EP0798443A2 - Directional drilling method - Google Patents

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EP0798443A2
EP0798443A2 EP97104675A EP97104675A EP0798443A2 EP 0798443 A2 EP0798443 A2 EP 0798443A2 EP 97104675 A EP97104675 A EP 97104675A EP 97104675 A EP97104675 A EP 97104675A EP 0798443 A2 EP0798443 A2 EP 0798443A2
Authority
EP
European Patent Office
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tool
linkage
drilling
drill
angular velocity
Prior art date
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Application number
EP97104675A
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German (de)
French (fr)
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EP0798443A3 (en
EP0798443B1 (en
Inventor
Franz-Josef Püttmann
Alfons Hesse
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.)
Tracto Technik GmbH and Co KG
Original Assignee
Tracto Technik GmbH and Co KG
Tracto Technik Paul Schmidt Spezialmaschinen KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Tracto Technik GmbH and Co KG, Tracto Technik Paul Schmidt Spezialmaschinen KG filed Critical Tracto Technik GmbH and Co KG
Publication of EP0798443A2 publication Critical patent/EP0798443A2/en
Publication of EP0798443A3 publication Critical patent/EP0798443A3/en
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Publication of EP0798443B1 publication Critical patent/EP0798443B1/en
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    • E21EARTH DRILLING; MINING
    • E21BEARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B17/00Drilling rods or pipes; Flexible drill strings; Kellies; Drill collars; Sucker rods; Cables; Casings; Tubings
    • E21B17/18Pipes provided with plural fluid passages
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
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    • E21B7/00Special methods or apparatus for drilling
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    • EFIXED CONSTRUCTIONS
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    • E21B7/067Deflecting the direction of boreholes with means for locking sections of a pipe or of a guide for a shaft in angular relation, e.g. adjustable bent sub
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
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    • E21B7/06Deflecting the direction of boreholes
    • E21B7/068Deflecting the direction of boreholes drilled by a down-hole drilling motor

Definitions

  • the invention relates to a method for directional drilling with the aid of a mechanically and / or hydraulically degrading drilling device, which makes it possible to work either straight or along a curved path.
  • Such drilling devices consist of a rotating and / or impact driven drill string with a drill head of very different designs.
  • the drill pipe is usually mounted on a rail-guided slide connected to a linear drive and has a rotary or rotary impact drive with which the pipe can be set in rotation and, if necessary, also driven into the ground.
  • such devices In order to enable directional drilling, such devices have an eccentricity which causes cornering but can be overcome when drilling straight ahead. This is done in such a way that the part having the eccentricity rotates at a constant angular velocity while drilling straight ahead, the effect of the eccentricity being lost.
  • the part that has the eccentricity or the drill head becomes one Angular position stopped for a certain time and remains in this angular position until the cam track is completed or as long as the specified cam track is maintained. If the drilling head leaves the intended trajectory, the angular position must be corrected until the trajectory is reached again and the drilling head must be adjusted to the trajectory again. In this way, the drill head generally has to be positioned several times with respect to its angular position in the course of a (longer) curve. Therefore, several angular steps of the linkage, which is otherwise not rotating during cornering, are always required. In this way, a zigzag or corkscrew-shaped earth hole is created, but no exact curved path.
  • the respective angular position of the eccentricity depends on the direction of curvature of the borehole to be drilled, but the eccentricity is always on the inside of the cam track, where it unfolds the effect of a pivot point, while the opposite side when mechanically advancing the rod or the drill head by pushing and / or hitting - without rotation - as a shoulder or gliding shoe that acts in the ground like sliding along a guardrail.
  • the soil in front of the drill head is laterally displaced by the drill head during rotation-free curve drilling and / or more or less broken down with the help of a sharp jet of liquid.
  • this is only possible with floors that are not too firm and free of obstacles, which can also be displaced.
  • US Pat. No. 3,878,903 describes a device with a linkage composed of a rotatable outer tube and a driven inner linkage which is connected to a removal tool.
  • the drill pipe is angled in the vicinity of the drill head and consequently permits curve drilling, in which both the curve radius and the direction of curvature can be changed by adjusting the angle of the drill pipe.
  • straight drilling is possible with a considerably enlarged diameter of the earth channel. This diameter corresponds to the enveloping circle diameter of the drill head tip and is larger the more the front rod section is angled.
  • the European laid-open specification 0 247 767 describes a drill head connected to a rotating / pushing rod with an inclined surface, which allows drilling straight ahead as long as the drill head rotates uniformly and, without rotation, curves drilling by displacing the soil located in front of the drill head.
  • a transmitter for example powered by batteries, can be arranged in the drill head, which is provided with measuring devices that make it possible to determine the depth at which the drill head and where it is located in the ground. like the inclination and roll of the drill head with respect to its axis, ie is the angular position of the inclined surface with respect to the longitudinal axis.
  • the temperature of the drill head can also be determined.
  • the measured data is transmitted from the transmitter located in the drill head to a receiver on the surface of the earth and displayed there. From there, the data is sent wirelessly to the operator at a turning and feed unit and is also displayed there. A steering maneuver can be triggered on the basis of this data.
  • the known methods and devices for directional drilling are all based on the principle that the drill pipe rotates while drilling straight ahead and accordingly the drill head describes an enveloping circle with a diameter that is larger, usually substantially larger than the drill pipe or drill head diameter while the drill pipe is moving does not turn during cornering and the drilling is done solely by thrust and / or impact.
  • the resulting earth channel runs more or less in a zigzag shape or - depending on the nature of the drill head - like a corkscrew.
  • This has an extremely disadvantageous effect when the pilot bore is expanded later with the aid of an expansion head and / or when a pipeline is pulled into the pilot bore, because the earth bore runs irregularly in the particularly critical curve area and has an uneven wall that the expansion head and / or Pull-in tube opposes a high sliding resistance.
  • This requires increased technical effort when expanding and pulling in.
  • there is the instability of such an earth channel wall which is associated with the risk of break-ins, increases the difficulties in expanding and pulling in pipes and, in particular, entails the risk of pipe damage when pulling in.
  • the invention is therefore based on the object to provide a method which is gentle and the linkage as well as the direction change that is gentle on the drill head and also results in a largely smooth-walled earth channel with a uniform curvature even in the curve area.
  • the solution to this problem is based on the idea of dissolving the steering step per curved track or section of track that is conventional in the conventional methods - without stopping the rotating drill pipe - into a large number of individual steering steps with minimal steering action, in order to achieve continuously controlled propulsion in this way.
  • the invention consists in a method for directional drilling with the aid of a drilling device with a rod and a mounted tool which moves on a circular path and which rotates when drilling straight ahead at a substantially constant angular speed, while during corner drilling the angular speed changes periodically temporarily with respect to a reference speed, ie is increased or decreased.
  • the method according to the invention therefore works with a pulsating angular velocity during cornering.
  • the reference speed here is to be understood as the angular speed which would ensure straight-ahead drilling when drilling with a non-pulsating or constant angular speed and, in contrast, the change in angular speed according to the invention takes place.
  • the changed angular speed represents the steering speed, which is only effective during a certain angular range.
  • a cornering can be done in such a way that the angular velocity is changed once per revolution.
  • the change can be abrupt or continuous and / or take place after several revolutions. The more frequent the changes, the smoother and smoother the change of direction.
  • the radius of curvature of cornering depends on the relationship between the reference speed and the steering speed, which determines the intensity of the soil mining and displacement on the two sections of the enveloping circle corresponding to the reference speed on the one hand and the steering speed on the other hand, which is determined during a rotation of the tool results.
  • the change in the angular velocity in the method according to the invention is represented graphically over a time axis, then depending on the rate of change - with an abrupt change - a meandering curve and - with a constant change - a sinusoidal curve if the degree of the change in speed is the same in each case.
  • the change in the angular velocity preferably takes place at the same time intervals as long as the cornering continues.
  • the steering effect can be further supported in the method according to the invention in that an acceleration impact or thrust is preferably exerted on the drill pipe and / or the drill head while rotating at the reference speed.
  • the drill pipe, the drill head and the excavation tool are made is of no importance in the method according to the invention; the only decisive factor is that the drill head or the removal tool located on the drill head describes an enveloping circle during the drill rotation, and consequently there is an eccentricity or asymmetry.
  • a nozzle which delivers a cutting jet and is arranged on the axis of rotation can also serve as the removal tool.
  • a device with a driven drill pipe consisting of a curved guide or outer tube and a driven tool mounted in the guide tube is particularly suitable for the method according to the invention.
  • the guide tube can be angled in a part adjacent to the drill head and / or can be provided with a steering surface.
  • a conventional drive is suitable, as is described, for example, in German patent specification 35 03 893 and is intended to be part of this description.
  • Mud motors can only be used to a limited extent, however, because their performance depends on the pressure or the amount of drive fluid supplied to them. Large torques and degradation capacities therefore require correspondingly large amounts of liquid, which pose considerable problems. If it is a - often thixotropic - bentonite / water suspension, then there are high costs for the bentonite consumption. In addition, the transport of the suspension through the drill pipe leads to heavy wear.
  • the large amounts of suspension or water can lead to undesirable flushing out or, in the case of high hydrostatic pressure, to damage to the earth's surface, for example to roadways, if they remain in the ground, or they have to be returned, which means a corresponding pipe cross section in the drill pipe or a corresponding one Annulus between drill pipe and the surrounding soil and preparation for the reuse of the bentonite required.
  • large amounts of liquid require a correspondingly large pump output, which is associated with high costs.
  • the drill string consists of a preferably hollow string with an eccentrically arranged dismantling tool, which moves on an enveloping circle when the drill string is rotated. This can be done with the help of a slightly curved rod or with an arrangement of the drilling tool outside the axis of the rod or rotation.
  • the drill pipe can also consist of two concentric pipes, each with its own rotary drive.
  • the inner tube is connected to the drill head or a removal tool, while the outer tube can be equipped with tools or can be provided with a drill bit.
  • the mining tool, the drilling head and / or the guide tube can be provided with nozzles for a liquid which is preferably supplied through the inner tube.
  • the liquid can be used for cooling, for removing the loosened earth or in the form of a sharp jet for breaking down the earth.
  • the axis of rotation of the drill head or of the removal tool can be arranged eccentrically with respect to the rod axis in order to generate a tool movement on the aforementioned enveloping circle when the rod is rotated.
  • the loosened soil can be removed via an annular gap between the guide tube and the soil if the diameter of the excavation tool is larger than the diameter of the guide tube.
  • Cheaper is, however, a discharge through the guide tube, for which there must be clearing openings in the drill head and / or in the guide tube.
  • the internal discharge through the guide tube can be improved with the aid of a screw conveyor arranged there and / or by means of nozzles for a liquid.
  • an earth hole 1 is made in the soil 2 by means of an elastic drill pipe 3 consisting of individual pipes.
  • a drill head 4 At the end of the drill pipe 3 there is a drill head 4 with a steering surface or bevel 5, which is connected to the drill pipe 3 in a rotationally fixed manner.
  • the front edge of the bevel acts as a removal tool and describes an enveloping circle around the axis of the boom when the boom is turned.
  • a transmitter 6 is arranged, which wirelessly transmits data to a receiver 7, which is based on the depth of the drill head 4 below the earth's surface, the location of the drill head 4 in the ground, its inclination, the angular position of the steering surface 5 with respect to the longitudinal axis of the Obtain the drill head 4 and, if necessary, the temperature at the drill head 4.
  • a radio link between the transmitter 6 and a receiver 7 is indicated by the dashed line 8.
  • Another radio link 9 transmits the above-mentioned data from the receiver 7 to a display device 10 in the vicinity of a striking rotary and feed unit 12 arranged at the start 11.
  • This rotary and feed unit 12 has a rotary drive 13 for the drill pipe 3, which acts on the drill pipe 3 Impact mechanism 14 and a feed drive 15.
  • the drill pipe 3 is coupled to the rotary and feed unit via a drill pipe connection 16.
  • a cable connection leads from the display device 10 to a switch box 17 with an operating panel, by means of which it is possible via a cable connection 18 in each case to control the rotary drive 13, the striking mechanism 14 and the feed drive 15.
  • the device shown in Fig. 1 can be operated in two different ways. If the drill pipe 3 is driven through the soil 2 in a rotating and pushing manner, a straight bore is created. The deflection of the eccentrically acting drill head 4, which is possible due to the steering surface 5 on the drill head, is thereby neutralized by the uniform rotation of the drill rod 3.
  • the drill pipe consists of two concentric strands and on one of the strands where the steering surface 5 in one Tip or cutting edge ends, there is at least one tool that can be driven and moves on an envelope around the rod axis when the strand with which the tool is connected rotates.
  • This is possible, for example, with a linkage consisting of two concentric tubes, in which the inner tube is provided with an eccentrically arranged tool or the outer tube is designed as a drill bit in a limited section of its end face.
  • the drill string consists of a bent drilling lance 19 with a bore 20, 21, which leads to a mud motor 22, which is supplied with drive fluid via the bore 20, 21.
  • the mud motor drives a centrally arranged excavation tool 23 with nozzles 24, through which the drive fluid exits, in order to support the excavation of soil and / or to improve the removal of the loosened soil via the annular space 25 between the drilling lance 19 and the soil 2.
  • the drilling lance 19 contains a measuring and transmitting unit 26 for receiving and forwarding the measurement data required for steering.
  • FIG. 3 Another one-pipe linkage 27 is shown in FIG. 3 and contains a mud motor 28 which is supplied with drive fluid via a hose line 29, which exits the mud motor via nozzles 30 of an eccentrically arranged removal tool 31.
  • the front end of the drill pipe 27 is equipped with tools 32 and has a steering bevel 33, which is at a Cornering on the adjacent wall of the earth channel created by the tool 31. The cornering takes place when the drill pipe 27 is briefly rotated in the area of the angular position shown in FIG. 5 at a speed that differs positively or negatively from the reference speed.
  • the removal tool 31 can be driven as shown in FIG. 4 in a double-pipe linkage with an outer tube 34 also via a tubular inner linkage which consists of a plurality of sections 36, 37, 38 which are connected to one another by universal joints 35.
  • the cardan joints can be omitted if the inner linkage is sufficiently flexible.
  • the outer tube 39 of the double-tube rod assembly 39, 40 has a spoil opening 41 and that is it Inner pipe 40 is fitted with blades 58 which convey the soil entering the outer pipe 39 through the excavation opening 41 in the direction of the drill pipe drive.
  • the guide or outer tube 42 of the drill pipe is angled, while the inner tube consists of a tubular string 43 which is connected via a universal joint 44 to an inner tube section 45 which is connected in a rotationally fixed manner to a removal tool 46.
  • the diameter of the removal tool 46 is larger than the diameter of the guide tube 42 and therefore creates an annular space 47, via which the loosened soil and mixed with the liquid emerging via nozzles 47 of the mining tool 46 is conveyed away peripherally.
  • the removal tool 51 is driven via an inner linkage 52 which is connected via a coupling 53, for example in the form of a splined shaft, and a cardan joint 54 to the drive shaft 55 of the removal tool 51 is connected.
  • a collar 56 of the inner linkage 52 is connected to the pipe section 50 via a push rod 57 and, when the inner linkage 52 is displaced longitudinally, allows the pipe section 50 to be pivoted. In this way, the bend angle of the pipe section 50 and thus the diameter of the straight section of an earth hole and the Infinitely adjustable radius of curvature when cornering.
  • All of the exemplary embodiments have one thing in common that a substantially uniform movement of the dismantling tool, which is arranged eccentrically with respect to the axis of rotation of the linkage, results in a straight drilling section on an enveloping circle around the axis of rotation and, when rotating with a preferably pulsating angular velocity, results in a curve, the radius of curvature of which depends on the geometry of the drill pipe and / or the drilling tool and the speed deviation in relation to the reference speed.

Abstract

The boring machine bores via a remote controlled boring head (4). This is driven by concentric pipes with jointed sections (1). The rotation of the boring head is controlled to generate either straight line boring or curves. The latter are generated by varying the rotational speed. The boring head has water sprays and an eccentric cutting head. The bore obtained is smooth sided and has smooth curves. For straight line boring a constant drive speed is used.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Richtungsbohren mit Hilfe einer mechanisch und/oder hydraulisch abbauenden Bohrvorrichtung, die es erlaubt, wahlweise geradeaus oder längs einer Kurvenbahn zu arbeiten.The invention relates to a method for directional drilling with the aid of a mechanically and / or hydraulically degrading drilling device, which makes it possible to work either straight or along a curved path.

Derartige Bohrvorrichtungen bestehen aus einem drehend und/oder schlagend angetriebenen Bohrgestänge mit einem Bohrkopf sehr unterschiedlicher Gestaltung. Das Bohrgestänge ist üblicherweise auf einem schienengeführten, mit einem Linearantrieb verbundenen Schlitten gelagert und besitzt einen Dreh- oder einen Drehschlagantrieb, mit dem sich das Gestänge in Rotation versetzen und gegebenenfalls auch in das Erdreich eintreiben läßt.Such drilling devices consist of a rotating and / or impact driven drill string with a drill head of very different designs. The drill pipe is usually mounted on a rail-guided slide connected to a linear drive and has a rotary or rotary impact drive with which the pipe can be set in rotation and, if necessary, also driven into the ground.

Um ein Richtungsbohren zu ermöglichen, besitzen solche Vorrichtungen eine Exzentrizität, die eine Kurvenfahrt bewirkt, sich beim Geradeausbohren aber überwinden läßt. Dies geschieht in der Weise, daß das die Exzentrizität aufweisende Teil während des Geradeausbohrens mit gleichbleibender Winkelgeschwindigkeit rotiert, wobei die Wirkung der Exzentrizität verlorengeht. Beim Übergang zum Kurvenbohren wird das die Exzentrizität aufweisende Teil bzw. der Bohrkopf in einer bestimmten Winkelstellung für eine gewisse Zeit stillgesetzt und verbleibt in dieser Winkelstellung solange, bis die Kurvenbahn vollendet ist oder so lange, wie die vorgegebene Kurvenbahn eingehalten wird. Verläßt der Bohrkopf die vorgesehene Bahnkurve, ist eine Korrektur der Winkelstellung erforderlich, bis die Bahnkurve wieder erreicht ist und der Bohrkopf wieder auf die Bahnkurve eingestellt werden muß. Auf diese Weise muß der Bohrkopf im Verlauf einer (längeren) Kurve im allgemeinen mehrfach bezüglich seiner Winkelstellung positioniert werden. Es sind daher stets mehrere Winkelschritte des während einer Kurvenfahrt ansonsten nicht rotierenden Gestänges erforderlich. Auf diese Weise entsteht eine Zick-zack- oder korkenzieherförmige Erdbohrung, aber keine exakte Kurvenbahn.In order to enable directional drilling, such devices have an eccentricity which causes cornering but can be overcome when drilling straight ahead. This is done in such a way that the part having the eccentricity rotates at a constant angular velocity while drilling straight ahead, the effect of the eccentricity being lost. At the transition to curve drilling, the part that has the eccentricity or the drill head becomes one Angular position stopped for a certain time and remains in this angular position until the cam track is completed or as long as the specified cam track is maintained. If the drilling head leaves the intended trajectory, the angular position must be corrected until the trajectory is reached again and the drilling head must be adjusted to the trajectory again. In this way, the drill head generally has to be positioned several times with respect to its angular position in the course of a (longer) curve. Therefore, several angular steps of the linkage, which is otherwise not rotating during cornering, are always required. In this way, a zigzag or corkscrew-shaped earth hole is created, but no exact curved path.

Die jeweilige Winkelstellung der Exzentrizität hängt von der Krümmungsrichtung der zu erstellenden Erdbohrung ab, jedoch befindet sich die Exzentrizität stets auf der Innenseite der Kurvenbahn, wo sie gleichsam die Wirkung eines Drehpunkts entfaltet, während die ihr gegenüberliegende Seite beim mechanischen Vortreiben des Gestänges bzw. des Bohrkopfs durch Schieben und/oder Schlagen - ohne Rotation - als sich im Erdreich wie an einer Leitplanke entlanggleitende Schulter oder Gleitschuh wirkt. Das vor dem Bohrkopf befindliche Erdreich wird während des rotationsfreien Kurvenbohrens vom Bohrkopf seitlich verdrängt und/oder mit Hilfe eines scharfen Flüssigkeitsstrahls mehr oder minder abgebaut. Das ist aber nur bei nicht allzu festen und hindernisfreien Böden möglich, die sich auch verdrängen lassen.The respective angular position of the eccentricity depends on the direction of curvature of the borehole to be drilled, but the eccentricity is always on the inside of the cam track, where it unfolds the effect of a pivot point, while the opposite side when mechanically advancing the rod or the drill head by pushing and / or hitting - without rotation - as a shoulder or gliding shoe that acts in the ground like sliding along a guardrail. The soil in front of the drill head is laterally displaced by the drill head during rotation-free curve drilling and / or more or less broken down with the help of a sharp jet of liquid. However, this is only possible with floors that are not too firm and free of obstacles, which can also be displaced.

Die Art des Bohrgestänges, der Exzentrizität und des Bohrkopfs ist im Einzelfall sehr unterschiedlich. So beschreibt die US-Patentschrift 3 878 903 eine Vorrichtung mit einem Gestänge aus einem drehbaren Außenrohr und einem angetriebenen Innengestänge, das mit einem Abbauwerkzeug verbunden ist. Das Bohrgestänge ist in der Nähe des Bohrkopfs abgewinkelt und erlaubt demzufolge ein Kurvenbohren, bei dem sich sowohl der Kurvenradius als auch die Krümmungsrichtung durch ein Winkelverstellen des Bohrgestänges ändern läßt. Bei kontinuierlich rotierendem Gestänge ist ein Geradeausbohren mit einem erheblich vergrößerten Durchmesser des Erdkanals möglich. Dieser Durchmesser entspricht dem Hüllkreisdurchmesser der Bohrkopfspitze und ist um so größer, je stärker der vordere Gestängeabschnitt abgewinkelt ist.The type of drill pipe, the eccentricity and the drill head are very different in individual cases. For example, US Pat. No. 3,878,903 describes a device with a linkage composed of a rotatable outer tube and a driven inner linkage which is connected to a removal tool. The drill pipe is angled in the vicinity of the drill head and consequently permits curve drilling, in which both the curve radius and the direction of curvature can be changed by adjusting the angle of the drill pipe. With continuously rotating booms, straight drilling is possible with a considerably enlarged diameter of the earth channel. This diameter corresponds to the enveloping circle diameter of the drill head tip and is larger the more the front rod section is angled.

Des weiteren beschreibt die europäische Offenlegungsschrift 0 247 767 einen mit einem Dreh/Schub-Gestänge verbundenen Bohrkopf mit einer Schrägfläche, der ein Geradeausbohren erlaubt, solange der Bohrkopf gleichmäßig rotiert, und ohne Rotation ein Kurvenbohren durch seitliches Verdrängen des vor dem Bohrkopf befindlichen Erdreichs.Furthermore, the European laid-open specification 0 247 767 describes a drill head connected to a rotating / pushing rod with an inclined surface, which allows drilling straight ahead as long as the drill head rotates uniformly and, without rotation, curves drilling by displacing the soil located in front of the drill head.

Eine ähnlich arbeitende Vorrichtung beschreibt die europäische Patentschrift 0 195 559, deren abgewinkelter Bohrkopf jedoch mit einer konzentrischen Düse versehen ist, aus der ein Hochdruckstrahl zum Lösen und Abbauen des vor dem Bohrkopf befindlichen Erdreichs austritt.A similarly operating device is described in European Patent 0 195 559, the angled drill head of which, however, is provided with a concentric nozzle, from which a high-pressure jet emerges for loosening and removing the soil in front of the drill head.

Um die Lage des Bohrkopfes im Erdreich orten zu können, kann im Bohrkopf ein beispielsweise über Batterien mit Energie versorgter Sender angeordnet sein, der mit Meßeinrichtungen versehen ist, die es ermöglichen festzustellen, in welcher Tiefe sich der Bohrkopf und wo er sich im Erdreich befindet, wie die Neigung und die Verrollung des Bohrkopfes bezüglich seiner Achse, d.h. die Winkellage der Schrägfläche bezüglich der Längsachse ist. Zusätzlich kann auch noch die Temperatur des Bohrkopfes festgestellt werden.In order to be able to locate the position of the drill head in the ground, a transmitter, for example powered by batteries, can be arranged in the drill head, which is provided with measuring devices that make it possible to determine the depth at which the drill head and where it is located in the ground. like the inclination and roll of the drill head with respect to its axis, ie is the angular position of the inclined surface with respect to the longitudinal axis. In addition, the temperature of the drill head can also be determined.

Die gemessenen Daten werden von dem im Bohrkopf angeordneten Sender zu einem Empfänger an der Erdoberfläche übertragen und dort angezeigt. Von dort werden die Daten drahtlos zur Bedienungsperson an einer Dreh- und Vorschubeinheit gesendet und dort ebenfalls angezeigt. Anhand dieser Daten läßt sich ein Lenkmanöver auslösen.The measured data is transmitted from the transmitter located in the drill head to a receiver on the surface of the earth and displayed there. From there, the data is sent wirelessly to the operator at a turning and feed unit and is also displayed there. A steering maneuver can be triggered on the basis of this data.

Die bekannten Verfahren und Vorrichtungen zum Richtungsbohren basieren sämtlich auf dem Prinzip, daß das Bohrgestänge während des Geradeausbohrens rotiert und demgemäß der Bohrkopf einen Hüllkreis mit einem Durchmesser beschreibt, der größer, zumeist wesentlich größer ist als der Gestänge- bzw. Bohrkopfdurchmesser, während sich das Gestänge während der Kurvenfahrt nicht dreht und der Bohrvortrieb allein durch Schub und/oder Schlag geschieht.The known methods and devices for directional drilling are all based on the principle that the drill pipe rotates while drilling straight ahead and accordingly the drill head describes an enveloping circle with a diameter that is larger, usually substantially larger than the drill pipe or drill head diameter while the drill pipe is moving does not turn during cornering and the drilling is done solely by thrust and / or impact.

Beim Übergang vom Geradeaus- zum Kurvenbohren ist eine abrupte Unterbrechung der Rotationsbewegung in einer bestimmten, durch die Krümmungsrichtung vorgegebenen Winkelstellung des Bohrkopfes erforderlich. Damit verbunden ist eine ebenso abrupte bzw. scharfe Änderung der Vortriebsrichtung. Diese wiederum wird alleine durch die Art und den Grad der Exzentrizität, beispielsweise die Neigung einer Schräg- bzw. Lenkfläche am Bohrkopf in bezug auf die Hauptachse des Gestänges, bestimmt. Da die Exzentrizität bzw. Neigung konstruktiv vorgegeben ist, sind - beispielsweise korrigierende - Richtungsänderungen während der Kurvenfahrt jeweils nur in der Weise möglich, daß die Winkelstellung des Bohrkopfs bzw. der Exzentrizität durch Drehen des Gestänges um einen bestimmten Winkel geändert wird. Da während einer Kurvenfahrt üblicherweise mehrere korrigierende Richtungsänderungen erforderlich sind, verläuft der dabei entstehende Erdkanal mehr oder minder zick-zack-förmig bzw. - je nach Beschaffenheit des Bohrkopfes - korkenzieherartig. Das wirkt sich beim späteren Aufweiten der Pilotbohrung mit Hilfe eines Aufweitkopfes und/oder beim Einziehen einer Rohrleitung in die Pilotbohrung außerordentlich nachteilig aus, weil die Erdbohrung gerade in dem besonders kritischen Kurvenbereich unregelmäßig verläuft und eine ungleichmäßige Wandung besitzt, die dem Aufweitkopf und/oder dem Einziehrohr einen hohen Gleitwiderstand entgegensetzt. Das erfordert einen erhöhten technischen Aufwand beim Aufweiten und Einziehen. Hinzu kommt die Instabilität einer solchen Erdkanalwandung, die mit der Gefahr von Einbrüchen verbunden ist, die Schwierigkeiten beim Aufweiten und Rohreinziehen erhöht und insbesondere die Gefahr von Rohrbeschädigungen beim Einziehen mit sich bringt.During the transition from straight-ahead to curve drilling, an abrupt interruption of the rotational movement in a certain angular position of the drill head, which is predetermined by the direction of curvature, is required. Associated with it is an equally abrupt or sharp change in the direction of advance. This in turn is determined solely by the type and degree of eccentricity, for example the inclination of an inclined or steering surface on the drill head with respect to the main axis of the rod. Since the eccentricity or inclination is predetermined by design, corrective changes in direction during cornering are only possible in such a way that the angular position of the drill head or the eccentricity is changed by rotating the rod by a certain angle. Since several corrective changes in direction are usually required during cornering, the resulting earth channel runs more or less in a zigzag shape or - depending on the nature of the drill head - like a corkscrew. This has an extremely disadvantageous effect when the pilot bore is expanded later with the aid of an expansion head and / or when a pipeline is pulled into the pilot bore, because the earth bore runs irregularly in the particularly critical curve area and has an uneven wall that the expansion head and / or Pull-in tube opposes a high sliding resistance. This requires increased technical effort when expanding and pulling in. In addition, there is the instability of such an earth channel wall, which is associated with the risk of break-ins, increases the difficulties in expanding and pulling in pipes and, in particular, entails the risk of pipe damage when pulling in.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das eine sanfte und das Gestänge sowie den Bohrkopf schonende Richtungsänderung erlaubt und auch im Kurvenbereich einen weitestgehend glattwandigen Erdkanal mit gleichmäßiger Krümmung ergibt.The invention is therefore based on the object to provide a method which is gentle and the linkage as well as the direction change that is gentle on the drill head and also results in a largely smooth-walled earth channel with a uniform curvature even in the curve area.

Die Lösung dieser Aufgabe basiert auf dem Gedanken, den bei den herkömmlichen Verfahren üblichen einen Lenkschritt je Kurvenbahn oder -bahnabschnitt - ohne Stillsetzen des rotierenden Bohrgestänges - in eine Vielzahl einzelner Lenkschritte mit minimaler Lenkwirkung aufzulösen, um auf diese Weise einen kontinuierlich gesteuerten Vortrieb zu erreichen.The solution to this problem is based on the idea of dissolving the steering step per curved track or section of track that is conventional in the conventional methods - without stopping the rotating drill pipe - into a large number of individual steering steps with minimal steering action, in order to achieve continuously controlled propulsion in this way.

Im einzelnen besteht die Erfindung in einem Verfahren zum Richtungsbohren mit Hilfe einer Bohrvorrichtung mit einem Gestänge und einem sich auf einer Kreisbahn bewegenden gelagerten Werkzeug, das sich beim Geradeausbohren mit im wesentlichen konstanter Winkelgeschwindigkeit dreht, während beim Kurvenbohren die Winkelgeschwindigkeit gegenüber einer Bezugsgeschwindigkeit periodisch vorübergehend geändert, d.h. vergrößert oder verringert wird. Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet daher während der Kurvenfahrt mit pulsierender Winkelgeschwindigkeit.In particular, the invention consists in a method for directional drilling with the aid of a drilling device with a rod and a mounted tool which moves on a circular path and which rotates when drilling straight ahead at a substantially constant angular speed, while during corner drilling the angular speed changes periodically temporarily with respect to a reference speed, ie is increased or decreased. The method according to the invention therefore works with a pulsating angular velocity during cornering.

Unter Bezugsgeschwindigkeit ist hier diejenige Winkelgeschwindigkeit zu verstehen, die beim Bohren mit nichtpulsierender bzw. konstanter Winkelgeschwindigkeit ein Geradeausbohren gewährleisten würde und dergegenüber die erfindungsgemäße Änderung der Winkelgeschwindigkeit stattfindet. Die geänderte Winkelgeschwindigkeit stellt dabei die Lenkgeschwindigkeit dar, die nur während eines bestimmten Winkelbereichs wirksam ist.The reference speed here is to be understood as the angular speed which would ensure straight-ahead drilling when drilling with a non-pulsating or constant angular speed and, in contrast, the change in angular speed according to the invention takes place. The changed angular speed represents the steering speed, which is only effective during a certain angular range.

Eine Kurvenfahrt kann in der Weise geschehen, daß die Winkelgeschwindigkeit je Umdrehung einmal geändert wird. Die Änderung kann abrupt oder auch stetig sein und/oder jeweils nach mehreren Umdrehungen stattfinden. Je häufiger die Änderungen sind, desto gleichmäßiger und sanfter ist die Richtungsänderung.A cornering can be done in such a way that the angular velocity is changed once per revolution. The change can be abrupt or continuous and / or take place after several revolutions. The more frequent the changes, the smoother and smoother the change of direction.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren hängt der Krümmungsradius einer Kurvenfahrt von dem Verhältnis zwischen der Bezugsgeschwindigkeit und der Lenkgeschwindigkeit ab, das die Intensität des Erdreichabbaus und -verdrängens auf den beiden, der Bezugsgeschwindigkeit einerseits und der Lenkgeschwindigkeit andererseits entsprechenden Abschnitten des Hüllkreises bestimmt, der sich bei einer Rotation des Werkzeugs ergibt.In the method according to the invention, the radius of curvature of cornering depends on the relationship between the reference speed and the steering speed, which determines the intensity of the soil mining and displacement on the two sections of the enveloping circle corresponding to the reference speed on the one hand and the steering speed on the other hand, which is determined during a rotation of the tool results.

Stellt man die Änderung der Winkelgeschwindigkeit bei dem erfindungsgemäßen Verfahren über einer Zeitachse graphisch dar, dann ergibt sich je nach der Änderungsgeschwindigkeit - bei abrupter Änderung - eine mäanderförmige und - bei stetiger Änderung - eine sinusförmige Kurve, wenn der Grad der Geschwindigkeitsänderung jeweils derselbe ist. Das braucht jedoch nicht so zu sein; denn es ist durchaus auch möglich, phasenweise mit unterschiedlichen Änderungen der Winkelgeschwindigkeit zu arbeiten. Vorzugsweise findet die Änderung der Winkelgeschwindigkeit jedoch in zeitlich gleichen Intervallen statt, solange die Kurvenfahrt andauert.If the change in the angular velocity in the method according to the invention is represented graphically over a time axis, then depending on the rate of change - with an abrupt change - a meandering curve and - with a constant change - a sinusoidal curve if the degree of the change in speed is the same in each case. However, this need not be the case; because it is also possible to work in phases with different changes in the angular velocity. However, the change in the angular velocity preferably takes place at the same time intervals as long as the cornering continues.

Die Lenkwirkung läßt sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren noch dadurch unterstützen, daß zeitlich versetzt, vorzugsweise während des Rotierens mit der Bezugsgeschwindigkeit ein Beschleunigungsschlag oder -schub auf das Bohrgestänge und/oder den Bohrkopf ausgeübt wird.The steering effect can be further supported in the method according to the invention in that an acceleration impact or thrust is preferably exerted on the drill pipe and / or the drill head while rotating at the reference speed.

Wie das Bohrgestänge, der Bohrkopf und das Abbauwerkzeug beschaffen sind, spielt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keine Rolle; entscheidend ist alleine, daß der Bohrkopf bzw. das am Bohrkopf befindliche Abbauwerkzeug während der Gestängerotation einen Hüllkreis beschreibt, mithin eine Exzentrizität bzw. eine Asymmetrie vorhanden ist.How the drill pipe, the drill head and the excavation tool are made is of no importance in the method according to the invention; the only decisive factor is that the drill head or the removal tool located on the drill head describes an enveloping circle during the drill rotation, and consequently there is an eccentricity or asymmetry.

Unter dieser Voraussetzung kommen für das erfindungsgemäße Verfahren auch mehrere Werkzeuge infrage, die demgemäß exentrisch gruppiert sind. Als Abbauwerkzeug kann, je nach Bodenbeschaffenheit auch eine, einen abbauenden Schneidstrahl liefernde, auf der Rotationsachse angeordnete Düse dienen.Under this condition, several tools are possible for the method according to the invention, which are accordingly grouped eccentrically. Depending on the nature of the ground, a nozzle which delivers a cutting jet and is arranged on the axis of rotation can also serve as the removal tool.

Besonders geeignet für das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch eine Vorrichtung mit einem angetriebenen Bohrgestänge aus einem gekrümmten Führungs- bzw. Außenrohr und einem im Führungsrohr gelagerten angetriebenen Werkzeug. Das Führungsrohr kann in einem dem Bohrkopf benachbarten Teil abgewinkelt und/oder mit einer Lenkfläche versehen sein. Für das Gestänge und das Bohrwerkzeug bzw. den Bohrkopf eignet sich ein herkömmlicher Antrieb, wie er beispielsweise in der deutschen Patentschrift 35 03 893 beschrieben ist und Bestandteil dieser Beschreibung sein soll. Als Alternative bietet es sich jedoch an, den Bohrkopf bzw. das Abbauwerkzeug mit Hilfe eines sogenannten Mudmotors hydraulisch anzutreiben, dem als Antriebsmedium ein gleichzeitig als Kühlflüssigkeit und/oder Transportmedium für das abgebaute Erdreich zur Verwendung kommendes flüssiges Medium, beispielsweise eine Bentonit/Wasser-Suspension, zugeführt wird.However, a device with a driven drill pipe consisting of a curved guide or outer tube and a driven tool mounted in the guide tube is particularly suitable for the method according to the invention. The guide tube can be angled in a part adjacent to the drill head and / or can be provided with a steering surface. For the linkage and the drilling tool or the drilling head, a conventional drive is suitable, as is described, for example, in German patent specification 35 03 893 and is intended to be part of this description. As an alternative, however, it is advisable to include the drill head or the removal tool To drive hydraulically with the aid of a so-called Mud motor, to which a liquid medium, for example a bentonite / water suspension, which is also used as cooling liquid and / or transport medium for the mined soil, is supplied as the drive medium.

Mudmotoren sind jedoch nur begrenzt einsetzbar, weil ihre Leistung vom Druck bzw. der Menge der ihnen zugeführten Antriebsflüssigkeit abhängt. Große Drehmomente und Abbauleistungen erfordern daher entsprechend große Flüssigkeitsmengen, die erhebliche Probleme mit sich bringen. Handelt es sich um eine - häufig thixotrope - Bentonit/Wasser-Suspension, dann entstehen hohe Kosten für den Bentonitverbrauch. Außerdem führt der Transport der Suspension durch das Bohrgestänge zu einem starken Verschleiß. Des weiteren können die großen Suspensions- oder Wassermengen zu unerwünschten Ausspülungen oder bei hohem hydrostatischen Druck zu Schäden an der Erdoberfläche, beispielsweise an Fahrbahnen, führen, wenn sie im Erdreich verbleiben, oder sie müssen zurückgeführt werden, was einen entsprechenden Rohrquerschnitt im Bohrgestänge oder einen entsprechenden Ringraum zwischen Bohrgestänge und dem umgebenden Erdreich sowie eine Aufbereitung für die Wiederverwendung des Bentonits erfordert. Schließlich erfordern große Flüssigkeitsmengen entsprechend große Pumpenleistung, was mit hohen Kosten verbunden ist.Mud motors can only be used to a limited extent, however, because their performance depends on the pressure or the amount of drive fluid supplied to them. Large torques and degradation capacities therefore require correspondingly large amounts of liquid, which pose considerable problems. If it is a - often thixotropic - bentonite / water suspension, then there are high costs for the bentonite consumption. In addition, the transport of the suspension through the drill pipe leads to heavy wear. Furthermore, the large amounts of suspension or water can lead to undesirable flushing out or, in the case of high hydrostatic pressure, to damage to the earth's surface, for example to roadways, if they remain in the ground, or they have to be returned, which means a corresponding pipe cross section in the drill pipe or a corresponding one Annulus between drill pipe and the surrounding soil and preparation for the reuse of the bentonite required. Finally, large amounts of liquid require a correspondingly large pump output, which is associated with high costs.

Vorteilhafter ist daher ein externer Antrieb des Bohrwerkzeugs bzw. der Bohrwerkzeuge über ein Gestänge, über das sich große Drehmomente übertragen lassen. Im einfachsten Fall besteht das Bohrgestänge aus einem vorzugsweise hohlen Strang mit einem exzentrisch angeordneten Abbauwerkzeug, das sich beim Drehen des Bohrgestänges auf einem Hüllkreis bewegt. Dies kann mit Hilfe eines leicht gebogenen Gestänges oder mit einer Anordnung des Bohrwerkzeugs außerhalb der Gestänge- bzw. Rotationsachse bewirkt werden.An external drive of the drilling tool or the drilling tools via a linkage, via which large torques can be transmitted, is therefore more advantageous. in the In the simplest case, the drill string consists of a preferably hollow string with an eccentrically arranged dismantling tool, which moves on an enveloping circle when the drill string is rotated. This can be done with the help of a slightly curved rod or with an arrangement of the drilling tool outside the axis of the rod or rotation.

Das Bohrgestänge kann aber auch aus zwei konzentrischen Rohren bestehen, die jeweils einen eigenen Drehantrieb besitzen. Das Innenrohr ist dabei mit dem Bohrkopf bzw. einem Abbauwerkzeug verbunden, während das Außenrohr mit Werkzeugen besetzt oder mit einer Bohrkrone versehen sein kann.The drill pipe can also consist of two concentric pipes, each with its own rotary drive. The inner tube is connected to the drill head or a removal tool, while the outer tube can be equipped with tools or can be provided with a drill bit.

Um den Erdreichabbau und das Abfördern des gelösten Erdreichs zu verbessern, können das Abbauwerkzeug, der Bohrkopf und/oder das Führungsrohr mit Düsen für eine vorzugsweise durch das Innenrohr zugeführte Flüssigkeit versehen sein. Die Flüssigkeit kann zum Kühlen, zum Abfördern des gelösten Erdreichs oder in Gestalt eines scharfen Strahls zum Abbau des Erdreichs dienen.In order to improve the soil mining and the removal of the loosened soil, the mining tool, the drilling head and / or the guide tube can be provided with nozzles for a liquid which is preferably supplied through the inner tube. The liquid can be used for cooling, for removing the loosened earth or in the form of a sharp jet for breaking down the earth.

Die Drehachse des Bohrkopfs bzw. des Abbauwerkzeuges kann exzentrisch in bezug auf die Gestängeachse angeordnet sein, um beim Drehen des Gestänges eine Werkzeugbewegung auf dem erwähnten Hüllkreis zu erzeugen.The axis of rotation of the drill head or of the removal tool can be arranged eccentrically with respect to the rod axis in order to generate a tool movement on the aforementioned enveloping circle when the rod is rotated.

Das Abfördern des gelösten Erdreichs kann über einen Ringspalt zwischen dem Führungsrohr und dem Erdreich geschehen, wenn der Durchmesser des Abbauwerkzeugs größer ist als der Durchmesser des Führungsrohrs. Günstiger ist jedoch ein Abfördern durch das Führungsrohr, wofür sich im Bohrkopf und/oder im Führungsrohr Abraumöffnungen befinden müssen. Das Innenabfördern durch das Führungsrohr läßt sich mit Hilfe einer dort angeordneten Förderschnecke und/oder mittels Düsen für eine Flüssigkeit verbessern.The loosened soil can be removed via an annular gap between the guide tube and the soil if the diameter of the excavation tool is larger than the diameter of the guide tube. Cheaper is, however, a discharge through the guide tube, for which there must be clearing openings in the drill head and / or in the guide tube. The internal discharge through the guide tube can be improved with the aid of a screw conveyor arranged there and / or by means of nozzles for a liquid.

Andererseits besteht aber auch die Möglichkeit, den vorderen Teil des Bohrgestänges verschwenkbar auszubilden, um so mit unterschiedlichen Neigungswinkeln arbeiten zu können.On the other hand, there is also the possibility of swiveling the front part of the drill pipe so that it can work with different angles of inclination.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen des näheren erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1
eine für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Bohrvorrichtung in Aktion,
Fig. 2
ein Bohrgestänge mit abgewinkeltem vorderen Teil und einem Mudmotor,
Fig. 3
einem Ein-Rohr-Gestänge mit exzentrisch angeordnetem Mudmotor,
Fig. 4
ein Doppel-Rohr-Gestänge mit von einem Innenrohr angetriebenem exzentrisch angeordnetem Werkzeug,
Fig. 5
ein ähnliches Bohrgestänge, das sich für ein Innenabfördern des gelösten Erdreichs eignet,
Fig. 6
ein Doppel-Rohr-Gestänge mit abgewinkeltem vorderem Abschnitt und
Fig. 7
ein ähnlich beschaffenes Bohrgestänge, dessen vorderer Teil jedoch verschwenkbar ausgebildet ist.
The invention is explained below with reference to exemplary embodiments shown in the drawing. The drawing shows:
Fig. 1
a drilling device in action suitable for carrying out the method according to the invention,
Fig. 2
a drill pipe with an angled front part and a mud motor,
Fig. 3
a one-pipe linkage with an eccentrically arranged mud motor,
Fig. 4
a double-pipe linkage with an eccentrically arranged tool driven by an inner pipe,
Fig. 5
a similar drill pipe that is suitable for internal removal of the loosened soil,
Fig. 6
a double-pipe linkage with an angled front section and
Fig. 7
a similarly constructed drill pipe, the front part of which is pivotable.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Erdbohrung 1 im Erdreich 2 mittels eines aus Einzelrohren bestehenden elastischen Bohrgestänges 3 hergestellt. Am Ende des Bohrgestänges 3 befindet sich ein Bohrkopf 4 mit einer Lenkfläche bzw. Schräge 5, der mit dem Bohrgestänge 3 drehfest verbunden ist. Die vordere Kante der Schräge wirkt als Abbauwerkzeug und beschreibt beim Drehen des Gestänges einen Hüllkreis um die Gestängeachse. Im Bohrkopf 4 ist ein Sender 6 angeordnet, der drahtlos Daten an einen Empfänger 7 überträgt, die sich auf die Tiefe des Bohrkopfes 4 unter der Erdoberfläche, den Ort des Bohrkopfes 4 im Erdreich, seine Neigung, die Winkellage der Lenkfläche 5 bezüglich der Längsachse des Bohrkopfes 4 und gegebenenfalls die Temperatur am Bohrkopf 4 beziehen. Eine Funkverbindung zwischen dem Sender 6 und einem Empfänger 7 ist durch die gestrichelte Linie 8 angedeutet.In the method according to the invention, an earth hole 1 is made in the soil 2 by means of an elastic drill pipe 3 consisting of individual pipes. At the end of the drill pipe 3 there is a drill head 4 with a steering surface or bevel 5, which is connected to the drill pipe 3 in a rotationally fixed manner. The front edge of the bevel acts as a removal tool and describes an enveloping circle around the axis of the boom when the boom is turned. In the drill head 4, a transmitter 6 is arranged, which wirelessly transmits data to a receiver 7, which is based on the depth of the drill head 4 below the earth's surface, the location of the drill head 4 in the ground, its inclination, the angular position of the steering surface 5 with respect to the longitudinal axis of the Obtain the drill head 4 and, if necessary, the temperature at the drill head 4. A radio link between the transmitter 6 and a receiver 7 is indicated by the dashed line 8.

Eine weitere Funkverbindung 9 übermittelt die vorerwähnten Daten vom Empfänger 7 auf eine Anzeigevorrichtung 10 in der Nähe einer am Start 11 angeordneten schlagenden Dreh- und Vorschubeinheit 12. Diese Dreh- und Vorschubeinheit 12 weist einen Drehantrieb 13 für das Bohrgestänge 3, ein das Bohrgestänge 3 beaufschlagendes Schlagwerk 14 und einen Vorschubantrieb 15 auf.Another radio link 9 transmits the above-mentioned data from the receiver 7 to a display device 10 in the vicinity of a striking rotary and feed unit 12 arranged at the start 11. This rotary and feed unit 12 has a rotary drive 13 for the drill pipe 3, which acts on the drill pipe 3 Impact mechanism 14 and a feed drive 15.

Das Bohrgestänge 3 ist mit der Dreh- und Vorschubeinheit über einen Bohrgestängenanschluß 16 gekuppelt.The drill pipe 3 is coupled to the rotary and feed unit via a drill pipe connection 16.

Von der Anzeigevorrichtung 10 führt eine Kabelverbindung zu einem Schaltkasten 17 mit Bedienungspult, mittels dessen es über je eine Kabelverbindung 18 möglich ist, den Drehantrieb 13, das Schlagwerk 14 und den Vorschubantrieb 15 anzusteuern.A cable connection leads from the display device 10 to a switch box 17 with an operating panel, by means of which it is possible via a cable connection 18 in each case to control the rotary drive 13, the striking mechanism 14 and the feed drive 15.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung läßt sich auf zwei verschiedene Weisen betreiben. Wird das Bohrgestänge 3 drehend und schiebend durch das Erdreich 2 getrieben, entsteht eine gerade Bohrung. Dabei wird die aufgrund der Lenkfläche 5 am Bohrkopf mögliche Ablenkung des außermittig wirkenden Bohrkopfes 4 durch das gleichmäßige Drehen des Bohrgestänges 3 neutralisiert.The device shown in Fig. 1 can be operated in two different ways. If the drill pipe 3 is driven through the soil 2 in a rotating and pushing manner, a straight bore is created. The deflection of the eccentrically acting drill head 4, which is possible due to the steering surface 5 on the drill head, is thereby neutralized by the uniform rotation of the drill rod 3.

Eine Kurvenfahrt wird bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung dadurch eingeleitet, daß die Drehbewegung (Winkelgeschwindigkeit) des Bohrkopfes 4 beispielsweise im Bereich der dargestellten Steuerstellung bzw. Winkellage der Schrägfläche 5 in bezug auf das Bohrgestänge 3 während jeder Drehung kurzfristig auf eine bestimmte Lenkgeschwindigkeit verlangsamt oder in der gegenüber dieser Lage um 180° versetzten Winkellage kurzfristig beschleunigt wird. Auf diese Weise ergibt sich eine nach unten gekrümmte Kurvenbahn, solange diese periodische Geschwindigkeitsänderung stattfindet.1 is initiated in that the rotary movement (angular velocity) of the drill head 4, for example in the region of the illustrated control position or angular position of the inclined surface 5 with respect to the drill string 3, briefly slows down to a certain steering speed during each rotation or is accelerated for a short time in the angular position offset from this position by 180 °. In this way, there is a curved curve downward as long as this periodic change in speed takes place.

Dieselbe Wirkung läßt sich erzielen, wenn das Bohrgestänge aus zwei konzentrischen Strängen besteht und sich an einem der Stränge dort, wo die Lenkfläche 5 in einer Spitze oder Schneide endet, mindestens ein Werkzeug befindet, das angetrieben sein kann und sich auf einem Hüllkreis um die Gestängeachse bewegt, wenn der Strang sich dreht, mit dem das Werkzeug verbunden ist. Dies ist beispielsweise möglich mit einem aus zwei konzentrischen Rohren bestehenden Gestänge, bei dem das Innenrohr mit einem exzentrisch angeordneten Werkzeug versehen oder das Außenrohr in einem begrenzten Abschnitt seiner Stirnfläche als Bohrkrone ausgebildet ist.The same effect can be achieved if the drill pipe consists of two concentric strands and on one of the strands where the steering surface 5 in one Tip or cutting edge ends, there is at least one tool that can be driven and moves on an envelope around the rod axis when the strand with which the tool is connected rotates. This is possible, for example, with a linkage consisting of two concentric tubes, in which the inner tube is provided with an eccentrically arranged tool or the outer tube is designed as a drill bit in a limited section of its end face.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das Bohrgestänge aus einer abgeknickten Bohrlanze 19 mit einer Bohrung 20,21, die zu einem Mudmotor 22 führt, der über die Bohrung 20,21 mit Antriebsflüssigkeit versorgt wird. Der Mudmotor treibt ein zentrisch angeordnetes Abbauwerkzeug 23 mit Düsen 24 an, über welche die Antriebsflüssigkeit austritt, um den Erdreichabbau zu unterstützen und/oder das Abfördern des gelösten Erdreichs über den Ringraum 25 zwischen der Bohrlanze 19 und dem Erdreich 2 zu verbessern.In the exemplary embodiment shown in FIG. 2, the drill string consists of a bent drilling lance 19 with a bore 20, 21, which leads to a mud motor 22, which is supplied with drive fluid via the bore 20, 21. The mud motor drives a centrally arranged excavation tool 23 with nozzles 24, through which the drive fluid exits, in order to support the excavation of soil and / or to improve the removal of the loosened soil via the annular space 25 between the drilling lance 19 and the soil 2.

Die Bohrlanze 19 enthält eine Meß- und Sendeeinheit 26 zum Aufnehmen und Weiterleiten der zum Lenken erforderlichen Meßdaten.The drilling lance 19 contains a measuring and transmitting unit 26 for receiving and forwarding the measurement data required for steering.

Ein weiteres Ein-Rohr-Gestänge 27 ist in Fig. 3 dargestellt und enthält einen Mudmotor 28, der über eine Schlauchleitung 29 mit Antriebsflüssigkeit versorgt wird, die den Mudmotor über Düsen 30 eines exzentrisch angeordneten Abbauwerkzeugs 31 verläßt. Das vordere Ende des Bohrgestänges 27 ist mit Werkzeugen 32 besetzt und besitzt eine Lenkschräge 33, die sich bei einer Kurvenfahrt an der ihr benachbarten Wandung des von dem Werkzeug 31 geschaffenen Erdkanals abstützt. Die Kurvenfahrt findet statt, wenn das Gestängerohr 27 im Bereich der in Fig. 5 dargestellten Winkelstellung kurzfristig mit einer Geschwindigkeit gedreht wird, die sich von der Bezugsgeschwindigkeit positiv oder negativ unterscheidet.Another one-pipe linkage 27 is shown in FIG. 3 and contains a mud motor 28 which is supplied with drive fluid via a hose line 29, which exits the mud motor via nozzles 30 of an eccentrically arranged removal tool 31. The front end of the drill pipe 27 is equipped with tools 32 and has a steering bevel 33, which is at a Cornering on the adjacent wall of the earth channel created by the tool 31. The cornering takes place when the drill pipe 27 is briefly rotated in the area of the angular position shown in FIG. 5 at a speed that differs positively or negatively from the reference speed.

Das Abbauwerkzeug 31 läßt sich entsprechend der Darstellung in Fig. 4 bei einem Doppel-Rohr-Gestänge mit einem Außenrohr 34 auch über ein rohrförmiges Innengestänge antreiben, das aus mehreren, jeweils über Kardangelenke 35 miteinander verbundenen Teilstücken 36,37,38 besteht. Die Kardangelenke können entfallen, wenn das Innengestänge hinreichend flexibel ist.The removal tool 31 can be driven as shown in FIG. 4 in a double-pipe linkage with an outer tube 34 also via a tubular inner linkage which consists of a plurality of sections 36, 37, 38 which are connected to one another by universal joints 35. The cardan joints can be omitted if the inner linkage is sufficiently flexible.

Um das Abfördern des von dem Abbauwerkzeug 31 im Zusammenwirken mit den aus den Düsen 30 austretenden Flüssigkeitsstrahlen gelösten Erdreichs zu verbessern, weist bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 das Außenrohr 39 des Doppel-Rohr-Gestänges 39,40 eine Abraumöffnung 41 auf und ist das Innenrohr 40 mit Schaufeln 58 besetzt, die das durch die Abraumöffnung 41 in das Außenrohr 39 eintretende Erdreich in Richtung des Bohrgestängeantriebs abfördern.In order to improve the removal of the soil loosened by the removal tool 31 in cooperation with the liquid jets emerging from the nozzles 30, in the exemplary embodiment in FIG. 5 the outer tube 39 of the double-tube rod assembly 39, 40 has a spoil opening 41 and that is it Inner pipe 40 is fitted with blades 58 which convey the soil entering the outer pipe 39 through the excavation opening 41 in the direction of the drill pipe drive.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 6 ist das Führungs- bzw. Außenrohr 42 des Bohrgestänges abgewinkelt, während das Innenrohr aus einem Rohrstrang 43 besteht, der über ein Kardangelenk 44 mit einem Innenrohrabschnitt 45 in Verbindung steht, der drehfest mit einem Abbauwerkzeug 46 verbunden ist. Der Durchmesser des Abbauwerkzeugs 46 ist größer als der Durchmesser des Führungsrohrs 42 und schafft daher einen Ringraum 47, über den das gelöste und mit der über Düsen 47 des Abbauwerkzeugs 46 austretenden Flüssigkeit vermischte Erdreich peripher abgefördert wird.In the exemplary embodiment in FIG. 6, the guide or outer tube 42 of the drill pipe is angled, while the inner tube consists of a tubular string 43 which is connected via a universal joint 44 to an inner tube section 45 which is connected in a rotationally fixed manner to a removal tool 46. The diameter of the removal tool 46 is larger than the diameter of the guide tube 42 and therefore creates an annular space 47, via which the loosened soil and mixed with the liquid emerging via nozzles 47 of the mining tool 46 is conveyed away peripherally.

Bei dem Bohrgestänge der Fig. 7 aus einem Führungsrohr 48 und einem damit über ein Gelenk 49 verbundenen Rohrabschnitt 50 wird das Abbauwerkzeug 51 über ein Innengestänge 52 angetrieben, das über eine Kupplung 53, beispielsweise in Gestalt einer Vielkeilwelle, und ein Kardangelenk 54 mit der Antriebswelle 55 des Abbauwerkzeugs 51 verbunden ist. Ein Bund 56 des Innengestänges 52 ist über eine Schubstange 57 mit dem Rohrabschnitt 50 verbunden und erlaubt beim Längsverschieben des Innengestänges 52 ein Verschwenken des Rohrabschnitts 50. Auf diese Weise läßt sich der Abknickwinkel des Rohrabschnitts 50 und damit der Durchmesser des geraden Abschnitts einer Erdbohrung sowie der Krümmungsradius bei einer Kurvenfahrt stufenlos einstellen.7, consisting of a guide tube 48 and a tube section 50 connected thereto via a joint 49, the removal tool 51 is driven via an inner linkage 52 which is connected via a coupling 53, for example in the form of a splined shaft, and a cardan joint 54 to the drive shaft 55 of the removal tool 51 is connected. A collar 56 of the inner linkage 52 is connected to the pipe section 50 via a push rod 57 and, when the inner linkage 52 is displaced longitudinally, allows the pipe section 50 to be pivoted. In this way, the bend angle of the pipe section 50 and thus the diameter of the straight section of an earth hole and the Infinitely adjustable radius of curvature when cornering.

Allen Ausführungsbeispielen ist das eine gemeinsam, daß sich bei einer im wesentlichen gleichmäßigen Bewegung des in bezug auf die Drehachse des Gestänges exzentrisch angeordneten Abbauwerkzeugs auf einem Hüllkreis um die Drehachse ein gerader Bohrabschnitt und bei einem Rotieren mit vorzugsweise regelmäßig pulsierender Winkelgeschwindigkeit eine Kurvenfahrt ergibt, deren Krümmungsradius von der Geometrie des Bohrgestänges und/oder des Bohrwerkzeugs sowie der Geschwindigkeitsabweichung im Verhältnis zur Bezugsgeschwindigkeit abhängt.All of the exemplary embodiments have one thing in common that a substantially uniform movement of the dismantling tool, which is arranged eccentrically with respect to the axis of rotation of the linkage, results in a straight drilling section on an enveloping circle around the axis of rotation and, when rotating with a preferably pulsating angular velocity, results in a curve, the radius of curvature of which depends on the geometry of the drill pipe and / or the drilling tool and the speed deviation in relation to the reference speed.

Claims (18)

Verfahren zum Richtungsbohren mit Hilfe einer Bohrvorrichtung mit - einem Gestänge und - einem sich auf einer Kreisbahn bewegenden Abbauwerkzeug, bei dem - das Werkzeug beim Geradeausbohren mit im wesentlichen konstanter Winkelgeschwindigkeit bewegt und - die Winkelgeschwindigkeit beim Kurvenbohren periodisch geändert wird. Method for directional drilling using a drilling device with - a linkage and - A mining tool moving on a circular path, in which - Moving the tool when drilling straight ahead with a substantially constant angular velocity and - The angular velocity is changed periodically when drilling bends. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelgeschwindigkeit je Umdrehung des Werkzeuges einmal in einem bestimmten Winkelbereich geändert wird.A method according to claim 1, characterized in that the angular velocity per revolution of the Tool is changed once in a certain angular range. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß während der Kurvenfahrt die Winkelgeschwindigkeit in zeitlich gleichen Intervallen geändert wird.Method according to Claim 1 or 2, characterized in that the angular velocity is changed at the same time intervals during cornering. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zeitlich versetzt zu der Geschwindigkeitsänderung ein Beschleunigungsschlag oder -schub auf das Gestänge ausgeübt wird.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that an acceleration stroke or thrust is exerted on the linkage at a time offset from the change in speed. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschleunigungsschlag oder -schub in die Phase der höheren Winkelgeschwindigkeit fällt.Method according to claim 4, characterized in that the acceleration shock or thrust falls in the phase of the higher angular velocity. Vorrichtung insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einem angetriebenen Bohrgestänge (3,19,27;34;39,40;42,43; 48,50) und mindestens einem exzentrisch zur Bohrachse angeordneten Werkzeug (4;23;31;46;51).Device in particular for carrying out the method according to one of claims 1 to 5 with a driven drill pipe (3, 19, 27; 34; 39.40; 42.43; 48.50) and at least one tool (4; 23) arranged eccentrically to the drill axis ; 31; 46; 51). Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein Bohrgestänge aus einem abgewinkelten oder gekrümmten Führungsrohr (19,42) und einem im Führungsrohr gelagerten angetriebenen Werkzeug (23, 46).Apparatus according to claim 6, characterized by a drill pipe consisting of an angled or curved guide tube (19, 42) and a driven tool (23, 46) mounted in the guide tube. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Bohrgestänge (3) aus zwei konzentrischen Rohren (39,40;42,43) besteht.Device according to one of claims 6 or 7, characterized in that the drill pipe (3) consists of two concentric tubes (39, 40; 42, 43). Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr (36,37,38;40;52) angetrieben sowie mit einem Abbauwerkzeug (31,46,51) verbunden ist.Device according to claim 8, characterized in that the inner tube (36,37,38; 40; 52) is driven and connected to a removal tool (31,46,51). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug (23,31,46) mit Düsen (24,30,47) für eine durch das Innenrohr (36,37,38;40;52) zugeführte Flüssigkeit versehen ist.Device according to one of claims 6 to 9, characterized in that the tool (23, 31, 46) is provided with nozzles (24, 30, 47) for a liquid supplied through the inner tube (36, 37, 38; 40; 52) is. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 und 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug (23,31) von einem Mudmotor (22,28) angetrieben und die Antriebsflüssigkeit durch das Gestänge (19,27) zugeführt wird.Device according to one of claims 6 and 8 to 10, characterized in that the tool (23, 31) is driven by a mud motor (22, 28) and the drive fluid is supplied through the linkage (19, 27). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Gestänge (19;42,43) im vorderen Teil abgewinkelt ist.Device according to one of claims 6 to 11, characterized in that the linkage (19; 42, 43) is angled in the front part. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse des Abbauwerkzeugs (31) exzentrisch angeordnet ist.Device according to one of claims 6 to 11, characterized in that the axis of rotation of the removal tool (31) is arranged eccentrically. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Gestänge (27,34) oder Werkzeug (4) mit einer Lenkfläche (5,33) versehen ist.Device according to one of claims 6 to 13, characterized in that the linkage (27, 34) or tool (4) is provided with a steering surface (5, 33). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das vordere Ende des Außenrohrs (27,34,39) mit Werkzeugen (32) besetzt ist.Device according to one of claims 8 to 12, characterized in that the front end of the Outer tube (27,34,39) with tools (32) is occupied. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Gestänge (39) mit mindestens einer Abraumöffnung (41) versehen ist.Device according to one of claims 6 to 15, characterized in that the linkage (39) is provided with at least one overburden opening (41). Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß im Gestänge (39) eine Förderschnecke (40,58) und/oder Düsen für eine Flüssigkeit zum Abfördern des Erdreichs angeordnet sind.Apparatus according to claim 16, characterized in that a screw conveyor (40, 58) and / or nozzles for a liquid for removing the soil are arranged in the linkage (39). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 und 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Außenrohr (48) gelenkig mit einem dem Abbauwerkzeug (51) benachbarten Rohrabschnitt (50) verbunden ist.Device according to one of claims 8 and 15 to 17, characterized in that the outer tube (48) is connected in an articulated manner to a tube section (50) adjacent to the removal tool (51).
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