AT515609A2 - Vorrichtung und Verfahren zum Bohren von Brunnen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brunnenbohrvorrichtung (1) mit einer in einem Bohrzustand hydraulisch vertikal beweglichen Hubvorrichtung (3), an der zumindest ein Antriebsmotor (19) für Bohrgestängeelemente sowie zumindest eine an den Antriebsmotor (19) anschließende Luftübergabevorrichtung (13) angeordnet sind, wobei an der vom Antriebsmotor (19) abgewandten Seite der Luftübergabevorrichtung (13) zumindest eine Anschlagplatte (20) mit Ausnehmung zum Versenken von Außen- oder Innenrohrelementen vorgesehen ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Bohren von Brunnen.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Bohren von Brunnen

Die Erfindung betrifft eine Brunnenbohrvorrichtung und ein Verfahren zum Bohren von Brunnenlöchern unter Verwendung der erfindungsgemäßen Brunnenbohrvorrichtung.

In vielen Gegenden der Erde ist es schwierig, Trinkwasser in ausreichender Menge bereit zu stellen. Das Bohren von Brunnen kann diesem Problem zumindest teilweise abhelfen, allerdings können dabei aufgrund örtlicher Gegebenheiten nicht immer schwerstes Gerät und modernste Verfahren zum Einsatz kommen. Oft müssen auf schlechten Straßen weite Distanzen zurückgelegt werden und unter widrigen Bedingungen mit mangelhafter Infrastruktur der Brunnenbau vorgenommen werden.

Bekannte Lösungen mit schwerem Gerät, wo mit großen Bohrern und druckluftunterstützter Entfernung von Aushubmaterial Brunnen gegraben werden, scheitern einerseits oft an den Schwierigkeiten, das schwere Gerät vor Ort zu bringen, andererseits kommt es durch die notwendigen hohen Drücke beim Bohren bzw. Auswerfen des Aushubs oft zum Verstopfen der erschlossenen Quellen.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, die oben genannten Nachteile bekannter Lösungen zu vermeiden und eine einfach verwend- und transportierbare Lösung zum Bohren von Brunnen bereit zu stellen.

Diese Aufgabe wird mit einer eingangs erwähnten Brunnenbohrvorrichtung erfindungsgemäß gelöst, die eine in einem Bohrzustand hydraulisch vertikal bewegliche Hubvorrichtung aufweist, an der zumindest ein Antriebsmotor für Bohrgestängeelemente sowie zumindest eine an den Antriebsmotor anschließende Luftübergabevorrichtung angeordnet sind, wobei an der vom Antriebsmotor abgewandten Seite der Luftübergabevorrichtung zumindest eine Anschlagplatte mit Ausnehmung zum Versenken von Außen- oder Innenrohrelementen vorgesehen ist.

In einer Variante der Erfindung ist zwischen der Luftübergabevorrichtung und der Anschlagplatte zumindest eine Aushubablenkplatte, vorzugsweise mit einem zu Führungsstreben der Hubvorrichtung geneigt verlaufenden Ablenkplattenabschnitt, vorgesehen. Günstigerweise ist die Luftübergabevorrichtung mit Druckluft beaufschlagbar, wobei zur Bereitstellung der Druckluft eine Gebläsevorrichtung vorgesehen ist, die vorzugsweise über einen Luftschlauch mit der Luftübergabevorrichtung verbunden ist.

Um für die Brunnenbohrvorrichtung eine größtmögliche Mobilität sicher zu stellen, kann zumindest eine Basisplatte vorgesehen sein, auf der die Elemente der Brunnenbohrvorrichtung angeordnet sind. Eine derartige Basisplatte kann auf einen LKW bzw. ein anderes geländegängiges Fahrzeug montiert und so leicht transportiert werden.

Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein eingangs erwähntes Verfahren mit folgenden Schritten gelöst: a) Bohren eines initialen Bohrlochs bis zu einer Tiefe von maximal neun Metern; b) Auskleiden des initialen Bohrlochs mit Außenrohrelementen; c) Fortsetzen des Bohrvorgangs mit gleichzeitiger Nachführung von Innenrohrelementen, die einen geringeren Durchmesser als die Außenrohrelemente aufweisen, wobei während des Bohrvorgangs Druckluft mit einem Druck von max. 2 bar in das Bohrloch eingeblasen wird.

In einer Variante der Erfindung ist in Schritt c) das unterste Innenrohrelement als geripptes, gelochtes Rohr ausgeführt, das vorzugsweise an der Außenseite zumindest in seinem untersten Bereich von einem schmutzdichten Vlieselement umgeben wird.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Erläuterung von in den Zeichnungen schematisch dargestellten, nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen. Darin zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen

Brunnenbohrvorrichtung im Transportzustand von schräg vorne;

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen

Brunnenbohrvorrichtung im Transportzustand von schräg hinten;

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Brunnenbohrvorrichtung im Bohrzustand von schräg vorne;

Fig. 4 eine Darstellung der erfindungsgemäßen Brunnenbohrvorrichtung im Bohrzustand von vorne;

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen

Brunnenbohrvorrichtung im Bohrzustand von schräg hinten; und

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung einer für das erfindungsgemäße Verfahren verwendbaren Bohrspitze.

In den nachfolgenden Figuren sind aus Gründen der Übersichtlichkeit gleichartige Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Fign. 1 und 2 zeigen eine erfindungsgemäße Brunnenbohrvorrichtung 1 im Lager- bzw. Transportzustand, wie sie beispielsweise als Brunnenwagen umgesetzt werden kann. In dieser Form kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auf einem LKW oder ähnlichen Fahrzeugen auch auf schwer befahrbaren Straßen an entlegene Orte transportiert werden, um dort Brunnenbohrungen zu ermöglichen.

Auf einer Basisplatte 2 sind dabei die benötigten Komponenten angeordnet: Der Hubvorrichtungsturm 4 einer Hubvorrichtung 3 ist dabei durch Drehung um Scharnierelementen 5 umgelegt, um einen leichteren Transport zu ermöglichen — wie in den weiteren Figuren dargestellt kann die Hubvorrichtung 3 für Bohrtätigkeiten aufgerichtet werden. Das dafür benötigte Hydraulikaggregat 6, ein elektrischer Schaltschrank 7 für die Aktuatorik, ein Notstromaggregat 8 sowie ein Ersatzteilbehälter 9 sind auf einer ersten Längsseite der Basisplatte 2 angeordnet und teilweise durch Abdeckplatten 14 vor Verschmutzung geschützt. Auf der zweiten Längsseite sind Rohrhalterungen 10a, 10b, 10c vorgesehen, wo die für den Brunnenbau benötigten Rohrelemente und Gestänge transportiert bzw. gelagert werden können. In den Figuren sind die Rohrhalterungen 10a, 10b, 10c leer bzw. ohne Rohr- oder Gestängeelemente dargestellt.

An der den Scharnierelementen 5 der Hubvorrichtung 3 gegenüberliegenden Schmalseite der Basisplatte 2 ist eine Gebläsevorrichtung 11 montiert. Die Gebläsevorrichtung 11 versorgt übereinen Luftschlauch 12 die auf der Hubvorrichtung 3 angeordnete Luftübergabevorrichtung 13 bzw. die daran befestigen Rohrelemente mit Druckluft. Die Druckluft hat dabei im Vergleich zu bekannten Lösungen einen geringen Druck von etwa 2,1 bar (ca. 1,2 atü), allerdings wird eine große Luftmenge - ca. 12-15 m3/h - transportiert. Der geringe Druck ist von Vorteil, da dadurch das Verstopfen der angebohrten Quellen verhindert wird. Die Luftübergabevorrichtung 13 weist an ihrem oberen und unteren Ende kugelgelagerte Dichtringe (nicht dargestellt) auf, durch die der druckluftbeaufschlagte Bereich abgedichtet wird und gleichzeitig die Drehung eines darüber angeordneten Antriebsmotors 19 übertragbar ist.

Im oberen Bereich der Hubvorrichtung 3 ist ein T-Stück 21 für die Wassereinspeisung über ein Wasseranschlussstück 22 mit Regelventil angeordnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist am Wasseranschlussstück 22 keine Rohrleitung angeschlossen. Das Einspeisen von Wasser während des Bohrvorgangs kann günstig sein, um verdichtetes Erdreich zu lösen bzw. die Bohrelemente zu kühlen. Für den Brunnenbau wird der Hubvorrichtungsturm 4 der Hubvorrichtung 3 mittels einem ersten Hydraulikzylinder 15 durch Drehung um die Scharnierelemente 5 aufgerichtet; dieser Zustand ist in den Fign. 3 bis 5 dargestellt. Mittels eines Hubhydraulikzylinders 16 kann eine Hubvorrichtungsplatte 17 entlang von Führungsstreben 18a, 18b in vertikaler Richtung bewegt werden. An der Hubvorrichtungsplatte 17 sind weitere für den Bohrvorgang benötigte Elemente angeordnet: Ein Antriebsmotor 19 mit Getriebeelement 23 ermöglicht das Bohren mittels Bohrköpfen, Gestänge- und/oder Bohrrohrelementen, wobei die Druckluft über die Luftübergabevorrichtung 13 in das Innere der Bohrrohrelemente eingeblasen werden kann. An der dem Antriebsmotor 19 gegenüberliegenden Seite der Luftübergabevorrichtung 13 ist eine Aushubablenkplatte 24 vorgesehen, die während des Betriebs Verschmutzungen von Motor 19, Getriebeelement 23 und der Luftübergabevorrichtung 13 fernhält. Die Aushubablenkplatte 24 weist dazu einen Ablenkplattenabschnitt 24a auf, der zur parallel zu den Führungsstreben 18a, 18b verlaufenden Hubachse der Hubvorrichtung 4 geneigt ist.

An der von der Luftübergabevorrichtung 13 abgewandten Seite der Aushubablenkplatte 24 ist des Weiteren eine Anschlagplatte 20 vorgesehen, die im Bereich der Führungsstreben 18a, 18b fix montiert ist und an ihrer Außenseite eine Ausnehmung aufweist. Mit dieser Anschlagplatte 20 können Brunnenrohre bzw. Rohrelemente mit der hydraulisch bewegbaren Hubvorrichtungsplatte 17 synchron zum Bohrfortschritt nach unten gedrückt werden, so dass neue, tiefere Bereiche des Bohrloches verrohrt werden. Durch die Ausnehmung in der Anschlagplatte 20 kann das vom Antriebsmotor 19 kommende Bohrgestänge nach unten in das Bohrloch geführt werden, gleichzeitig kann hochgeblasener Aushub in Richtung der Aushubablenkplatte 24 ausgeworfen und von dieser abgelenkt werden.

Fig. 6 zeigt einen Bohrkopf 25, wie er für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden kann, das weiter unten noch genauer beschrieben wird. Die nachfolgend verwendeten Begriffe „oben“ und „unten“ beziehen sich hier auf eine Anordnung des Bohrkopfes 25 bei bestimmungsgemäßer Verwendung beim Bohren bzw. auch auf die Orientierung in Fig. 6.

An seinem oberen Ende hat der Bohrkopf 25 einen hohlen, zylindrischen Gewindeabschnitt 26, an dem ebenfalls hohle Bohrrohr- bzw. Gestängeelemente festgeschraubt werden können. In axialer Richtung unter dem Gewindeabschnitt 26 folgt ein Mutterabschnitt 27, um für das Festschrauben passendes Werkzeug verwenden zu können. Der Mutterabschnitt 27 ist innen hohl ausgeführt, korrespondierend mit der inneren Öffnung des Gewindeabschnitts 26. Am Mutterabschnitt 27 ist das Schneidelement 28 befestigt, mit dem sich der Bohrkopf 25 beim Bohren in das Erdmaterial gräbt. Die Befestigung des Schneidelements 28 am Mutterabschnitt 27 kann beispielsweise durch Schweißen erfolgen. Das Schneidelement 28 weist im Bereich des unteren Endes des Mutterabschnitts 27 eine Ausnehmung 35 auf, in die die Innenöffnung des Mutterabschnitts 27 mündet.

Die hohle Borrohrelemente, über die der Bohrkopf 25 mit dem Antriebsmotor 19 verbunden und rotierbar ist, sind im Bereich der Luftübergabevorrichtung 13 gelocht ausgeführt, so dass dort die Druckluft zugeführt und durch die Bohrrohrelemente nach unten geleitet werden kann. Durch den hohl ausgeführten Gewindeabschnitt 26 und den hohl ausgeführten Mutterabschnitt 27 tritt die Luft über die Ausnehmung 35 im Schneidelement 28 am Grund des Bohrlochs aus. Wie weiter unten beschrieben wird, kann dadurch der Bohraushub rasch und wirkungsvoll entfernt werden.

Das Schneidelement 28 hat parallel verlaufende Kanten, die gegen das untere Ende zur keilförmigen Bohrspitze 29 zusammenlaufen. Diese Ausführung ermöglicht eine optimale Führung des Bohrkopfes 25 in Bohrlöchern und darin angeordneten Rohrelementen. In einer nicht dargestellten Variante ist neben einem ersten

Schneidelement ein zweites, normal dazu angeordnetes Element vorgesehen, so dass sich in einer Ebene normal zu einer Längsachse des Bohrkopfes 25 ein kreuzförmiger Querschnitt ergibt.

An den Kanten der Bohrspitze 29 sind erste Widia-Elemente 30a aus Wolframcarbit angeordnet, um längere, verschleißarme Bohrarbeiten durchführen zu können und wenigerWartungsarbeiten z.B. zum Nachschärfen zu benötigen.

Am Schneidelement 28 sind zwei drehbar bewegliche Seitenräumerelemente 31a, 31 b vorgesehen - das vordere Seitenräumerelement 31 a ist in Fig. 6 gut zu sehen, während das hintere Seitenräumerelement 31b vom Schneidelement 28 verdeckt ist. An den Seitenräumerelementen 31a, 31b sind im Bereich der Seitenräumerspitzen 32 zweite Widia-Elemente 30b aus den oben genannten Gründen vorgesehen.

Die Seitenräumerelemente 31a, 31b sind um eine Drehachse 33 drehbar gelagert und zwischen einem unteren Anschlagelement 34 und einem oberen Anschlagelement 35 drehbar. Der Schwerpunkt der Seitenräumerelemente 31a, 31b befindet sich dabei abgesetzt von der Längsachse des Schneidelements 28.

Dadurch lassen sich die Seitenräumerelemente 31a, 31b in eine erste Stellung bringen, indem sie jeweils im Uhrzeigersinn gedreht werden, bis sie an den Anschlagelementen 34, 35 anliegen. Die Seitenräumerspitze 32 weist in dieser ersten Stellung nach unten und die Seitenräumerelemente 31a, 31b ragen nicht oder nur kaum über den Umriss des Schneidelements 28 hinaus. In dieser ersten Stellung kann die Bohrspitze 25 beispielsweise durch Rohre durchgeführt werden, deren Durchmesser nur wenig größer ist als die Bohrspitze 25. Die Bohrspitze 25 kann so in ein Bohrloch mit engem Durchmesser abgesenkt werden. Sobald die Bohrspitze 25 am Grund des Bohrloches angekommen ist, wo der Durchmesser etwas größer ist bzw. keine starren Rohre mehr vorhanden sind, rotieren die Seitenräumerelemente 31a, 31b um die Drehachse 33 und die Seitenräumerspitzen 32 ragen nach außen, wo sie den Bohrvorgang unterstützen. Wenn die Bohrspitze 25 wieder aus dem Bohrloch entfernt werden soll und angehoben wird, klappen die Seitenräumerelemente 31a, 31b wieder ein, sobald sie an einen engeren Bereich des Bohrlochs, z.B. bereits verlegte Brunnenrohre, stoßen.

Zweck bzw. Funktion der Drehachse 33 und der Anschlagelemente 34, 35 ist weiter unten bei der Erläuterung des erfindungsgemäßen Bohrverfahrens beschrieben.

Mit der beschriebenen Brunnenbohrvorrichtung 1 kann nun das erfindungsgemäße Brunnebohrverfahren wie folgt ausgeführt werden:

Aufgrund der Beweglichkeit des kompakten Aufbaus auf der Basisplatte 2 lässt sich die Vorrichtung rasch an den benötigten Ort transportieren, ohne das Transportfahrzeug - beispielsweise einen geländegängigen LKW - zu großen Belastungen auszusetzen.

Vor Ort wird der Hubvorrichtungsturm 4 aufgerichtet und in einem ersten Schritt mit einem herkömmlichen Bohrkopf, beispielsweise einem Spiralbohrer, und den passenden Gestängeelementen ein etwa neun Meter tiefes Loch mit einem Durchmesser von etwa 15 cm gebohrt. In dieses Loch wird ein glattes Polycarbonatrohr eingesetzt, nachfolgend Außenrohr genannt, wobei üblicherweise drei ineinandergesteckte Stücke mit einer Länge von jeweils drei Metern zum Einsatz kommen.

In diese glatten Außenrohre werden nun weitere Rohrelemente geringeren Durchmessers nachgeführt, die die Schachtwand unterhalb der vorgebohrten neun Meter verkleiden bzw. in den obersten neun Metern einen inneren Schacht bilden. Diese Rohrelemente werden nachfolgend Innenrohre genannt und haben einen Durchmesser von etwa 12 cm. In diese Innenrohrelemente wird nun die an Bohrgestängeelementen angebrachte Bohrspitze 25 mit eingeklappten Seitenräumerelementen 31a, 31b eingeschoben und nach unten in das Bohrloch geführt. Gleichzeitig werden mit der Anschlagplatte 20 Innenrohrelemente nachgeführt bzw. mit der hydraulisch bewegten Hubvorrichtungsplatte 17 nach unten in das Bohrloch gedrückt, so dass synchron mit der immer tiefer gehenden Bohrung das Bohrloch verkleidet wird.

Um nun den Aushub aus dem Bohrloch zu befördern, wird über die hohlen Bohrgestängeelemente die über die Luftübergabevorrichtung 13 zugeführte Druckluft nach unten zur Bohrspitze 25 transportiert und tritt dort durch die Ausnehmung 35 im Schneidelement 28 aus. Dort befindliches loses Erdmaterial wird durch den Spalt zwischen Bohrgestängeelementen und Innenrohrelementen in Richtung Oberfläche geblasen. An der Oberfläche tritt es im Bereich der Anschlagplatte 20 aus den Innenrohrelementen aus und wird durch die Aushubablenkplatte 24 seitlich ausgeworfen.

Aufgrund des so ermöglichten einfachen Verbringens des Aushubmaterials ist nur geringer Druck der zugeführten Luft notwendig und ein Verstopfen der Quelle wird verhindert.

Wie beschrieben werden Innenrohrelemente sukzessive von oben nachgeführt.

Dabei werden glatte, dichte Innenrohrelemente verwendet. Das erste und unterste Innenrohrelement mit einer Länge von ca. drei Metern ist allerdings gerippt und gelocht ausgeführt - dadurch kann am Grund des Bohrlochs Quellwasser in das Innere der Verrohrung eindringen. Um Verschmutzungen zu verhindern, kann das unterste Innenrohrelement bzw. dessen unterster Teil an der Außenseite mit einem Kunststoffvlies umgeben werden, das größere Schmutzpartikel abhält.

Das obere Ende des untersten Innenrohrelements kann mit einem kragenartigen Vorsprung versehen sein, der nach oben hin konisch auseinanderläuft: So wird eine Abdichtung des untersten Innenrohrelements nach oben erreicht und es kann von oben in den Bereich zwischen Außenrohren und Außenseite der Innenrohre bzw. Außenseite der Innenrohre und Bohrlochinnenseite eine nach oben abdichtende Masse - beispielsweise Kalk- oder Gipsmilch - eingefüllt werden. So kann eine Kontamination der Quelle durch Oberflächenwasser verhindert werden.

Die erfindungsgemäße Brunnenbohrvorrichtung 1 erlaubt bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein rasches und einfaches Bohren von Brunnenlöchern. Durch den einfachen Aufbau der Vorrichtung ist sie mobil und kann auch auf schlechten Straßen und in unwegbarem Gelände gut transportiert werden.

Claims (7)

1. Ansprüche 1. Brunnenbohrvorrichtung (1) mit einer in einem Bohrzustand hydraulisch vertikal beweglichen Hubvorrichtung (3), an der zumindest ein Antriebsmotor (19) für Bohrgestängeelemente sowie zumindest eine an den Antriebsmotor (19) anschließende Luftübergabevorrichtung (13) angeordnet sind, wobei an der vom Antriebsmotor (19) abgewandten Seite der Luftübergabevorrichtung (13) zumindest eine Anschlagplatte (20) mit Ausnehmung zum Versenken von Außen- oder Innenrohrelementen vorgesehen ist.
2. 2. Brunnenbohrvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Luftübergabevorrichtung (13) und der Anschlagplatte (20) zumindest eine Aushubablenkplatte (24), vorzugsweise mit einem zu Führungsstreben (18a, 18b) der Hubvorrichtung (3) geneigt verlaufenden Ablenkplattenabschnitt (24a), vorgesehen ist.
3. 3. Brunnenbohrvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftübergabevorrichtung (13) mit Druckluft beaufschlagbar ist.
4. 4. Brunnenbohrvorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bereitstellung der Druckluft eine Gebläsevorrichtung (11) vorgesehen ist, die vorzugsweise über einen Luftschlauch (12) mit der Luftübergabevorrichtung (13) verbunden ist.
5. 5. Brunnenbohrvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Basisplatte (2) vorgesehen ist, auf der die Elemente der Brunnenbohrvorrichtung (1) angeordnet sind.
6. 6. Verfahren zum Bohren von Brunnen, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a) Bohren eines initialen Bohrlochs bis zu einer Tiefe von maximal neun Metern, b) Auskleiden des initialen Bohrlochs mit Außenrohrelementen, c) Fortsetzen des Bohrvorgangs mit gleichzeitiger Nachführung von Innenrohrelementen, die einen geringeren Durchmesser als die Außenrohrelemente aufweisen, wobei während des Bohrvorgangs Druckluft mit einem Druck von max. 2 bar in das Bohrloch eingeblasen wird.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) das unterste Innenrohrelement als geripptes, gelochtes Rohr ausgeführt ist, das vorzugsweise an der Außenseite zumindest in seinem untersten Bereich von einem schmutzdichten Vlieselement umgeben wird.