äußere Schnittflächeouter cut surface

Claims

Method for enlarging a borehole ( 3 ) and for the simultaneous laying of a pipeline ( 7 ) in the enlarged borehole ( 8th ), characterized in that an inner cutting ring ( 1 ) a drilling device ( 2 ) of one in a borehole ( 3 ) ( 4 ) is pulled and rotated while an outer cutting ring ( 5 ) of at least one in the drilling device ( 2 ) ( 6 ) counter to the direction of rotation of the inner cutting ring ( 1 ) and at the same time one on the drilling device ( 2 ) attached pipeline ( 7 ) in an enlarged borehole ( 8th ) is fed.

A method according to claim 1, characterized in that when interrupting the drilling and laying operation, a drilling fluid ( 9 ) through at least one nozzle ( 11 ) at the back of a drilling device ( 2 ) in an annulus ( 10 ) between a pipeline ( 7 ) and a wall of an enlarged borehole ( 8th ) is pumped.

A method according to claim 1 and 2, characterized in that in addition shear forces on a pipeline ( 7 ) are applied.

Drilling device ( 2 ) for enlarging a borehole ( 3 ) and for the simultaneous laying of a pipeline ( 7 ) in an enlarged borehole ( 8th ), characterized in that the drilling device ( 2 ) has the following features: an inner cutting ring ( 1 ), an outer cutting ring ( 5 ), at least one warehouse ( 12 ) between the inner cutting ring ( 1 ) and the outer cutting ring ( 5 ), at least one swivel ( 13 ) between the inner cutting ring ( 1 ) and the outer cutting ring ( 5 ), at least one swivel ( 13 ) between the outer cutting ring ( 5 ) and a machine tube ( 14 ), whereby the machine tube ( 14 ) is configured at least in two parts and wherein the at least two parts of the machine tube ( 14 ) via at least one joint connector ( 15 ) and the machine tube ( 14 ) at its rear end with a pipeline ( 7 ), at least one in the machine tube ( 14 ) ( 6 ), wherein the at least one drill motor ( 6 ) at its front end with the outer cutting ring ( 5 ) and at its rear end with one in the pipeline ( 7 ) running tubing ( 17 ) connected is.

Drilling device ( 2 ) according to claim 4, characterized in that between a pipe string ( 17 ) and a drill motor ( 6 ) a distributor ( 18 ), wherein the distributor ( 18 ) at least one with a flap ( 19 ) closable outlet to the drill motor ( 6 ) and at least one with a flap ( 19 ) closable outlet to at least one flushing line ( 20 ), wherein the at least one flushing line ( 20 ) at the end at least one nozzle ( 11 ) in an annulus ( 10 ) between a pipeline ( 7 ) and wall of an enlarged borehole ( 8th ) having.

Drilling device ( 2 ) according to one or more of the preceding claims, characterized in that between a drill motor ( 6 ) and an outer cutting ring ( 5 ) a gearbox ( 24 ) is located.

Drilling device ( 2 ) according to one or more of the preceding claims, characterized in that between a drill string ( 4 ) and an inner cutting ring ( 1 ) a drill motor ( 6 ) is located.

Drilling device ( 2 ) according to one or more of the preceding claims, characterized in that in the interior of an inner cutting ring ( 1 ) at least one buoyant body ( 21 ) is located.

Drilling device ( 2 ) according to one or more of the preceding claims, characterized in that at the rear end of the drilling device ( 2 ) a bulkhead wall ( 22 ) is located.