HARTMANN, Klaus (Hoheroth 90, Wilnsdorf, 57234, DE)
TWELSIEK, Wolf-Henning (Hoheroth 26, Wilnsdorf, 57234, DE)
JANTZ, Peter (Relekes Weg 2, Attendorn, 57439, DE)
HARTMANN, Klaus (Hoheroth 90, Wilnsdorf, 57234, DE)
TWELSIEK, Wolf-Henning (Hoheroth 26, Wilnsdorf, 57234, DE)
| Ansprüche 1. Kommunikationssystem zur Übertragung von Informationen über Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) eines Bohrstrangs für Erdbohrungen, umfassend ein erstes Bohrgestänge (8, 80), ein oder mehrere zweite Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 9, 10) und einen Bohrantrieb (7), wobei das erste Bohrgestänge (8, 80) und das oder die zweite(n) Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 9, 10) jeweils aus einem hohlzylinderförmigen Gestängerohr (11 ) mit zumindest einer sich in axialer Richtung erstreckenden Leitung (21 , 22) und mit einem oberen Ende (13) und einem unteren Ende (14) gebildet ist/sind, das untere Ende (14) des ersten Bohrgestänges (8, 80) eine Aufnahme für einen Bohrkopf aufweist, jedes der zweiten Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 9, 10) mit seinem unteren Ende (14) mit dem oberen Ende (13) des ersten Bohrgestänges (8, 80) oder eines anderen zweiten Bohrgestänges (3, 4, 5, 6, 9, 10) drehfest verbunden und mit seinem oberen Ende (13) mit dem unteren Ende (14) eines weiteren zweiten Bohrgestänges (3, 4, 5, 6, 9, 0) oder mit dem Bohrantrieb (7) drehfest verbunden ist, wobei das Kommunikationssystem weiterhin umfasst: - eine Sensorik (81 ) und/ oder Aktorik (81 ), von der oder zu der Mess-, Parametrier-, Status- und/ oder Steuerdaten zu übertragen sind und die am unteren Ende (14) des ersten Bohrgestänges (8, 80) und/ oder am Bohrkopf angeordnet ist/ sind, - eine erste Kommunikationseinheit (72) und eine antriebsseitige Elektronik (73), die beide am oder im Bohrantrieb (7) angeordnet und miteinander verbunden sind, - einen Oberflächenrechner (100, 101 ) zur Überwachung der Erdbohrung, der mit der antriebsseitigen Elektronik (73) in Kommunikationsverbindung steht und die Daten der Sensorik (81 ) und/ oder Aktorik (81 ) empfängt oder bereitstellt, - weitere Kommunikationseinheiten (17, 19), von denen zumindest eine an dem oberen Ende (13) des ersten Bohrgestänges (8, 80) und zumindest jeweils eine an den beiden Enden (13, 14) des oder der zweiten Bohrgestänge(s) (3, 4, 5, 6, 9, 10) angeordnet sind, - zumindest eine Elektronik (15) mit einem Mikrocontroller jeweils in den Bohrgestängen (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80), und - zumindest eine Energieversorgung für die Kommunikationseinheiten (17, 19) und die Elektronik (15) jeweils in den Bohrgestängen (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80), wobei die Sensorik (81 ) und/ oder Aktorik (81 ) und die Kommunikationseinheit (17) des ersten Bohrgestänges (8, 80) über dessen elektrische Leitung (21 , 22) miteinander verbunden sind und die Elektronik (15) des ersten Bohrgestänges (8, 80) datentechnisch zwischen der Sensorik (81 ) und/ oder Aktorik (81 ) und der Kommunikationseinheit (17) des ersten Bohrgestänges (8, 80) liegt, und die Kommunikationseinheiten (17, 19) eines jeden zweiten Bohrgestänges (3, 4, 5, 6, 9, 10) über dessen elektrische Leitung (21 , 22) miteinander verbunden sind, wobei die Elektronik (15) des jeweiligen zweiten Bohrgestänges (3, 4, 5, 6, 9, 10) datentechnisch zwischen den Kommunikationseinheiten (17, 19) liegt, und wobei die Kommunikationseinheiten (17, 19, 72) Funkmodule sind, und jede der Kommunikationseinheiten (17, 19, 72) dazu eingerichtet ist, die Daten an die unmittelbar benachbarte Kommunikationseinheit (17, 19) des nächsten Bohrgestänges (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) oder des Bohrantriebs (7) zu übertragen und/ oder von dieser Daten zu empfangen. 2. Kommunikationssystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass jedem Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) eine eindeutige Kennung zugeordnet ist, über die es identifizierbar ist. 3. Kommunikationssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) einen Knoten in einem ad- hoc Netzwerk bildet. 4. Kommunikationssystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennung in der Elektronik (15) und/ oder in einer oder mehreren der Kommunikationseinheiten (17, 19) gespeichert und von der antriebsseitigen Kommunikationseinheit (72) abfragbar ist. 5. Kommunikationssystem nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) einen RFID-Transponder aufweist, in dem die Kennung gespeichert ist. 6. Kommunikationssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Bohrantrieb (7) einen Näherungssensor mit einer RFID-Leseeinheit aufweist, der mit der antriebsseitigen Elektronik (73) verbunden und dazu eingerichtet ist, bei Annäherung eines Bohrgestänges (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) dessen RFID-Transponder zur Aussendung der Kennung zu aktivieren. 7. Kommunikationssystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der RFID-Transponder ein aktiver RFID-Transponder ist, der mit der Energieversorgung verbunden und dazu eingerichtet ist, die Energieversorgung einzuschalten, wenn er ein Aktivierungssignal empfängt. 8. Kommunikationssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationseinheiten (17, 19) dazu eingerichtet sind, die Daten über WLAN zu übertragen. 9. Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 9, 10) für einen Bohrstrang für Erdbohrungen zum Aufbau eines Kommunikationssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einem hohlzylinderförmigen Gestängerohr (11 ), das ein oberes Ende (13) und ein unteres Ende (14) aufweist, und mit zumindest einer zwischen dem oberen und dem unteren Ende (13, 14) liegenden elektrischen Leitung (21 , 22), die zu den beiden Enden (13, 14) geführt ist, wobei das untere Ende (14) mit dem oberen Ende (13) eines anderen Bohrgestänges (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) drehfest verbindbar und das oberen Ende (13) mit dem unteren Ende (14) eines anderen Bohrgestänges (3, 4, 5, 6, 9, 10) oder mit einem Bohrantrieb (7) drehfest verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass an beiden Enden (13, 14) zumindest eine Kommunikationseinheit (17, 19) angeordnet, zumindest eine Elektronik (15) mit einem MikroController, und zumindest eine Energieversorgung für die Kommunikationseinheiten (17, 19) und die Elektronik (15) vorhanden sind, wobei die Kommunikationseinheiten (17, 19) über die elektrische Leitung (21 , 22) miteinander verbunden sind und die Elektronik (15) datentechnisch zwischen den Kommunikationseinheiten liegt, und die Kommunikationseinheiten (17, 19) Funkmodule sind, wobei jede der Kommunikationseinheiten (17, 9) dazu eingerichtet ist, Daten an eine unmittelbar benachbarte Kommunikationseinrichtung (17, 19) des nächsten Bohrstrangs (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) oder des Bohrantriebs (7) zu übertragen und/ oder von dieser Daten zu empfangen. 10. Bohrgestänge (8, 80) für einen Bohrstrang für Erdbohrungen zum Aufbau eines Kommunikationssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einem hohlzylinderförmigen Gestängerohr (1 ), das ein oberes Ende (13) und ein unteres Ende (14) aufweist, und mit zumindest einer zwischen dem oberen und dem unteren Ende (13, 14) liegenden elektrischen Leitung (21 , 22), die zu den beiden Enden (13, 14) geführt ist, wobei das untere Ende (14) eine Aufnahme für einen Bohrkopf aufweist und das oberen Ende (13) mit dem unteren Ende (14) eines anderen Bohrgestänges (3, 4, 5, 6, 9, 10) oder mit einem Bohrantrieb (7) drehfest verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensorik (81 ) und/ oder Aktorik (81 ), von der oder zu der Daten übertragbar sind, am unteren Ende (14) angeordnet ist/ sind, eine Kommunikationseinheit (17) am oberen Ende (13) angeordnet ist, zumindest eine Elektronik (15) mit einem Mikrocontroller, und zumindest eine Energieversorgung für die Kommunikationseinheiten (17, 19) und die Elektronik ( 5) vorhanden sind, wobei die Kommunikationseinheit (17) und die Sensorik (81 ) und/ oder Aktorik (81) über die elektrische Leitung (21 , 22) miteinander verbunden sind und die Elektronik (15) datentechnisch zwischen der Sensorik (81 ) und/ oder Aktorik (81 ) und der Kommunikationseinheit (17) liegt, und die Kommunikationseinheit (17) ein Funkmodul ist, wobei die Kommunikationseinheit (17) dazu eingerichtet ist, Daten an eine unmittelbar benachbarte Kommunikationseinrichtung (19) des nächsten Bohrstrangs (3, 4, 5, 6, 9, 10) oder des Bohrantriebs (7) zu übertragen und/ oder von dieser Daten zu empfangen. 11. Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationseinheiten (17, 19) kombinierte Sende-/ Empfangseinrichtungen (Transceiver) sind. 12. Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) nach einem der vorherigen Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gestängerohr (11 ) ein Neigungssensor (16) zur Erfassung des Lagezustands des Bohrgestänges (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) angeordnet ist. 13. Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) nach einem der vorherigen Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungssensor (16) mit der Energieversorgung verbunden und dazu eingerichtet ist, die Energieversorgung für die Elektronik (15) und für das oder die Kommunikationseinheiten (17, 19) bei einem Übergang des Bohrgestänges (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) von einem horizontalen Lagezustand zu einem vertikalen Lagezustand einzuschalten und bei einem Übergang des Bohrgestänges (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) von einem vertikalen Lagezustand zu einem horizontalen Lagezustand auszuschalten. 14. Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) nach einem der vorherigen Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgung entnehmbar am oder im Gestängerohr (11 ), insbesondere steckbar befestigt ist. 15. Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) nach einem der vorherigen Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgung schaltbar ist. 16. Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) nach einem der vorherigen Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Gestängerohr (11 ) mindestens eine Ausnehmung, insbesondere eine taschenförmige Ausnehmung, zur geschützten Aufnahme der Energieversorgung, der Elektronik (15) und/ oder einer der Kommunikationseinheiten (17, 19) aufweist. 17. Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ausnehmung Steckkontakte zur elektrischen Steckkontaktierung mit der Energieversorgung, der Elektronik (15) und/ oder einer Kommunikationseinheiten (17, 19) liegen. 18. Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) nach einem der vorherigen Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgung aus Batterien gebildet ist. 19. Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) nach einem der vorherigen Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgung wiederaufladbar ist. 20. Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) nach einem der vorherigen Ansprüche 9 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Gestängerohr (11 ) Mittel zur automatischen Wiederaufladung der Energieversorgung während des Betriebs des Bohrgestänges aufweist. 21. Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) nach einem der vorherigen Ansprüche 9 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgung zumindest ein optisches und/ oder akustisches Mittel zur Anzeige des Ladezustands, der Restkapazität und/ oder noch zur Verfügung stehenden Versorgungsdauer aufweist. 22. Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) nach einem der vorherigen Ansprüche 9 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgung und die Elektronik (15) baulich eine Einheit bilden. 23. Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) nach einem der vorherigen Ansprüche 9 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass es für jede Kommunikationseinheit (17, 19) eine Elektronik (15) aufweist, wobei Kommunikationseinheit (17, 19) und Elektronik (15) baulich eine Einheit bilden. 24. Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) nach einem der vorherigen Ansprüche 9 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass es für jede Kommunikationseinheit (17, 19) eine Energieversorgung aufweist, wobei Kommunikationseinheit (17, 19) und Energieversorgung (15) baulich eine Einheit bilden. 25. Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) nach einem der vorherigen Ansprüche 9 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronik (15) und/ oder die Energieversorgung in der axialen Mitte des Gestängerohrs (11 ) angeordnet ist/ sind. 26. Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) nach einem der vorherigen Ansprüche 9 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationseinheit (17) oder die Kommunikationseinheiten (17, 19) ein Gehäuse aufweist/ aufweisen, mit dem sie außen am Gestängerohr (11 ) montiert ist/ sind. 27. Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Gehäuse eine durch ein nichtmetallisches Material verschlossene Öffnung aufweist/ aufweisen, die in Richtung des äußeren Randes des Endes (13, 14) gerichtet ist, an dem die entsprechende Kommunikationseinheit (17, 19) angeordnet ist. 28. Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) nach einem der vorherigen Ansprüche, 16 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung eine durch ein nichtmetallisches Material verschlossene Öffnung aufweist, die in Richtung des äußeren Randes des Endes (13, 14) gerichtet ist, an dem die entsprechende Kommunikationseinheit (17, 19) angeordnet ist. 29. Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) nach einem der vorherigen Ansprüche 9 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest einen mit der Elektronik (15) verbundenen Sensor, insbesondere einen Drucksensor und/ oder einen Temperatursensor aufweist. 30. Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) nach einem der vorherigen Ansprüche 9 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest einen mit der Elektronik (15) verbundenen Aktor, insbesondere ein Ventil, einen Motor und/ oder eine Pumpe aufweist. 31. Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) nach einem der vorherigen Ansprüche 9 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationseinheit (17) oder die Kommunikationseinheit (17, 19) in einem Abstand zwischen 15 cm und 20 cm vor dem Rand des Endes/ der Enden (13, 14) des Gestängerohrs (11 ) angeordnet ist/ sind. 32. Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) nach einem der vorherigen Ansprüche 9 bis 31 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kommunikationseinheit (17) oder die Kommunikationseinheit (17, 19) für eine Nahfeldkommunikation derart eingerichtet ist/ sind, dass ihre Senderreichweite(n) weniger als 1m, insbesondere zwischen 30 und 50cm beträgt/ betragen. 33. Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 80) nach einem der vorherigen Ansprüche 9 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leitung (21 , 22) ein- oder mehrpaarig ist. 34. Bohrstrang zur Durchführung von Erdbohrungen, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem ersten Bohrgestänge (8, 80) nach einem der Ansprüche 10 bis 33 und zumindest einem zweiten Bohrgestänge (3, 4, 5, 6, 9, 10) nach einem der Ansprüche 9 bis 33 besteht. |
Bohrgestänge
Die Erfindung betrifft ein Kommunikationssystem zur Übertragung von
Informationen über Bohrgestänge eines Bohrstrangs für Erdbohrungen, umfassend ein erstes Bohrgestänge, ein oder mehrere zweite Bohrgestänge und einen Bohrantrieb, wobei das erste Bohrgestänge und das oder die zweite(n) Bohrgestänge jeweils aus einem hohlzylinderförmigen
Gestängerohr mit zumindest einer sich in axialer Richtung erstreckenden Leitung und mit einem oberen Ende und einem unteren Ende gebildet ist/sind, das untere Ende des ersten Bohrgestänges eine Aufnahme für einen
Bohrkopf aufweist, jedes der zweiten Bohrgestänge mit seinem unteren Ende mit dem oberen Ende des ersten Bohrgestänges oder eines anderen zweiten Bohrgestänges drehfest verbunden und mit seinem oberen Ende mit dem unteren Ende eines weiteren zweiten Bohrgestänges oder mit dem
Bohrantrieb drehfest verbunden ist, wobei eine Sensorik und/ oder Aktorik, von der oder zu der Mess-, Parametrier-, Status- und/ oder Steuerdaten zu übertragen sind am unteren Ende des ersten Bohrgestänges und/ oder am Bohrkopf angeordnet ist/ sind, wobei die Daten entlang des Bohrstrangs zu oder von einer Kommunikationseinheit am oder im Bohrantrieb übertragen oder empfangen werden, die mit einem Oberflächenrechner zur
Überwachung der Erdbohrung in Verbindung steht, der die Daten der
Sensorik und/ oder Aktorik empfängt oder bereitstellt. Ferner betrifft die
BESTÄTIGUNGSKOPIE Erfindung Bohrgestänge zum Aufbau eines derartigen
Kommunikationssystems.
Bohrlöcher für die Gas-, Petroleum- oder Geothermal-Exploration sind typischerweise 30 cm im Durchmesser und in der Länge ca. 2 km/1 ,5 mi lang. Diese Bohrungen werden mit Bohrsträngen aus relativ leichten, aneinander geschraubten, die Fugen mit Gelenken versehenen Bohrgestängen von 9,14m/ 30 ft oder 13,72 m/ 45 ft Länge gebohrt. Mit dem Bohrfortschritt werden weitere Bohrgestänge am oberen Bohrlochende dem Bohrstrang hinzugefügt. Am unteren Bohrlochende des Bohrstrangs befindet sich üblicherweise ein Meißelschaft, dessen Eigengewicht etwa dem von normalen Bohrgestängen aneinandergereiht auf 300 m /1.000 ft Länge entspricht. Der Meißelschaft wird mit einer Bohrkrone bestückt. Aufgrund es Gewichts der Anordnung und dem drehenden Antrieb des Bohrstrangs von der Oberfläche gräbt sich die Bohrkrone in das Erdreich. Manchmal werden auch
Bohrschlammmotoren oder Bohrschlammturbinen für den Bohrkronenantrieb eingesetzt. Spülschlamm oder Luft wird von der Oberfläche durch eine axiale Bohrung des Bohrstrangs der Bohrkrone zugeführt. Dieses Fluid entfernt die Abtragungen aus dem Bohrloch über den hohlzylinderförmigen Raum zwischen Gestängeaußenwand und Bohrlochwand. Mit einem
hydrostatischen Bohrkopf werden die Gase der Bodenformation überwacht oder auch manchmal eine Kühlung für die Bohrkrone appliziert.
Eine Übertragung von Sensordaten über Parameter wie Druck oder
Temperatur, die mittels Sensoren am Bohrstrang im Bereich des
Bohrlochbodens erfasst werden, an die Oberfläche, ist lange schon gefordert. Verschiedene Methoden dieser Kommunikation wurden versucht, wie elektromagnetische Wellenausbreitung über die Bodenformation, elektrische Übertragung über einen isolierten Leiter, Druckimpuls-Verbreitung über den Bohrschlamm sowie akustische Wellenausbreitung über den metallenen Bohrstrang. Jede dieser Methoden weist Nachteile auf, wie beispielsweise die Signaldämpfung, die Umgebungsgeräusche, die hohen Temperaturen sowie die Inkompatibilität mit den Standardarbeitsweisen betreffend. Die am meisten kommerziell verbreitete Methode ist die der Informationsübertragung mittels eines Druckimpulses über den Bohrschlamm. Jedoch begrenzen Dämpfungsmechanismen des Schlamms die Übertragungsrate auf ca. 2bit/s bis 4bit/s.
Ein weiterer Grund für die Übertragung von Informationen über den
Bohrstrang resultiert aus dem Wunsch zur selbsttätigen Einhaltung einer vorgegebenen Vortriebsrichtung. Dies ist vor allem beim bergmännischen Tiefbohren mit einem den Bohrmeißel tragenden Gestängerohr und einem auf diesem drehbar angeordneten und mit Führungsleisten und Anpressstücken versehenen Außenrohr wichtig. Auch ein Bohrgestänge für Voll- und
Kernbohrungen ist betroffen. Bei Tiefbohrungen im Über- und Untertagebau bewirken die Erdanziehung, die Schichtung von Erdformationen,
insbesondere beim Übergang von harten auf weiche Schichten und
umgekehrt, sowie die Außenreibung des Bohrwerkzeugs und des Gestänges Abweichungen von der vorgegebenen Bohrrichtung. Das trifft sowohl für Kern- als auch für Vollbohrungen zu. Insbesondere im Untertagebergbau, wo oft Ansatz- und Austrittspunkt einer Bohrung genau festgelegt sind, muss die Bohrung die gewünschte Richtung beibehalten. Solche Bohrungen werden auch als Zielbohrungen bezeichnet. Aber auch bei Aufschlussbohrungen zur Erkundung unbekannter Lagerstätten, ist ein geradliniger Verlauf der Bohrung gefordert. Aufschlussbohrungen werden sowohl nach dem Kern- als auch nach dem Vollbohrverfahren durchgeführt. Auch bei Parallelbohrungen, wie z.B. für die Deichbefestigung, ist die Lotrechte und Parallelität aus Gründen der späteren Dichtheit der Deichanlage zwingend notwendig.
Für den geradlinigen Verlauf der Bohrung werden sogenannte
Zielbohrstangen, Stabilisatoren oder Zentrier- und Führungsvorrichtungen eingebaut. Es handelt sich hierbei um Gestänge mit aufgesetzten
Führungsleisten, die im äußeren Durchmesser dem Bohrdurchmesser entsprechen und, dem vordringenden Bohrwerkzeug folgend, dieses konzentrisch führen sollen. Zielbohrstangen besitzen eine eingebaute automatische Vertikalsteuerung, die die Bohrrichtung unter Ausnutzung der Kraft der Erdanziehung und Verwendung des Drucks der Spülflüssigkeit vorgibt und/ oder korrigiert. Bei geradlinigen Bohrungen sowohl nach dem Voll- als auch dem Kernbohrverfahren, auch bei Längen bis 100 m, sind zwischendurch Richtungsmessungen erforderlich, um die Bohrung
entsprechend der festgestellten Abweichung zu richten. Diese Arbeiten sind außerordentlich zeitraubend und aufwendig, besonders bei sehr tiefen Bohrungen oder bei Kern- oder Vollbohrungen nach dem
Seilkernbohrverfahren, bei dem zwei unterschiedliche Gestänge- und Maschinenausrüstungen zum Einsatz kommen. Zu den geradlinigen
Bohrungen zählen Horizontal-, Vertikal- und Schrägbohrungen.
Es besteht also großes Interesse, entsprechende Messinstrumente so dicht wie möglich an dem Bohrkopf und/ oder an der Bohrkrone des Bohrstrangs anzuordnen, um die korrekte Messdaten on-line und real-time über den Bohrstrang Verarbeitungseinrichtungen an der Oberfläche zur Verfügung zu stellen, um z.B. auf Destinationsabweichungen unmittelbar reagieren zu können. Entsprechende Messgeräte sind beispielsweise als
Neigungssensoren wie Inklinometer, Deflektometer oder Pendellotmeter. Ebenso bedeutend ist die Messwertübertragung von Sensoren anderer Erfassungsgrößen, d.h. anderer physikalischer Größen.
Im Folgenden wird der Stand der Technik von Einrichtungen zur Übertragung von Informationen über Bohrgestänge gewürdigt. Gemäß dem Stand der Technik sind je nach Anwendungsgebiet eine Vielzahl von Typen von
Einrichtungen zur Übertragung von Informationen über Bohrgestänge im Einsatz.
In der europäischen Patentanmeldung EP 1 225 301 A1 wird ein 'Hohles Bohrgestänge zur Informationsübertragung' vorgestellt, bestehend einerseits aus einem elektrisch leitendem hohlem Gestänge, welches innen eine zylinderförmige Schichtung aus Isolation, Leitung und Isolation umfasst, wobei die Leitung je an den Enden des Gestänges auf eine Länge L = 0,8 x D bis 2,2 x D zur Ausbildung leitender Ringe freigelegt ist und den Bohrschlamm kontaktiert, und andererseits aus einem Bohrstrang aus mehreren Gestängen und einem Bohrwerkzeug am unteren Ende, wobei für die Übertragung von Informationen eine erste innere axiale Spulenanordnung 1 am unteren Ende, die geeignet ist, elektrisch wechselnde Signale als Informationsträger zu empfangen, sowie eine zweite innere axiale Spulenanordnung 2 am oberen Gestänge für den Signalempfang, wobei die Signale durch die Zirkulation eines Stroms in einer Stromschleife erzeugt wird, die durch die leitende Schicht, die leitenden Ringe, den Innen-Schlamm, die Gestängewand und den Außen-Schlamm gebildet ist, und wobei der Strom durch das Signal erzeugt wird, das auf die Spulenanordnung 1 wirkt. Da der Durchmesser D zwischen 2,5 cm und 11 cm liegt, handelt es sich um eine extrem lange und dünne Leitung, sowohl im mechanischen als auch im elektrischen Sinne.
Die europäische Patentanmeldung EP 1 213 440 A1 stellt ein 'Verfahren zur Übertragung von Informationen über ein Bohrgestänge' sowie eine
Einrichtung dafür vor, wobei jede Stange des Bohrgestänges eine koaxiale, elektrisch leitende Innenleitung für die Beförderung der unter Druck
stehenden Flüssigkeit aufweist, umgeben von einem Ringraum, gefüllt mit einem fluiden, elektrischen Isolator sowie einer nach außen abschließenden, elektrisch leitenden Wand, wobei sich eine erste Spulenanordnung zur induktiven Einkopplung in der Nähe des verschließenden, unteren Endes des Bohrgestänges befindet, angeordnet in dem Ringraum, die Innenleitung umschließend, sowie einer zweiten Spule zur induktiven Auskopplung in der Nähe des oberen Endes des Gestänges in gleicher Anordnung. Weiterhin befindet sich in Bohrkopfnähe ein batteriegespeister Messfühler, dessen Signal amplitudenaufbereitet und frequenzaufbereitet der ersten Spule zugeführt, übertragen und von der zweiten Spule empfangen und aufbereitet wird. Weiterhin sind die Spulen umschaltbar als Sende- und Empfangsspulen nutzbar. Außerdem ist eine weitere Sendespule in der Nähe der Spule 2 sowie eine weitere Empfangsspule in Nachbarschaft von Spule 1 vorgesehen. Die Anordnung stellt elektrisch eine Koaxialleitung dar, bestehend aus einem Innenleiter, zylinderförmiger Isolierschicht und einem Außenleiter. Die Güte der Übertragung ist material-, medium-, drehzahl-, längen-, amplituden- und frequenzabhängig.
Die Europäische Patentanmeldung EP 468 891 A1 offenbart eine 'Anordnung zur Kraftmessung für ein Bohrgestänge mit einer Vorrichtung zur
Funkübertragung', welche mit einem drehbaren Schaft fest verbundene Messfühler und eine erste elektronische Schaltung für die Aufbereitung der von den Messfühlern bereitgestellten Signale aufweist, wobei die Signale zu einer stationären Erfassungseinheit geleitet werden, die von einem auf dem drehbaren Schaft fest montierten Funksender entfernt ist und die Vorrichtung außerdem einen Funkempfänger für den Empfang der von der
Erfassungseinheit gesendeten Signale aufweist und dass der Funkempfänger Einrichtungen zum Parametrieren oder zum Regulieren der Messvorrichtung als Reaktion auf die von der Erfassungseinheit gesendete Signale besitzt. Die Messfühler der Kraftmesseinrichtung sind über Tage installiert, ebenso wie die Funkstrecke, so dass als technische Besonderheit die rotierende Funkquelle und die stationäre Senke verbleibt.
Die internationale Patentanmeldung WO 91 00 413 A1 betreffend eine
'Vorrichtung zur Kraftmessung für ein Bohrgestänge' hat zum Inhalt, dass die in EP 468 891 A1 beschriebene Funkstrecke bei ähnlichem Messfühleraufbau für die Kraftmessung des Bohrschafts durch einen mit dem Bohrgestänge mitdrehenden Kollektor mit feststehendem Bürstenabgriff ersetzt ist. Vor- und nachgeschaltete elektronische Schaltungen dienen der Messwertvor- und -aufbereitung. Da die Kraftmessung nicht am Ort des Geschehens stattfindet, d.h. am Bohrkopf oder in dessen unmittelbarer Nachbarschaft, ist das
Ergebnis der Messung ohnehin den tatsächlichen Verhältnissen anzupassen und nachzuarbeiten.
Die europäische Patentanmeldung EP 1 915 504 A1 stellt ein 'Bidirektionales Bohrgestänge-Fernmeßsystem zur Messung und Bohrsteuerung' vor, bestehend aus einer Bohrplattform mit Bohrturm und einer Aufhängung mit Haken und Drehgelenk für den Bohrstrang, einem Bohrtisch mit
Mitnehmerstange, einer Pumpe für die Bohrflüssigkeit, die aus einer Grube über das Drehgelenk in das Innere der hohlzylinderförmigen Bohrgestänge gefördert und über die Bohrkrone austretend zwischen Bohrstrang- Außenwand und Bohrloch als Bohrschlamm nach oben gedrückt wird, mit einer Elektronik-Ausstattung unterhalb des Drehgelenks, die drahtlos einerseits mit dem Baustellen-Steuer- und Kontrollrechner kommuniziert und andererseits mit dem Oberflächen-Teilnehmer des Bohrstrangs, der einen informationstechnischen Abschluss einer Bohrgestänge-Vernetzung bildet, wobei die Gestänge über ihre Länge verdrahtet sind (Wired Drill Pipe (WDP)) und an ihrem jeweiligen Ende je eine induktive Kopplung zu einem nächsten Gestänge aufweisen, mit von der Länge des Bohrstrangs abhängig
zwischengeschalteten Verstärkern, sowie einer Anordnung von Steuer- und Messeinrichtungen oberhalb der Bohrkrone (Bottom Hole Assembly (BHA)), wie eine Motorsteuerung, verschiedene Aufzeichnungs- (Logging While Drilling (LWD)) und Meß- (Measurement While Drilling (MWD)) Modulen, die zum verdrahteten Bohrgestänge hin mit einem Schnittstellen-Teilnehmer abschließen. Die verdrahteten, induktiv gekoppelten Gestänge, die sich vom Oberflächen- bis zum Schnittstellen-Teilnehmer erstrecken, bilden das Bohrstrang-Telemetrie-System.
In einer älteren Patentanmeldung US 7 040 415 werden zwei weitere
Telemetrie-Systeme mit ihrer Methodik vorgestellt, wobei die Bohrstrangdaten an der Bohrplattform einmal über Schleifringe abgegriffen und dem
Baustellen-Rechner übermittelt werden und in einem weiteren Beispiel mittels einer Drahtlos-Übertragung. Die Gestänge sind je mit zwei Leitungspaaren ausgestattet, wobei die zwischen den Gestängen geschalteten Adapter eine induktive Kopplung zwischen den beiden Leitungspaaren vorsehen.
Gemäß dem europäischem Patent EP 1 556 576 B1 'Bohrgestänge mit innenbeschichteter elektrischer Bahn' werden miteinander durch
Verschraubung verbindbare hohlzylinderförmige Bohrgestänge auf der inneren Umfangsfläche elektrisch isolierbeschichtet, um dann eine elektrisch leitfähige Beschichtung auf der zylinderförmigen Isolierfläche zu erfahren. Das Verfahren wird fortgesetzt mit einer weiteren Isolierschicht auf der leitfähigen Schicht und einer weiteren leitfähigen Schicht auf der zuletzt aufgetragenen Isolierschicht, so dass sich unter einem hohlzylinderförmigen Isolator bis zur Rohrinnenwand des Gestänges zwei elektrische hohlzylinderförmige Leiter befinden. Eine weitere Maßnahme wird an der Übergangsstelle zweier Gestängerohre derart getroffen, dass nach außen elektrisch isolierte und fluidgedichtete, im Innern mit elektrischen Leitern versehene Verbinder den isolierten elektrischen Pfad jedes solchen Gestänges mit dem isolierten elektrischen Pfad des entsprechenden benachbarten Gestänges elektrisch verbindet. Dies erfolgt auch über die elektrisch leitenden hohizylinderförmigen Schichten hinweg mehrschichtig, so dass mindestens ein isolierter
elektrischer Pfad durchgehend von einem oberen Ende des Bohrstrangs bis zu einem unteren Ende des Bohrstrangs entsteht. Die an den verschraubten Übergangsstellen der Gestänge auftretenden erheblichen Vibrationen und Kräfte, fordern bei den Verbindern eine unterbrechungsfreie elektrische, die kaum erreicht werden kann.
Die europäische Patentanmeldung EP 1 434 063 A2 'Verfahren und System zur Messsignalüberwachung für Bohrgestänge' offenbart ein
Telemetriesystem und eine Telemetriemethode, um Informationen längs eines Bohrgestänges zu kommunizieren. Die Information eines Sensors in der Bohrkrone wird mit Hilfe eines Transmitters und einer Transmitterspule auf ein Trägersignal moduliert und von einer ersten Position über das Bohrgestänge mittel- bis hochfrequent zu einer zweiten Position übertragen, empfangen und mittels eines Receivers und einer Receiverspule demoduliert und im
Prozessor weiterverarbeitet. Mit der Anordnung sollen technische
Bohrinformationen unmittelbar erfasst werden, die die Güte der Bohrung beeinflussen und die Lebensdauer der Bohrkopfeinrichtung durch Kenntnis der aktuellen Temperatur der Motorlagerschalen und der aktuellen
Drehzahlen der Motorantriebswelle verlängern.
Aufgabe vorliegenden Erfindung ist es, eine neuartige Einrichtung zur
Übertragung von Informationen über einen Bohrstrang bereitzustellen, der die Nachteile des Stand des Technik überwindet und sichere Übertragung der Informationen innerhalb des Bohrstrangs gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Anspruchs 1 , 9 und 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen formuliert.
Erfindungsgemäß wird ein Kommunikationssystem zur Übertragung von Informationen über Bohrgestänge eines Bohrstrangs für Erdbohrungen vorgeschlagen, umfassend ein erstes Bohrgestänge, ein oder mehrere zweite Bohrgestänge und einen Bohrantrieb, wobei das erste Bohrgestänge und das oder die zweite(n) Bohrgestänge jeweils aus einem hohlzylinderförmigen Gestängerohr mit zumindest einer sich in axialer Richtung erstreckenden Leitung und mit einem oberen Ende und einem unteren Ende gebildet ist/sind, das untere Ende des ersten Bohrgestänges eine Aufnahme für einen
Bohrkopf aufweist, jedes der zweiten Bohrgestänge mit seinem unteren Ende mit dem oberen Ende des ersten Bohrgestänges oder eines anderen zweiten Bohrgestänges drehfest verbunden und mit seinem oberen Ende mit dem unteren Ende eines weiteren zweiten Bohrgestänges oder mit dem
Bohrantrieb drehfest verbunden ist, wobei das Kommunikationssystem weiterhin umfasst:
- eine Sensorik und/ oder Aktorik, von der oder zu der Mess-, Parametrier-, Status- und/ oder Steuerdaten zu übertragen sind und die am unteren Ende des ersten Bohrgestänges und/ oder am Bohrkopf angeordnet ist/ sind,
- eine erste Kommunikationseinheit und eine antriebsseitige Elektronik, die beide am oder im Bohrantrieb angeordnet und miteinander verbunden sind,
- einen Oberflächenrechner zur Überwachung der Erdbohrung, der mit der antriebsseitigen Elektronik in Kommunikationsverbindung steht und die Daten der Sensorik und/ oder Aktorik empfängt oder bereitstellt,
- weitere Kommunikationseinheiten, von denen zumindest eine an dem
oberen Ende des ersten Bohrgestänges und zumindest jeweils eine an den beiden Enden des oder der zweiten Bohrgestänge(s) angeordnet sind,
- zumindest eine Elektronik mit einem Mikrocontroller jeweils in den
Bohrgestängen, und
- zumindest eine Energieversorgung für die Kommunikationseinheiten und die Elektronik jeweils in den Bohrgestängen,
wobei die Sensorik und/ oder Aktorik und die Kommunikationseinheit des ersten Bohrgestänges über dessen elektrische Leitung miteinander
verbunden sind und die Elektronik des ersten Bohrgestänges datentechnisch zwischen der Sensorik und/ oder Aktorik und der Kommunikationseinheit des ersten Bohrgestänges liegt, und die Kommunikationseinheiten eines jeden zweiten Bohrgestänges über dessen elektrische Leitung miteinander verbunden sind, wobei die Elektronik des jeweiligen zweiten Bohrgestänges datentechnisch zwischen den Kommunikationseinheiten liegt,
und wobei die Kommunikationseinheiten Funkmodule sind, und jede der Kommunikationseinheiten dazu eingerichtet ist, die Daten an die unmittelbar benachbarte Kommunikationseinheit des nächsten Bohrgestänges oder des Bohrantriebs zu übertragen und/ oder von dieser Daten zu empfangen.
Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine
Datenübertragung entlang eines Bohrstrangs für Erdbohrungen derart vorzusehen, dass innerhalb der einzelnen Bohrgestänge des Bohrstrangs eine kabelgebundene Übertragung der Daten erfolgt, und die Übertragung an den Verbindungsstellen der Bohrgestänge drahtlos erfolgt. Für die
kabelgebundene Übertragung wird eine Verdrahtung innerhalb der
Bohrgestänge verwendet (WDP), wohingegen den jeweiligen Enden der Bohrgestänge zueinander gerichtete Funkübertragungsmodule angeordnet sind, die lediglich den Verbindungsabstand zwischen einander überbrücken. Hierdurch wird eine zuverlässige, störungsfreie und wirkungsvolle
Datenübertragung entlang des Bohrstrangs erreicht, mittels welcher
Bohrlochdaten in Echtzeit (real-time) und während des Bohrbetriebs (on-line) erfasst und an den Oberflächenrechner übertragen werden können, ohne dass die Bodenformation oder andere Umgebungsbedingungen am Bohrloch Einfluss auf die Güte der Datenübertragung haben.
Das erfindungsgemäße Kommunikationssystem ist vielseitig einsetzbar und bietet eine on-line und real-time Messwert-Übertragungsstrecke für
Bohrstrangdaten, Bohrkopfdaten und/ oder Bohrkronendaten, wobei sich die Sensoren zur Erfassung der Messdaten möglichst dicht in unmittelbarer Nähe des Bohrkopfs und/oder der Bohrkrone, vorzugsweise sogar an dem Bohrkopf und/ oder der Bohrkrone befinden. Nachfolgend wird unter dem Begriff Bohrkrone jener Teil des bohrlochbodenseitigen Endes eines Bohrstranges verstanden, der die sich in den Erdboden grabenden Schneidelemente besitzt, während Bohrkopf die Gesamtanordnung am unteren Ende des ersten Bohrgestänges, umfassend Bohrkopf, Bohrschnecke oder Bohrmeißel und entsprechende Verbindungsmittel zum Bohrgestänge bezeichnet.
In anderen Anwendungsfällen, z.B. bei großen Längen des Bohrstrangs, können Sensoren und/ oder Aktuatoren zusätzlich zur Anordnung am
Bohrkopf auch in oder an wenigstens einem weiteren Bohrgestänge
angebracht bzw. eingebaut sein, um von verschiedenen Positionen entlang des Bohrstrangs Informationen, d.h. Sensormess- und/ oder Statusdaten zu erhalten oder Parametrier- und/ oder Steuerdaten an Sensoren oder
Aktuatoren zu übertragen, die sich an verschiedenen Orten des Bohrstrangs befinden. Als wichtige Sensoren, sind hier Druck- oder Temperatursensoren zu nennen. Aktoren können Ventile, Motoren oder Pumpen sein.
Das Kommunikationssystem ist einfach und wartungsfrei, und die Installation und Inbetriebnahme von technisch geschultem Personal vor Ort möglich. Es lässt sich vielseitig einsetzen, insbesondere auch auf Gebieten der
Bohrtechnik für den Spezialtief bau, wie das Spülbohren, das Pfahlbohren und die„ln-situ Soil-Mixing" Technologie mit den drei Anwendungen„Deep Soil Mixing (DSM)",„Shallow Soil Mixing (SSM)" und„Backhoe Stabilization" (BOSS).
Die In-Situ Soil Mixing Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass das Ziel Bodenverdichtungen und Bodenfestigungen sind, in dem das Erdreich durch Bohren oder Fräsen aufgelockert wird, während des Bohrer- oder
Fräsertiefgangs bereits eine anwendungsspezifische Suspension eingebracht, beim Hochgang zusätzlich zu der Suspension Zement beigegeben und mit dem Boden/Erdreich vermischt und gegebenenfalls anschließend noch mit Eisenpfählen verfestigt wird. Der sonst übliche Stützbau und Bodenaushub entfällt. Es werden so Tiefen bis 55 m bearbeitet, wobei der korrekten
Parallelität und Lotrechte der Bohrungen größte Bedeutung zukommt, um eine homogene Bodenverfestigung zu erhalten.
Das gleiche gilt bei der Deichabdichtung und Deichverfestigung, da bei NichtParallelität und fehlender Lotrechte bei der Einbringung nicht fundamentierte Lücken entstehen, die durch das Wasser freigespült oder ausgespült werden können, wodurch der Deich aus- oder unterhöhlt wird. Im Gegensatz zu den oben vorgestellten geophysikalischen Bohrungen oder den Spül- und
Pfahlbohrungen fallen im Rahmen der„ln-situ Soil Mixing" Technologie keine Bohrlöcher, insbesondere nicht für die Lotrechte-Messung an. Dennoch ist die Messung der Lotrechte während des laufenden Vortriebs on-line und real-time zwingend erforderlich.
Für das Bodenmischen wird ein Doppelbohrantrieb oder Doppelfräsantrieb eingesetzt mit zwei gegenläufig rotierenden Werkzeugen, die für eine höchstmögliche Durchmischung des Bodens/Erdreichs sorgen. Ein
innenliegendes Hochdruckgestänge mit durchgehendem Querschnitt vom Spülkopf bis zum Mischwerkzeug sorgt für einen anwendungsorientierten wartungsarmen Einsatz bei Arbeitsdrücken bis 10 MPa/100 bar. Ein
mechanisch verstellbarer Führungsschlitten ermöglicht die Veränderung des Achsabstands der Antriebsmotoren von 500 mm ... 1100 mm, wodurch die Herstellung von aufgelösten, tangierenden oder überschnittenen
Mischpfählen möglich wird. Drehzahl und Drehmoment werden über ein in der Motorhydraulik verbautes elektrisch schaltbares Zwei-Geschwindigkeitsventil gesteuert.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die einzelnen Bohrgestänge in axialer Richtung ein- oder mehrpaarig zu verdrahten (WDP), so dass zwischen den beiden Enden eines Gestängerohrs zumindest eine elektrische Leitung liegt, die zur Datenübertragung von einem zum anderen Ende verwendet werden kann. Die elektrische Leitung kann in einem vergleichsweise dünnen Rohr einliegen, das sich zumindest abschnittsweise am hohlen Gestängerohr in der Art eines Kabelkanals, vorzugsweise innenseitig, achsparallel zu diesem erstreckt. Durch die Verwendung einer elektrischen Leitung für die
Datenübertragung von einem Bohrgestängeende zum anderen
Bohrgestängeende ist die Qualität der Datenübertragung unabhängig von der Länge des Bohrgestänges. Die Energieversorgung ist bevorzugt aus Batterien gebildet, so dass sie autark ist und keine externe Einspeisung eines Stroms für die
Kommunikationseinheiten notwendig ist. Des weiteren ist es von Vorteil, die Energieversorgung schaltbar auszuführen, so dass in den Fällen, in denen keine Datenübertragung über ein Bohrgestänge notwendig ist, beispielsweise während seiner Lagerung an einem Vorratsplatz oder bei einer längeren Aussetzung der Bohrung, eine Abschaltung der Stromzuführung für die Elektronik und die Kommunikationseinheiten erreicht wird. Hierdurch wird Batteriekapazität eingespart und die Nutzungsdauer der Energieversorgung verlängert.
Vorzugsweise kann die Energieversorgung und/ oder die Elektronik in etwa der axialen Rohrmitte eines Gestängerohres angeordnet sein. Dies bewirkt, dass in beide Richtungen dieselbe Kabellänge vorhanden ist, so dass Dämpfungseffekte oder andere parasitäre Effekte bei der Datenübertragung und Spannungsversorgung in beide Übertragungsrichtungen symmetrisch sind.
An den Enden der Bohrgestänge ist jeweils mindestens eine von der
Energieversorgung gespeiste, funkgesteuerte Kommunikationseinheit vorgesehen, die entweder als Sender (Transmitter) oder als Empfänger (Receiver) oder als kombinierte Sende-/Empfängereinheit (Transceiver) ausgeführt sind. Derartige Sender, Empfänger und kombinierte
Sende-/Empfängereinheit sind handelsüblich und werden nachfolgend nicht weiter dargestellt. Ist nur eine unidirektionale Datenübertragung erforderlich, genügt die Verwendung von Sendern und Empfängern als Datenmodule, wobei an einem Ende eine Bohrgestänges ein Sender und an dem anderen Ende ein korrespondierender Empfänger angeordnet ist und die
Bohrgestänge derart aneinander montiert werden, dass an der
Verbindungsstelle ein Sender des einen Bohrgestänges einem Empfänger des anderen Bohrgestänges gegenüberliegt. Eine bidirektionale
Kommunikation wird erreicht, wenn an jedem Ende eines Bohrgestänges ein Sender und ein Empfänger angeordnet werden. Dies kann in getrennten Kommunikationseinheiten erfolgen oder alternativ in der genannten
kombinierten Sende-/Empfangseinheit (Transceiver).
Die Kommunikationseinheiten sind folglich erfindungsgemäß so angeordnet, dass sich in unidirektionaler Senderichtung vom Bohrlochboden zur
Oberfläche, z.B. im Falle der Messdatenübertragung, am oberen Ende des n- ten Gestänges, ein Sender und am unteren Ende des anschließenden (n+1 )- ten Gestänges, ein Empfänger befindet. Für den umgekehrten
unidirektionalen Betrieb von der Oberfläche zum Bohrlochboden kann vorgesehen sein, dass am unteren Ende des (n+1 )-ten Gestänges ein Sender und am oberen Ende des anschließenden n-ten Gestänges ein Empfänger angeordnet ist. Die Funkausstattung der Gestänge bei bidirektionalem
Funkverkehr kann dann vereinfachend mit kombinierten
Sender-/Empfängereinheiten (Transceivern) erfolgen. Dies hat den Vorteil, dass keine Typunterscheidung der Bohrgestänge und keine
Richtungsorientierung derselben notwendig ist.
Die Elektronik innerhalb eines Bohrgestänges steuert die Datenübertragung von einer Kommunikationseinheit zu der anderen Kommunikationseinheit respektive zu oder von der Sensorik/ Aktorik. Sie kann als Verstärker und Signalkonditionierer für die zu übertragenden Daten dienen. Die Elektronik enthält hierzu einen Mikrocontroller.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante weist jedes Gestänge einen
Neigungssensor auf zur Erfassung des Lagezustands des jeweiligen
Bohrgestänges auf. So kann mittels des Neigungssensors festgestellt werden, ob sich das entsprechende Bohrgestänge in einer horizontalen Lage, beispielsweise am Lagerplatz lagernd, oder in einer vertikalen Lage, z.B. im Falle seiner Verwendung, befindet. Als Neigungssensor kann beispielsweise ein einfacher Quecksilberschalter, alternativ ein Gyrosensor oder ein oder mehrere Beschleunigungssensoren verwendet werden. Der Neigungssensor kann ebenfalls in etwa der axialen Mitte eines Bohrgestänges angeordnet werden. Der Neigungssensor kann als Schalter für die Energiezufuhr eingesetzt werden. Vorzugsweise ist er hierzu mit der Energieversorgung verbunden und dazu eingerichtet, die Energieversorgung für die Elektronik und für das oder die Kommunikationseinheiten bei einem Übergang des Bohrgestänges von einem horizontalen Lagezustand zu einem vertikalen Lagezustand
einzuschalten und bei einem Übergang des Bohrgestänges von einem vertikalen Lagezustand zu einem horizontalen Lagezustand auszuschalten. Dies bedeutet, dass bei etwa horizontaler Lage der Gestänge, wie z.B. auf einem Lagerplatz oder beim Transport, die Energieversorgung ausgeschaltet ist bzw. wird, und bei etwa senkrechter Betriebsweise oder bei Verlassen der horizontalen Lage den Ruhestatus der Energieversorgung für den
Mikrokontroller und die Funkmodule einschaltet.
Für Horizontalbohrungen oder Schrägbohrungen können geeignete
Kompensationsmaßnahmen, wie z.B. Magnetschalter in jedem Bohrgestänge vorgesehen werden, um die Energieversorgung trotz im wesentlichen horizontalem Lagezustand des entsprechenden Bohrgestänges einzuschalten und die Elektronik zu aktivieren, oder um die Logik der Neigungsschalter zu ändern.
Vorzugsweise kann die Energieversorgung wiederaufladbar sein. Hierzu können die Batterien durch aufladbare Akkus gebildet sein. Im Falle einer fest installierten Energieversorgung kann das Laden grundsätzlich im im
Bohrgestänge montierten Zustand erfolgen, wobei das Bohrgestänge mitsamt seiner montierten Energieversorgung über Ladekabel an eine Ladestation angeschlossen wird. Unter Berücksichtigung der Abmessungen und des Gewichts eines Bohrgestänges und des Einsatzes an einer Baustelle ist es jedoch von Vorteil, die Energieversorgung entnehmbar am oder im
Gestängerohr vorzusehen, insbesondere steckbar auszuführen. Auf diese Weise kann sie von dem Gestängerohr einfach und schnell entnommen werden, um sie auf- oder nachzuladen. Auch ein Entladen zwecks
Regeneration ist möglich. Nach dem Ladeprozess kann die
Energieversorgung dann wieder an die entsprechende Aufnahme am
Gestängerohr angesteckt werden. Hierzu weist die Aufnahme elektrische Steckkontakte auf, über die die Energieversorgung mit der Elektronik und/ oder mit den Kommunikationseinheiten verbindbar ist bzw. verbunden wird.
Der Ladevorgang kann an einem örtlich stationären Ladeplatz oder mit einem mobilen Ladegerät erfolgen, welches auf Basis eines im Stand der Technik bekannten Verfahrens der drahtlosen Energieübertragung arbeitet, wie z.B. 'Drahtlose Energieübertragung mittels eng gekoppelter magnetischer
Resonanzen' oder 'Rückkanalige Nachrichtenübermittlung mittels
Empfangsantennen-Impedanzmodulation'.
Gemäß einer anderen Ausführungsvariante kann zusätzlich oder alternativ zur Ladung der Energieversorgung an einer Ladestation das Gestängerohr Mittel zur automatischen Wiederaufladung der Energieversorgung während des Betriebs des Bohrgestänges aufweisen. Eine Entnahme der
Energieversorgung zwecks Aufladung kann dadurch weitegehend vermieden werden. Ein derartiges Mittel kann beispielsweise eine Turbine sein, die einen elektrischen Generator antreibt und von dem in das Innere des
Bohrgestänges druckbeaufschlagt eingebrachte Medium, z.B. Spülwasser, eine Suspension oder Zement, oder von dem Spülschlamm angetrieben wird, der außen zwischen Bohrgestänge und Bohrlochwand an die Erdoberfläche strömt. Ein alternatives Mittel ist ein Seebeck-Element, das eine Spannung aus einem Temperaturunterschied zwischen dem in das Bohrgestänge eingeführte Medium und dem Spülschlamm erzeugt, die zur Aufladung der Energieversorgung verwendet werden kann.
Bevorzugt weist die Energieversorgung zumindest ein optisches und/ oder akustisches Mittel zur Anzeige des Ladezustands, der Restkapazität und/ oder noch zur Verfügung stehenden Versorgungsdauer auf. Eine derartige Ladezustandsanzeige dient der Ladekontrolle. Dabei kann sowohl der Ist- Ladezustand zur Anzeige gebracht werden, wie auch eine Vorhersage über den Kapazitätszustand der wiederaufladbaren speichernden
Energieversorgung. Das Gestängerohr eines jeden Bohrgestänges kann mindestens eine
Ausnehmung zur geschützten Aufnahme der Energieversorgung, der
Elektronik und/ oder einer der Kommunikationseinheiten aufweisen. In dieser Ausnehmung ist die aufgenommene Energieversorgung, Elektronik und/ oder Kommunikationseinheiten von den das Bohrgestänge umgebenden Medien isoliert. Die Ausnehmung kann außenseitig an dem Gestängerohr vorgesehen sein, wobei sie in diesem Fall durch eine stählerne Tasche gebildet ist.
Alternativ kann sich die Ausnehmung in das Innere des Gestängerohrs erstrecken, so dass an seiner Mantelfläche keine hervorstehenden Teile vorhanden sind. Die genaue Anordnung der Ausnehmung über die
Gestängelänge kann den Zugänglichkeiten angepasst sein.
In der Ausnehmung liegen dann Steckkontakte zur elektrischen
Steckkontaktierung der Energieversorgung, der Elektronik und/ oder einer der Kommunikationseinheiten. Auch können über die Steckkontakte Sensoren und/ oder Aktoren mit der Energieversorgung und/ oder der Elektronik verbunden sein bzw. werden.
Sofern eine Kommunikationseinheit in einer Ausnehmung des Gestängerohrs eingesetzt ist, wird sie durch das Gestängerohr, respektive durch die die Ausnehmung begrenzende Wandung geschützt. Alternativ kann eine
Kommunikationseinheit eines Bohrgestänges jedoch auch ein robustes, insbesondere metallisches Gehäuse aufweisen, mit dem sie außen am
Gestängerohr montiert ist. Die Kommunikationseinheit ist dadurch leichter Zugänglich.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist das Gehäuse einer
Kommunikationseinheit eine durch ein nichtmetallisches Material,
beispielsweise Kunststoff oder Keramik, verschlossene Öffnung auf, die in Richtung des äußeren Randes des Endes gerichtet ist, an dem die
entsprechende Kommunikationseinheit angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass die Kommunikationseinheit zum einen vor den Materialien im Bohrloch geschützt ist, zum anderen ein weitestgehend ungehinderter Empfang und/ oder weitestgehend ungehinderte Abstrahlung von Funksignalen durch die Öffnung hindurch möglich ist. Dabei liegt unmittelbar an oder sogar in der Öffnung eine Antenne des Funkmoduls zur Abstrahlung und/ oder zum Empfang von Funksignalen. Ein vollständig metallisches Gehäuse würde dagegen den Empfang und die Aussendung von Funksignalen verhindern.
Sofern eine Kommunikationseinheit in einer Ausnehmung des Gestängerohr eines Bohrgestänges einliegt, kann auch diese eine durch ein
nichtmetallisches Material, beispielsweise Kunststoff oder Keramik, verschlossene Öffnung aufweisen, die in Richtung des äußeren Randes des Endes gerichtet ist, an dem die entsprechende Kommunikationseinheit angeordnet ist.
Vorzugsweise bilden die Energieversorgung und die Elektronik baulich eine Einheit. Die Elektronik kann dadurch kompakt ausgeführt werden und muss nicht separat mit der Energieversorgung verkabelt werden. Die Handhabung der Bohrgestänge erleichtert sich dadurch und der Aufwand für die
Vorbereitung der Bohrgestänge reduziert sich.
Des Weiteren kann ein Bohrgestänge für jede Kommunikationseinheit eine Elektronik aufweisen, wobei Kommunikationseinheit und Elektronik jeweils baulich eine Einheit bilden können. In gleicher Weise kann ein Bohrgestänge für jede Kommunikationseinheit eine Energieversorgung aufweisen, wobei Kommunikationseinheit und Energieversorgung baulich eine Einheit bilden.
Auch dies vereinfacht die Handhabung, reduziert die Komponentenanzahl und erleichtert dadurch die Bestückung der Bohrgestänge. In einer besonders bevorzugten Ausführung können eine Kommunikationseinheit, eine Elektronik und eine Energieversorgung gemeinsam eine bauliche Einheit bilden, so dass abgesehen von dem den Bohrkopf aufnehmenden Bohrgestänge bei jedem Bohrgestänge nur zwei Komponenten anzuordnen und über die elektrische Leitung zu verbinden sind.
Das erste Bohrgestänge bildet ein erstes Ende des Bohrstrangs und weist in der Nähe des Bohrkopfs die Sensorik für die zu messenden und zur
Oberfläche zu übertragender Messwerte und Parameter auf. Es ist aus einem hohlzylinderförmigen Gestängerohr gebildet, das ein oberes Ende und ein unteres Ende aufweist, mit zumindest einer zwischen dem oberen und dem unteren Ende liegenden elektrischen Leitung, die zu den beiden Enden geführt ist, wobei das untere Ende eine Aufnahme für einen Bohrkopf aufweist und das oberen Ende mit dem unteren Ende eines anderen Bohrgestänges oder mit einem Bohrantrieb drehfest verbindbar ist, wobei eine Sensorik und/ oder Aktorik, von der oder zu der Daten übertragbar sind, am unteren Ende angeordnet ist/ sind, eine Kommunikationseinheit am oberen Ende
angeordnet ist, zumindest eine Elektronik mit einem MikroController, und zumindest eine Energieversorgung für die Kommunikationseinheiten und die Elektronik vorhanden sind, wobei die Kommunikationseinheit und die
Sensorik und/ oder Aktorik über die elektrische Leitung miteinander verbunden sind und die Elektronik datentechnisch zwischen der Sensorik und/ oder Aktorik und der Kommunikationseinheit liegt, und die
Kommunikationseinheit ein Funkmodul ist, wobei die Kommunikationseinheit dazu eingerichtet ist, Daten an eine unmittelbar benachbarte
Kommunikationseinrichtung des nächsten Bohrstrangs oder des Bohrantriebs zu übertragen und/ oder von dieser Daten zu empfangen. Die Sensorik ist folglich über die ein- oder mehrpaarige elektrische Leitung mit der Elektronik des ersten Bohrgestänges verbunden und übertragt die Messwerte als elektrische Signale analog oder digital über diese Leitung.
An dem dem unteren Ende gegenüberliegenden oberen Ende des ersten Bohrgestänges befindet sich eine als Funkmodul ausgeführte
Kommunikationseinheit, die einen Sender (Transmitter) oder eine kombinierte Sender-/Empfängereinheit (Transceiver) bildet. Auch das erste Bohrgestänge kann in seiner axialen Mitte eine wiederaufladbare speichernde
Energieversorgung und einen Neigungssensor als Energieschalter für die Elektronik und das Funkmodul besitzen. Das erste Bohrgestänge
unterscheidet sich gegenüber dem oder den zweiten Bohrgestängen in der Sensorik und/oder Aktorik, die in Bohrkopfnähe anstelle einer
Kommunikationseinheit angeordnet ist. Das zweite bzw. jedes zweite Bohrgestänge bildet ein
Zwischenbohrgestänge, das zwischen das erste, den Bohrkopf umfassenden Bohrgestänge und dem Bohrantrieb montiert wird. Hierzu wird es an dem dem ersten Ende des Bohrstrangs gegenüberliegenden Ende oberflächenseitig positioniert und an dem ersten Bohrgestänge und dem Antrieb montiert. Es bildet ein Bohrgestänge für einen Bohrstrang für Erdbohrungen zum Aufbau des erfindungsgemäßen Kommunikationssystems, mit einem
hohlzylinderförmigen Gestängerohr, das ein oberes Ende und ein unteres Ende aufweist, und mit zumindest einer zwischen dem oberen und dem unteren Ende liegenden elektrischen Leitung, die zu den beiden Enden geführt ist, wobei das untere Ende mit dem oberen Ende eines anderen Bohrgestänges drehfest verbindbar und das oberen Ende mit dem unteren Ende eines anderen Bohrgestänges oder mit einem Bohrantrieb drehfest verbindbar ist, wobei an beiden Enden zumindest eine
Kommunikationseinheit angeordnet, zumindest eine Elektronik mit einem MikroController, und zumindest eine Energieversorgung für die
Kommunikationseinheiten und die Elektronik vorhanden sind, wobei die Kommunikationseinheiten über die elektrische Leitung miteinander verbunden sind und die Elektronik datentechnisch zwischen den
Kommunikationseinheiten liegt, und die Kommunikationseinheiten
Funkmodule sind, wobei jede der Kommunikationseinheiten dazu eingerichtet ist, Daten an eine unmittelbar benachbarte Kommunikationseinrichtung des nächsten Bohrstrangs oder des Bohrantriebs zu übertragen und/ oder von dieser Daten zu empfangen.
Gemäß einer Ausführungsvariante weist das bzw. ein zweites Bohrgestänge an seinem relativ bezogen auf seine vertikale Anordnung unteren Ende einen Empfänger (Receiver) oder eine kombinierte Sender-/Empfängereinheit (Transceiver) auf, eine ebenfalls ein- oder mehrpaarige elektrische Leitung über das Gestänge, und beispielhaft in der axialen Mitte eine
wiederauf lad bare speichernde Energieversorgung und einen Neigungssensor als Schalter für die Elektronik und die Funkmodule auf. An dem bezogen auf seine vertikale Anordnung oberen Ende, weist das zweite Bohrgestänge mindestens ein Funksender (Transmitter) oder eine kombinierte Sender-/ Empfängereinheit (Transceiver) für die bidirektionale Datenübertragung auf, wobei der Transmitter bzw. Transceiver über eine Funkstrecke mit der Kommunikationseinheit des Bohrantriebs, der mit dieser verbundenen
Elektronik sowie dem mit der Elektronik verbundenen Oberflächenrechner der Bohrstelle in Datenverbindung steht und erstrangig die Sensordaten aus der Bohrkopfumgebung unidirektional überträgt.
Sollen auch Aktoren längs des Bohrstrangs innerhalb des Bohrlochs aktiviert werden, ist das erfindungsgemäße Kommunikationssystem bidirektional auszulegen, so dass Steuerdaten an die Aktoren übertragen werden können. Dadurch lassen sich auch Sensoren dynamisch parametrieren, wobei
Parameterdaten an die Sensoren übertragen werden können.
Der Bohrstrang bzw. das aus verdrahteten Bohrgestängen und Funkstrecken an den Gestängeverbindungen bestehende Kommunikationssystem umfasst gemäß der vorherigen Erläuterung nur zwei verschiedene
Bohrgestängegrundtypen, nämlich das erste Bohrgestänge, das ein
Bohrkopfgestänge bildet, und das zweite bzw. die zweiten Bohrgestänge, die Zwischenbohrgestänge bilden. Das erste Bohrgestänge ist durch seine Aufnahme des Bohrkopfes, eine Sensorik und/ oder Aktorik in der Nähe des Bohrkopfes und einem Funkmodul an nur einem Ende gekennzeichnet, wohingegen das zweite bzw. jedes zweite Bohrgestänge an beiden Enden jeweils mindestens ein Funkmodul besitzt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Kommunikationssystems werden Sensoren und/ oder Aktuatoren auch in anderen Gestängen des Bohrstrangs eingesetzt. Diese Gestänge liefern zusätzliche Informationen dieser Sensoren oder nehmen Informationen für ihre Aktuatoren zusätzlich auf. Mit den Zusatzinformationen können mehr bzw. robustere Informationen des Gesamtbohrstrangs ermittel bzw. bestimmt werden.
Wie zuvor beschrieben, besteht ein Grundgedanke des erfindungsgemäßen Kommunikationssystems darin, dass die Funkverbindung zwischen den Bohrgestängen ausnahmslos nur über die vergleichsweise kurze Strecke, d.h. über die Länge einer Gestängeverbindung von einem n-ten Gestänge zu einem (n+1 )-ten Gestänge erfolgt. Die Funkverbindung besteht folglich nicht über die gesamte Länge eines oder gar mehrere Bohrgestänge. Dies bedeutet, dass die Bohrlochumgebung, insbesondere die Beschaffenheit der Bodenformation oder der Einsatz von Bohrschlamm oder Suspension oder Zement für die Bodenverfestigung, die bei den oben vorgestellten
Bohrverfahren die Güte der Nachrichtenübertragung entscheidend
beeinflussen kann/ können, bei dem erfindungsgemäßen
Kommunikationssystem mit drahtloser Datenübertragung ohne bedeutenden Einfluss ist.
Die Funkmodule können auf konstante Feldgrößen und Feldparameter eingestellt werden. Hinsichtlich dieser Einstellung es keine
Unterschiedsmerkmale bezogen auf die Gestängetypen.
Auf Grund der mechanischen Gegebenheiten an den Bohrgestängeenden, insbesondere hinsichtlich der dort vorhanden Verbindungsmittel wie
Schraubverschlüsse, sind die Kommunikationseinheiten bevorzugt jeweils in einem Abstand von 15 cm bis 20 cm vom äußeren Rand eines
Gestängeendes zu montieren, woraus sich ergibt, dass eine
Funkstrecke von lediglich 30 cm bis 40 cm vorliegt. Die
Kommunikationseinheiten können daher für eine Nahfeldkommunikation derart eingerichtet sein, dass ihre Senderreichweiten weniger als 1 m, insbesondere nur zwischen 30 und 50cm betragen. Diese vorteilhafte Ausführung führt zu berechenbaren Übertragungsleistungen zwischen den Funkmodulen, was auch eine Berechenbarkeit der Energiebilanz der wiederaufladbaren speichernden Energieversorgungen zulässt.
Der Einsatz eines aus solchen Bohrgestängen gebildeten Bohrstrangs kann unabhängig von den Umweltbedingungen geplant werden. Bei der
Arbeitsweise mit solchen Gestängen sind über die Anwendung der
Nachrichtenübertragungs-/Funktechnik vom Bohrstellenpersonal keine speziellen Kenntnisse erforderlich und keine besonderen Restriktionen zu beachten. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, jedem Bohrgestänge eine eindeutige Kennung zuzuordnen, über die es identifizierbar ist. Dies ermöglicht zum einen eine Vereinfachung der Logistik bei der Verwaltung der Bohrgestänge. Zum anderen bietet die Kennung die Möglichkeit, jeden datentechnisch vernetzten oder zu
vernetzenden Bohrstrang in einem Netzwerk eindeutig zu identifizieren und zu adressieren. Erfindungsgemäß kann daher jedes Bohrgestänge einen Knoten in einem ad-hoc Netzwerk bildet, das am Bohrloch aus den einzelnen
Bohrgestängen aufgebaut wird. Datentechnisch bilden in diesem Fall die Elektronik mitsamt der an ihr angeschlossenen Kommunikationseinheit oder - einheiten einen Netzwerkknoten.
Ein ad-hoc Netzwerk ist eine einfache Wireless Local Area Network (WLAN)- Vernetzungsvariante, welche eine direkte Peer-to-Peer Kommunikation ohne Access Point (Basisstation) als Informationsvermittler ermöglicht, und sich gut für kleine und/ oder zeitlich begrenzte Netzwerke eignet. Die
Kommunikationseinheiten des Kommunikationssystems können daher dazu eingerichtet sein, die Daten über WLAN zu übertragen. Im ad-hoc
Betriebszustand kommunizieren die Funknetzwerkknoten ohne zentralen WLAN-Zugangspunkt direkt miteinander, um auf einfache Weise Daten oder Ordner auszutauschen. Ad-hoc Netzwerke arbeiten auf der Grundlage des Beaconing-Mechanismus (Funkfeuer-Mechanismus), bei dem jeder
Netzwerkknoten (Node) in regelmäßigen Abständen ein Beacon (Funksignal) sendet. Damit kennt jeder Knoten seine Nachbarn, die er direkt erreichen kann. Alle Knoten nutzen beim Senden dieselbe Frequenz. Die gesamte Netzstruktur entsteht dynamisch durch Selbstorganisation und
Selbstverwaltung, das Netzwerkmanagement ist auf die Knoten verteilt. Es gibt keine Zentralverwaltung, die die Netzstruktur und das Routing, d.h. die Leitwegzuteilung festlegt. In jedem Netzwerkknoten sind die Tabellen für die Leitwegzuteilung gespeichert. Jeder Knoten besitzt einen Routeranteil
(Leitweg-Anteil). Aufgrund der Mobilität der Knoten ist die Netzstruktur zeitvariant. Der Eintritt in ein ad-hoc Netzwerk erfolgt durch Interaktion mit anderen Teilnehmern. Die Funkknoten arbeiten im ad-hoc Zustand und sind nach dem internationalen Standard IEEE 802.11 ad-hoc konfiguriert. Damit alle Knoten miteinander kommunizieren können, muss die Kanalnummer und der einzustellende Service Set Identifier (SSID) (Identifikation) jedes Knotens identisch sein. Daten, Informationen oder Signale werden von Netzknoten zu Netzknoten weitergereicht, bis sie ihren Empfänger erreicht haben, wodurch sich die Datenlast vorteilhafter verteilt, als in Netzen mit zentraler Anlaufstelle. Mit Verfahren für die Leitwegzuteilung passt sich das Ad-hoc-Netzwerk ständig an, wenn sich Netzwerkknoten bewegen, hinzukommen oder ausfallen. Bei Ausfall eines Netzknotens versucht das Netzwerk den Zielknoten unter Umgehung des ausgefallenen Knotens zu erreichen.
Die Kennung kann beispielsweise in der Elektronik und/ oder in einer oder mehreren der Kommunikationseinheiten gespeichert und von der
antriebsseitigen Kommunikationseinheit abgefragt werden, sobald ein
Bohrgestänge an den Bohrantrieb montiert wird und die
Kommunikationseinheit des Bohrantriebs mit der am oberen Ende des
Bohrgestänges angeordneten Kommunikationseinheit in Funkverbindung tritt. Dies setzt voraus, dass zumindest die Funkverbindung, vorzugsweise auch die Elektronik des Bohrgestänges bereits von der Energieversorgung zumindest mit einem Ruhestrom gespeist wird, d.h. die Energieversorgung angeschaltet ist. Dies kann über den zuvor genannten Neigungssensor automatisch erfolgen.
Die Auslösung der Kennungsabfrage kann automatisch erfolgen,
beispielsweise über einen mechanischen Schalter am Bohrantrieb, der bei der Montage des Bohrgestänges betätigt wird. Alternativ kann der Bohrantrieb einen Näherungssensor aufweisen, der auslöst und die Kennungsabfrage initiiert, sobald ein Bohrgestänge in seinen Erfassungsbereich gelangt. In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt jedes Bohrgestänge einen RFID- Transponder, insbesondere einen passiven RFI D-Transponder, in dem die zuvor genannte oder eine andere eindeutige Kennung gespeichert ist. Der Bohrantrieb kann dann einen Näherungssensor mit einer RFID-Leseeinheit aufweisen, der mit der antriebsseitigen Elektronik verbunden und dazu eingerichtet ist, bei Annäherung eines Bohrgestänges dessen RFID- Transponder zur Aussendung der Kennung zu aktivieren.
Die von der RFID-Leseeinheit oder von dem antriebsseitigen Funkmodul erhaltene Kennung kann dann der Elektronik des Bohrkopfes und von dieser dem Oberflächenrechner zugeleitet werden, der die Kennung (ID) des 'neuen' Gestänges in das ad-hoc Netzwerk einpflegt.
Wird einem bestehendem Bohrstrang ein weiteres Bohrgestänge der oben beschrieben Art von einem Lagerplatz hinzugefügt, wird durch die
Lageänderung des Bohrgestänges von horizontaler in vertikaler Lage der Neigungssensor die Energieversorgung einschalten und die Elektronik und die Kommunikationseinheiten, die sich zuvor in einem Ruhezustand (Sleep- Modus) befunden haben, aktivieren.
Alternativ kann der der RFI D-Transponder ein aktiver RFI D-Transponder sein, der mit der Energieversorgung verbunden und dazu eingerichtet ist, die Energieversorgung einzuschalten und/ oder die Elektronik und
Kommunikationseinheiten zu aktivieren, wenn er ein Aktivierungssignal empfängt von der RFID-Leseeinheit erhält. Das entsprechende Rohrgestänge geht dann von dem Ruhezustand in einen aktivierten Zustand über.
Bezogen auf das jeweilige Bohrgestänge wird erfindungsgemäß
vorgeschlagen, drei Betriebszustände zu unterscheiden:
- einen ersten Betriebszustand (Modus REST), in dem die Bohrgestänge als Stapelware auf einem Lagerplatz in horizontaler Lage lagern,
- einen zweiten Betriebszustand (Modus READY), in den die Gestänge übergehen, wenn sie von dem Stapel entnommen, transportiert und vertikal aufgerichtet werden, und
- einen dritten Betriebszustand (Modus SET), in den die Bohrgestänge übergehen, wenn sie zwischen dem bestehendem Bohrstrang und der
Mitnehmerstange des Bohrantriebs montiert werden. Im Modus REST werden gewartete und vorbereitete, mit jeweils zumindest einer Energieversorgung bestückte Bohrgestänge als Stapelware auf einem Lagerplatz in Baustellennähe horizontal auf Abruf gelagert. Die verdrahteten Gestänge (WDP) sind mit Funkmodulen bestückt, die Elektronik ist ebenfalls im Gestänge untergebracht, befindet sich jedoch im ausgeschalteten Zustand, d.h. im sogenannten 'NuH'-Strom-Status (Zero Current Mode).
Zum Übergang in den Modus READY wird ein vorbereitetes Gestänge dem Stapel entnommen, zum nahen Bohrplatz transportiert und aufgerichtet. Der Neigungsschalter, der auch im REST Modus mit Ruhestrom versorgt wird, schaltet die Energieversorgung für die Elektronik ein, wenn das Gestänge von der horizontalen in die vertikale Lage versetzt wird. Sowohl die horizontale wie auch die vertikale Lage können mit einem Toleranzfeld in der Elektronik so definiert sein, dass auch das Schrägbohren im Rahmen der
Schalthandlung des Neigungssensors möglich ist. Das Schalten bewirkt ein Freischalten der Elektronik im Sinne des Aktivierens einer Logik und des Fließens eines minimalen Ruhestroms in die Elektronik. Die
Gestängeelektronik befindet sich elektrisch in einem Ruhestatus, der auch als Sleep-Modus bezeichnet werden kann, in dem sie sich in einer Wartestellung befindet.
Im Modus SET wird das vorbereitete, sich im Ruhestatus befindliche 'neue' Gestänge auf das inzwischen von dem Bohrantrieb befreite oberste Gestänge des Bohrstrangs transportiert und mit seinem unteren Ende aufgesetzt und mit diesem mechanisch fest verschraubt. Danach wird die Mitnehmerstange des Bohrantriebs der Bohreinrichtung auf das obere Ende des 'neuen'
Gestänges gesetzt und ebenfalls mit diesem mechanisch fest verschraubt. Dabei wird der im Kopf der Mitnehmerstange angeordnete Näherungssensor aktiviert, der seinen RFI D-Leser veranlasst, die Kennung (ID) des ihm gegenüberliegenden RFID-Transponders am oberen Ende des 'neuen'
Gestänges abzufragen. Mittels dieser Prozedur und nach Kenntnis der das neue Gestänge kennzeichnenden Kennung und Stammdaten, werden diese von der antriebsseitigen Elektronik an den Oberflächenrechner übermittelt. Dies kann über eine Funkverbindung erfolgen. Der Oberflächenrechner nimmt seinerseits eine Synchronisation aller Daten derart vor, dass das neue
Gestänge einen neuen Knoten innerhalb des Bohrstrang-Ad-hoc-Netzwerks bildet. Mit dieser dargestellten Prozedur werden Bohrgestänge
vollautomatisch und selbstorganisiert und dem aufzubauenden ad-hoc
Netzwerk angemeldet und dort integriert, so dass jedes Bohrgestänge innerhalb des Netzwerks einen individuell ansprechbaren Netzknoten bildet.
Der Gegenstand der Erfindung wird nachfolgend anhand konkreter
Ausführungsbeispiele und der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 : Stapel vorbereiteter Bohrstrang-Gestänge, Modus REST
Fig. 2: Gestänge dem Stapel entnehmen, aufrichten, transportieren,
Modus READY
Fig. 3: Gestänge zwischen Bohrstrang und Mitnehmerstange montieren,
Modus SET
Fig. 4: Wirkprinzip der Bohrstrang/Gestänge-Gesamtanordnung
Fig. 5: Bohrgestänge als Knoten im Bohrstrang-Ad-hoc-Netzwerk.
Gleiche und gleichwirkende Bestandteile der Ausführungsbeispiele sind in den Figuren jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt einen Stapel 1 vorbereiteter Bohrgestänge 10 im Modus REST für einen Bohrstrang. Die einzelnen Bohrgestänge 10 bestehen aus einem
Gestängerohr 11 mit der Wandstärke 2, haben ein oberes Ende 13 und ein unteres Ende 14, und sind in axialer Richtung ein- oder mehrpaarig verdrahtet (WDP), so dass zwei elektrische Leitungen 21 , 22 gebildet sind.
Bohrgestänge 10 haben in der axialen Rohrmitte eine Elektronik 15 mit einem Mikrokontroller und einer schaltbaren elektrischen Energieversorgung, die mindestens ein Paar der beiden paarigen Leitungen 21 , 22 stromversorgt, wobei die Elektronik 15 und die Energieversorgung baulich eine Einheit bilden. An seinen Enden 13, 14 ist ein Bohrgestänge jeweils mit einem funkgesteuerten, handelsüblichen Sender (Transmitter) und/oder Empfänger (Receiver) oder Sender-/Empfängereinheit (Transceiver) 17,19 ausgestattet, die jeweils über eine Antenne 8, 20 verfügen, und die ebenfalls über die vorgenannte Energieversorgung gespeist werden.
Die Energieversorgung ist wiederaufladbare und fest installiert oder portabel gestaltet. Die Entnahme der steckbaren Energieversorgung dient dem Auf- und/oder Nachladen derselben und wird nach dem Ladeprozess wieder der Versorgungsaufnahme des Gestänges zugefügt. Die Unterbringung der Energieversorgung erfolgt geschützt in stählernen Taschen des Gestänges, wobei elektrische Verbindungen zu Sensoren, Aktoren, Sendern und/oder Empfängern in den Taschen vorliegen. Etwa in Rohrmitte befindet sich ein Neigungssensor 6, der die Energieversorgung lageabhängig schaltet. Der Neigungssensor 16 wird selbst in horizontaler Lage ruhestromversorgt.
Die für den Bohr- oder Fräsprozeß vorbereiteten Bohrgestänge 10 liegen auf dem Stapel 1 abrufbereit im Modus REST. Aus Sicht der
Informationsverarbeitung bildet ein jedes Bohrgestänge 10 mit
mikrokontrollergesteuerten Elektronik 15 und Funkmodulen 17, 19 einen Knoten eines Netzwerks.
Fig. 2 zeigt rechts die Bohrgestängelagerstelle 1 , an der die Bohrgestänge 10 horizontal gestapelt werden. Auf Abruf wird ein Gestänge 3 dem Stapel 1 entnommen und aufgerichtet. Der Neigungssensor 16 schaltet die
Energieversorgung ein und versorgt so die Elektronik 15 und die Funkmodule 17,19 mit Ruhestrom. Der Gestängezustand geht dadurch in den Modus READY über. Das Gestänge 4 wird zur Bohrstelle transportiert. Der
Neigungssensor 16 dient folglich als Schalter für die Energiezufuhr der Elektronik 15 und der Funkmodule 7, 9, wobei bei etwa horizontaler Lage der Gestänge 10 die Energieversorgung ausgeschaltet ist und bei etwa senkrechter Betriebsweise oder schon bei Verlassen der horizontalen Lage den Ruhestatus der Energieversorgung für die Elektronik 15 und die
Funkmodule 17, 9 eingeschaltet ist.
Gemäß Fig. 3 folgt ein weiterer Arbeitsschritt, in dem das dem Stapel 1 entnommene (n+1 )-te Gestänge 6 zwischen dem obersten n-ten Gestänge 5 des Bohrstrangs und die Klemm-Spannbacke 70 eines Bohrantriebs 7 montiert wird. Im Modus SET wird das vorbereitete, sich im Ruhestatus befindliche 'neue' (n+1 )-te Gestänge 6 auf das inzwischen von Klemm- Spannbacke 70 und der Mitnehmerstange 74 befreite oberste, n-te Gestänge 5 des Bohrstrangs transportiert und mit seinem ersten unteren Ende 14 aufgesetzt und mit dessen oberem Ende 13 mechanisch fest verschraubt. Im Folgenden wird die Mitnehmerstange 74 des Antriebs 7 der Bohreirichtung auf das zweite obere Ende 13 des 'neuen' Gestänges 6 gesetzt und über die Klemm-Spannbacke 70 ebenfalls mit diesem mechanisch fest verschraubt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird beim Aufsetzen der
Mitnehmerstange 74 des Antriebs 7 auf das zweite obere Ende 13 des 'neuen' Gestänges 6 im Kopf der Mitnehmerstange 74 ein Näherungssensor 71 aktiviert, der einen Hochfrequenz-Kennzeichnungs-(RFID)-Leser über eine Sender-/Empfängereinheit (Transceiver) 72 veranlasst, die Kennung (ID) des ihm gegenüberliegenden Sender/-Empfängereinheit (Transceivers) 17 des zweiten oberen Endes 13 des Gestänges 6 abzufragen. Mittels dieser
Prozedur wird die Kennung von der im Bohrantrieb 7 angeordneten Elektronik 73, die ebenfalls einen Mikrokontroller aufweist, an den in direkter
Funkverbindung mit dem Antrieb 7 stehenden Oberflächenrechner 100 gesendet, der wiederum eine Synchronisation aller Daten derart vornimmt, dass das neue Gestänge 6 einen neuen Knoten innerhalb des Bohrstrang-Ad- hoc-Netzwerks bildet.
Fig. 4 zeigt das Wirkprinzip der Bohrstrang-Gestänge-Gesamtanordnung. Auf der rechten Seite ist die Lagerstelle 1 für konfektionierte Bohrgestänge 10 im Modus REST gezeigt, während die linke Seite Gestänge 5, 6, 8, 9 eines Bohrstrangs vom Bohrlochboden bis zur Oberfläche 75, mit Antrieb 7 und Oberflächenrechner 00 zeigt. Die Gestänge 5, 6, 9,10 sind hier als 'Standard -Gestänge dargestellt, das Gestänge 8 ist das erste Gestänge des Bohrstrangs und befindet sich am Bohrlochboden. Das Bohrgestänge 8, 80 verfügt über eine Aufnahme für einen Bohrkopf und in dessen Nähe eine Sensorik 81 mit diverse Messeinrichtungen, insbesondere Sensoren, wie Inklinometer, Deflektometer, Pendellotmeter oder Neigungssensor für die lotgerechte Bohrung, und gegebenenfalls einen Aktor oder mehrere Aktoren 81.
Die Gestänge-Kopfenden 13 ,14 werden je mit einem funkgesteuerten handelsüblichen Sender (Transmitter) und/oder Empfänger (Receiver) oder Sender-/Empfängereinheiten (Transceiver) 17 ,19 ausgestattet, die über die wiederaufladbare speichernde Energieversorgung gespeist werden, und so angeordnet sind, dass sich in unidirektionaler Senderichtung vom
Bohrlochboden zur Oberfläche 75 am oberen Ende 13 des n-ten Gestänges 5 ein Sender 17 und am unteren Ende 14 des sich anschließenden (n+1 )-ten Gestänges 6 ein Empfänger 19 befindet. Für den unidirektionalen Betrieb gilt dann für die Senderichtung von der Oberfläche 75 zum Bohrlochboden, dass sich am unteren Ende 14 des (n+1 )-ten Gestänges 6 ein Sender 19 und am oberen Ende 13 des sich anschließenden n-ten Gestänges ein Empfänger 17 befindet. Erfolgt die Einrichtung der Datenübertragung nur in einer
unidirektionalen Richtung, haben die Gestänge 10 am oberen Ende 13 und unteren Ende 14 keine gleiche Ausstattung und sind richtungsorientiert zu lagern. Sind die Gestänge 10 für eine bidirektionale Datenübertragung ausgelegt und an den Enden mit kombinierten Sender-/Empfängereinheiten (Transceivern) 17,19 bestückt, entfällt die lagegerechte
Richtungsorientierung.
Die Datenübertragung erfolgt uni- oder bidirektional beispielhaft beginnend an den Sensor-Einrichtungen 81 des Bohrgestänges 80, wird stets bei allen WDP-Gestängen 10 über die Verdrahtung von einem Ende 14 des Gestänges zum anderen Ende 13 geführt und an den Bohrgestänge-Verbindungen, die meist als Verschraubungen ausgeführt sind, über mindestens einen Sender (Transmitter) und/oder Empfänger (Receiver) oder kombinierte Sender-/ Empfängereinheit (Transceiver) 17 ,19 von einem Bohrgestänge zum nächsten Bohrgestänge über sehr kurze Distanz sicher übertragen. Sich auf die Güte der drahtlosen Übertragung negativ auswirkende Umfeldeinflüsse entfallen. Die drahtlose Nachrichtenübertragung beschränkt sich auf den Übertragungsweg von einem Ende 13 eines Gestänge n bis zum Ende 14 des benachbarten Gestänges n+1 auf ca. 30 cm bis 40 cm bei stets gleicher Anordnung und stets gleichem Umfeld.
Elektroniken 15 und Funkmodule 17,19 eines Bohrgestänges 10 sind
Bestandteil eines Ad-hoc-Netzwerks. Der Antrieb 7 ist ebenfalls mit einer Elektronik 73 mit Mikrokontroller und einem Funkmodul 72 als zweites, oberes Ende des Bohrstrangs ausgerüstet und tauscht Informationen mit dem benachbarten, mit dem Bohr-/Fräsfortschritt wechselnden (n+t)-ten
Bohrgestänge 6 aus. Die Kommunikation zwischen dem Bohrantrieb 7 und dem Oberflächenrechner 100 ,101 erfolgt über eine Funkstrecke, wobei die Leitung 102 ein Funkmodul 103 mit Antenne 104, mit dem
Oberflächenrechner 100, 101 dauerhaft verbindet. Der Oberflächenrechner 100, 101 hat die gesamte Bohrstellenorganisation und -Verwaltung inne, ebenso wie die Bohrstrang-Messdatenerfassung und -auswertung sowie die Gestängeverwaltung und Netzwerkorganisation.
Fig. 5 zeigt die Bohrgestänge 10 als Knoten im Bohrstrang-Ad-hoc Netzwerk am Beispiel eines Bohrstrangs mit drei Bohrgestängen 5, 6, 8. Die
Bohrinformationen, die aus den Messdaten der Sensorik 81 des Gestänges 8 während des Betriebs erfasst werden, werden über die Bohrgestänge-Leitung 21 dem Sender (Transmitter) 17 des untersten Bohrgestänges 80 (n-1 ) zugeführt und übertragen an den Empfänger (Receiver) 19 des darüber liegenden Bohrgestänges 5 (n), und weiterhin zum oberen Gestänge 6 (n+1 ) und über den das Funkmodul 72 und die Elektronik 73 im Antrieb 7 zum Oberflächenrechner 100 ,101. Alle Teilnehmer dieser Informationskette sind Knoten im Bohrstrang-Ad-hoc-Netzwerk, welches aus den ständigen
Teilnehmern„Oberflächenrechner 100" und„Antrieb 7" besteht sowie den sich ändernden Teilnehmern„Bohrgestänge" 8 , 5 , 6 , die nach dem oben beschriebenen Verfahren im Selbstlern- und -verwaltungsprozess Knoten des Ad-hoc-Netzwerks geworden sind. Die Bohrstrang-Netzwerkverwaltung ist ebenso ein Software-Bestandteil des Oberflächenrechners.
Das erfindungsgemäße Kommunikationssystem besitzt eine
Kommunikationsleistung bezüglich Datenrate und Datenqualität, die
unabhängig von der Bohrlochtiefe ist. Ein Einsatz ist auch bei schwierigsten Bodenbeschaffenheiten und im Wasser möglich. Ferner funktioniert die Kommunikation bei 1000m tiefen Bohrlöchern genauso gut wie bei 10m Tiefe.
Bezugszeichenliste
I Bohrgestänge, gestapelt, Modus REST
3 Bohrgestänge, entnommen, aufgerichtet, Modus READY
4 Bohrgestänge, transportiert, Modus READY
5 Bohrgestänge n, Knoten n
6 Bohrgestänge n+1 , Modus SET, Knoten n+1
7 Bohrantrieb mit Aufnahme
8 Bohrgestänge, Knoten
9 Bohrgestänge n-1 , Knoten n-
10 Bohrgestänge, datentechnisch konfektioniert (WDP)
I I Gestängerohr
12 Wandstärke
13 Oberes Ende
14 Unteres Ende
15 Elektronik und Energieversorgung, Knoten
16 Neigungssensor
17 obere Kommunikationseinheit
18 Funkantenne 1
19 untere Kommunikationseinheit
0 Funkantenne 2
1 , 22 elektrische Leitung, ein-/mehrpaarig
0 Klemm-Spannbacke
1 Näherungssensor, mit RFID-Leser
2 Kommunikationseinheit,
3 Elektronik, Knoten Antrieb
4 Mitnehmerstange
5 Erdoberfläche
0 Bohrgestänge mit Bohrkopf-, -kronen-Aufnahme 1 Aktorik, Sensorik,
00 Oberflächenrechner
01 Bohrstellenrechner, Knoten Rechner
02 Verkabelung
03 Kommunikationseinheit
04 Funkantenne