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Dokumentenidentifikation DE102004049135A1 24.08.2006
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Optimierung des Einziehvorganges bei der grabenlosen Verlegung von Versorgungsleitungen
Anmelder Tudeshki, H., Prof. Dr.-Ing.habil., 52066 Aachen, DE
Erfinder Tudeshki, Hossein, Prof. Dr., 52066 Aachen, DE;
Kögler, Rüdiger, Dr., 26670 Uplengen, DE
Vertreter BAUER WAGNER PRIESMEYER, Patent- und Rechtsanwälte, 52080 Aachen
DE-Anmeldedatum 07.10.2004
DE-Aktenzeichen 102004049135
Offenlegungstag 24.08.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.08.2006
IPC-Hauptklasse F16L 1/028(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
Zusammenfassung Offenbart ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Optimierung des Einziehvorganges bei der grabenlosen Verlegung von Versorgungsleitungen. Aufgabe ist es insbesondere, die Zugkraft beim Einziehvorgang zu reduzieren. Hierdurch werden Schadensfälle vermieden bzw. können Rohre größeren Durchmessers eingezogen werden.

Beschreibung[de]
Einleitung

Die steuerbare Horizontalbohrtechnik im oberflächennahen Bereich (T < 50 m) wurde Mitte der 70er Jahre in den USA aus dem „Directional Drilling" der Öl- und Gasexploration entwickelt. Dabei war jedoch die Zielsetzung nicht die Erkundung oder Erschließung von Rohstoffen, sondern die Nutzung des erstellten Bohrloches zur Aufnahme einer Rohrleitung. Hierdurch konnten Hindernisse, wie Flüsse, Landebahnen, Straßen oder auch Biotope ohne Beeinträchtigung der Geländeoberfläche schnell im Zuge von Pipeline-Verlegungen unterquert werden. Es wurde somit eine im Festgestein bewährte Bohrtechnik aus der Rohstoffexploration in die Pipeline-Branche transferiert.

Bei der steuerbaren Horizontalbohrtechnik im oberflächennahen Bereich („Directional Horizontal Drilling") wird von einem übertägig aufgestellten Bohrgerät ein Bohrmeißel unter einem Winkel von etwa 5°–20° in den Boden gepresst.

Nachdem die ersten Bohrstangen gerade abgebohrt wurden, wird die Arbeitsrichtung des Bohrmeißels geändert, so dass er einer vorher festgelegten Bohrtrasse folgt und im elastischen Radius die horizontale Lage erreicht. Ohne Rotation des Bohrgestänges erfolgt das Lösen des Bohrkleins in den lockeren Sedimenten im Wesentlichen hydraulisch durch am Meißel aus Düsen austretende Bohrspülung. Entsprechend wird vor Erreichen des Zielpunktes in umgekehrter Reihenfolge verfahren.

Das Bohrloch wird während des Bohrvorganges durch eine Bohrspülung aus Ton-Wasser-Suspension (Bentonit) gestützt. Diese dient auch zum Austrag des gelösten Bohrkleins aus dem Bohrloch.

Die Veränderung der Arbeitsrichtung geschieht über ein Knickstück (bent sub) unmittelbar hinter dem Bohrmeißel.

Durch geringfügige Drehung des Bohrstranges durch das übertägige Bohrgerät kann die Arbeitsrichtung in jede gewünschte Richtung eingestellt werden, so dass auch Raumkurven gebohrt werden können.

Die zum Einhalten der geplanten Bohrachse erforderlichen Informationen über die jeweilige Position des Bohrmeißels werden in der Regel über so genannte „Steering Tools" in den Steuersand der Bohranlage übertragen. Über Magnetometer und Inklinometer können damit – analog zur Tiefbohrtechnik – die aktuellen Werte für Azimut (Richtung), Inclination (Neigung) und Toolface (Meißelstellung) permanent während des Bohrvorganges überwacht und durch Steuerimpulse ggf. korrigiert werden.

Die bodenmechanischen Kennwerte im Bohrungsbereich sind von entscheidender Bedeutung für die erfolgreiche Durchführung dieser oberflächennahen Bohrungen. Besonders geeignete Bodentypen sind Sand und Ton. Mit Einsatz eines Bohrlochsohlenmotors sind auch Bohrungen im Festgestein möglich, jedoch aufgrund der geringeren Bohrgeschwindigkeit erheblich aufwendiger.

Die heute mit der steuerbaren Horizontalbohrtechnik erreichten Dimensionen liegen bei Bohrungslängen von etwa 1.800 m und Bohrdurchmessern von etwa 1.500 mm. Dabei werden Bohrungsgenauigkeiten am Zielpunkt von etwa 1–2% der Bohrungslänge, jedoch maximal etwa +/– 2 m erreicht. Durch nachträgliche Vermessung der Bohrachse mittels Kreiselkompass lässt sich die exakte IST-Achse im Zentimeterbereich einmessen.

Nach Fertigstellung der Pilotbohrung wird der Bohrmeißel abgenommen und ein in Gegenrichtung orientierter Aufweitmeißel installiert. Dieser Aufweitkopf wird im Rückwärtsgang rotierend und spülend durch die erstellte Pilotbohrung gezogen. [4]

Der Aufweitvorgang wird solange fortgesetzt bis der gewünschte Enddurchmesser der Bohrung erreicht ist. Anschließend wird das Bohrgestänge mit der einzuziehenden Rohrleitung (Produktrohrtour) verbunden. Mit Rücknahme und dem Ausbau des Bohrgestänges wird die Rohrleitung eingezogen.

1 bis 3 zeigen die HDD – Technologie mit ihren charakteristischen Teilvorgängen am Beispiel einer Fluss-Unterdükerung.

Kennzeichnend für das HDD-Verfahren ist, dass es praktisch keine verwertbaren Teilleistungen gibt. Vielmehr wird der Gesamterfolg erst nach dem erfolgreichen Einziehungsvorgang erzielt. [2]

Tritt während eines HDD-Projektes eine Havarie auf, so ist der wirtschaftliche Schaden umso größer, je später dies der Fall ist. Erfahrungen zeigen, dass vor allem der Einziehungsvorgang der Produktrohrtour mit Schadensfällen einhergeht. Der Grund hierfür liegt unter anderem an der starken internationalen Nachfrage nach Bohrungen von mehr als 2.000 m Länge, bei welchen das Festwerden der Rohrleitung während des Ziehvorganges begünstigt wird.

Problembeschreibung

Eine wesentliche Aufgabe bei der Realisierung eines HDD-Projektes ist die richtige Dimensionierung der Bohranlage. In diesem Zusammenhang nimmt die Bestimmung der maximal zu erwartenden Zugkraft während des Ziehvorgangs eine zentrale Stellung ein. Die technischen Richtlinien der Drilling Contractors Association (DCA) unterscheiden zwischen Zugkräften, die direkt am Ziehkopf erforderlich werden, um die an der Rohrleitung entstandenen Reibungskräfte zu überwinden und Zugkräfte, die von der Bohranlage insgesamt aufgebracht werden müssen. Die Zugkraftdifferenz ergibt sich aus den Reibungskräften zwischen Bohrlochwand und Bohrgestänge einschließlich Räumwerkzeug. Mit fortschreitendem Einziehvorgang nimmt die Zugkraft am Ziehkopf, bedingt durch Steigerung der Reibungskräfte zwischen Rohrleitungsoberfläche und Bohrlochwand bzw. Spülung zu. Obwohl theoretisch die Berechung der Zugkraft gemäß NEN 3651 und AGA- Methode möglich ist, kann aufgrund der nicht erfassbaren technischen Randbedingungen hieraus keine direkte Bestimmung der Bohrgerätegröße vorgenommen werden. Erfahrungsgemäß wird die Anlage auf die 2 bis 3-fache theoretisch errechnete Zugkraft dimensioniert. Trotz einer fast 300%igen Sicherheit kommt es während des Ziehvorganges zu charakteristischen Schadensfällen, die in zwei Gruppen aufgeteilt werden [3]:

  • • Fehlerhafte Einziehgarnitur
  • • Festwerden der Rohrleitung

Unabhängig von der Definition der Schadensfälle ist die Ursache stets in den zu gering kalkulierten Reibungskräften begründet.

Neben Eigengewicht, der Art der Ummantelung und dem Durchmesser des Rohres, nehmen der geometrische Verlauf der Bohrachse, die Geschwindigkeit des Einziehvorganges und vor allem ein schlechter Bohrlochzustand Einfluss auf einen überproportionalen Zugkraftanstieg während des Vorganges.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die zu einer Reduzierung der Reibungskräfte und damit einhergehend eine Herabsetzung der erforderlichen Zugkraft beim Einziehvorgang von Rohrleitungen beiträgt. Hierdurch sollen Schadensfälle vermieden werden. Darüber hinaus sollen Rohre mit größeren Dimensionen eingezogen werden können.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das einzuziehende Produktrohr in Schwingung versetzt wird.

Pilotversuche

Zur Feststellung der Wirksamkeit der Erfindung wurden erste Laboruntersuchungen durchgeführt.

4 zeigt den charakteristischen Kurvenverlauf zur Überwindung der Haftreibung ohne die Einleitung von Schwingungsenergie.

5 zeigt im Vergleich zu den Versuchen ohne Einleitung von Schwingungsenergie eine deutliche Reduktion der Zugkraft auf ca. 50%.

6 zeigt zum Vergleich beide Kurven in einem Diagramm aufgetragen. Die beschriebene Abnahme der Zugkräfte bei Aktivierung des Vibrators wird so besonders deutlich.

Neben der o.g. Tatsache tritt ein weiterer Effekt auf, der einen nicht unwesentlichen Einfluss auf die beschriebene Praxisproblematik (Havarie der Rohrtour) nimmt. Es zeigt sich, dass ohne die Einleitung von Vibrationen ein ruckartiger Verlauf der Zugkraft zu verzeichnen ist (erkennbar am Schwanken/Aufschaukeln der Kraftlinie). Dieser negative Effekt, der eine zusätzliche Materialbelastung darstellt, bleibt bei der Initiierung von Schwingungen aus, der Einziehvorgang geht „ruhiger" von statten und erfolgt gleichmäßiger.

Versuchsreihe 2: Untersuchung der Gleitreibung im sandigen Material

Bei der Erfassung der Änderung der Gleitreibung beim Einziehvorgang der Rohrleitung wurde die Vibrationseinheit intervallartig zu und abgeschaltet und die Zugkraft kontinuierlich erfasst. Es zeigte sich auch hier, dass beim Zuschalten des Vibrators sprunghaft eine Abnahme der Zugkraft zu verzeichnen ist, die beim Ausschalten der Schwingungen wieder auf den ursprünglichen Wert ansteigt. Die Schwingungen bewirken eine Reduzierung der Zugkraft um ca. 50% des Wertes ohne Vibration. 7 zeigt eine repräsentative Mittelwertkurve der Versuchsreihen.

Verfahrensvorteile
  • • Reduzierung der Schadensfälle und damit einhergehende Erhöhung der Wirtschaftlichkeit
  • • Herabsetzung der erforderlichen Zugkraft; Auswahl kleinerer Bohrmaschinen bzw. geeigneter Maschinen
  • • Beschleunigung des Einziehvorganges
  • • Schaffung von Möglichkeiten zum Einziehen von Rohren größerer Dimensionen
  • • Vermeidung von Materialschäden infolge erhöhter Zugkräfte
6. Literaturverzeichnis
  • [1] KÖGLER, R.; GÄNGER, J. (2000): Ultralange Horizontalbohrungen – Eine neue Herausforderung an das Horizontal Directional Drilling. 3R international, Heft 6, 2000, S. 349–352
  • [2] KÖGLER, R. (2001): Risikoschwerpunkte beim Horizontal Directional Drilling. bi umweltbau 6, 2001, S. 18–22
  • [3] VERBAND GÜTESCHUTZ HORIZONTALBOHRUNGEN E.V. (2000): Horizontal Directional Drilling – Technische Richtlinien des DCA, 2. Auflage, Oktober 2000

    www.dca-europe.de
  • [4] KLEISER, K.; BAYER, H.-J. (1996): Der grabenlose Leitungsbau. Schriftenreihe Energie- und Umwelttechnik, Hrsg.: Heinz Moser, Vulkan-Verlag, Essen 1996

Anspruch[de]
  1. Verfahren und Vorrichtungen zur Optimierung des Einziehvorganges bei der grabenlosen Verlegung von Versorgungsleitungen, sind dadurch gekennzeichnet, dass das einzuziehende Rohr in Schwingung versetzt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1 sind dadurch gekennzeichnet, dass die Energie regelbar ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 sind dadurch gekennzeichnet, dass die Energie an ein oder mehreren Stellen des Rohres eingeleitet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 sind dadurch gekennzeichnet, dass die Energie auf die Zusammensetzung des Bodens angepasst wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 sind dadurch gekennzeichnet, dass die Energie als Funktion der Rohrqualität und Rohrdimension eingeleitet wird.
Es folgen 5 Blatt Zeichnungen






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