DD279921A1 - Bohrwerkzeug - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Bohrwerkzeug zur Durchfuehrung von technischen Bohrungen mit Kerngewinnung. Das Wesen der Erfindung besteht in einem verbesserten, weiterentwickelten Hohlschnecken-Bohrwerkzeug, das die Durchfuehrung von kombinierten Trocken-/Spuelbohrverfahren gestattet, wobei das Bohren mit Kerngewinnung im Trockenbohrverfahren und der Abtransport des Erdstoffes nach ueber Tage mittels Spuelbohrtechniken erfolgt. Erfindungsgemaess ist die Kerneinrichtung druck- und fluessigkeitsdicht in der Hohlschnecke eingesetzt, die am Auslauf der Wendeln mit Leitblechen ausgestattete Durchgangsbohrungen fuer den Austritt eines Spuelmediums aufweist. Der Hohlschneckeninnenraum zwischen eingesetzter Kerneinrichtung und Bohrkrone 1 ist ueber eine Bypassleitung mit dem Bohrungsringraum verbunden, waehrend im Hebestueck 11 der Kerneinrichtung eine Druckausgleichvorrichtung 16;25 angeordnet ist. Fig. 1

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Bohrwerkzeug zur Durchführung von technischen Bohrungen mit Kerngewinnung und wird vorteilhaft rüi geologische-, hydrologische- und/oder Baugrunderkundungen eingesetzt.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Zur Durchführung von technischen Bohrungen mit Kerngewinnung für geologische- und/oder hydrologische Erkundungen bzw. für die Baugrunduntersuchung wird in der Flachbohrtechnik das Trockenkernbohren oder das Hohlschneckenbohren, als Trockenbohrverfahren, oder das Rotary-Bohren, ein Spülverfahren, erfolgreich eingesetzt. Das Tiockenkernbohren ist nur in Verbindung mit Wasserzugabe einsetzbar, wodurch die Kerne nicht mehr den Forderungen einer Trockenbohrung entsprechen.

Für d^;e Durchführung des Verfahrens sind zusätzliche Verrohrungen notwendig, wodurch der Einsatz bei Teufen > 20m mit stark ansteigenden Kosten und technischen Aufwendungen verbunden ist.

Das Hohlschneckenbohrverfahren ist beispielsweise aus der DD-PS 221221 bekannt. Das hierzu verwendete Bohrwerkzeug besteht aus der sogenannten Hohlschnecke, die mit Schneiden und auf ihren-, Außenmantel mit Wendeln zum Abtransport des Erdstoffes ausgestattet ist. Innerhalb der Hohlschneckf, ist eine Kerneinrichtung geführt, die an einem Halteseil aufgehängt und während des Bohrprozesses mit Kerngewinnung mit der Hohlschnecke verriegelt ist.

Das Hohlschneckenbohrverfahren ermöglicht auf rocht kostengünstige Weise die Gewinnung von nahezu ungestörten Bodenproben. Die erbohrten Kerne werden während des BoHrprozesses in Folie eingehüllt und mit der am Halteseil aufgehängten Kerneinrichtung nach jedem Bohrrnarsch gezogen.

Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß bei größeren Tiefen - > 50m -aufgrund der Förderung des Erdstoffes über dir, Wendeln die Drehmomente für die Bohreinrichtung sehr stark ansteigen.

Es gibt auch bereits Anlagen, mit denen Teufen von max. 120m erreicht werden können. Der wirtschaftliche Einsatz ist jedoch auf elwa 50m Teufe beschränkt.

Das Rotarvverfahren ist ein seit Jahrzehnten eingesetztes Verfahren und arbeitet mit Doppelkernrohr und Seilkerneinrichtung.

Für die Flachbohrtechnik ist die erreichbare Teufe nicht begrenzt. Die Drehmomente sind gegenüber dem Hohlschneckenbohren gering. Nachteil dieses Verfahrens ist, daß während des Bohrprozesses Spülflüssigkeit an den Kern gelangt und insbesondere nichtbindige Erdstoffanteile mit der Spülflüssigkeit mitgenommen werden.

Erdstoff kerne sind daher gar nicht oder nur unvollständig vorhanden, während Wasserleiter nicht erkennbar sind. Hydrologische Aussagen sind demzufolge nur schätzbar.

Alle Versuche, mit voreilenden Schneiden die Problematik zu lösen, haben nicht zum Erfolg geführt.

Weitere Verfahren für die Kerngewinnung sind das Vibrationsbohren mit Verrohrung und das Rammkernbohren mit Verrohrung.

Beide Verfahren arbeiten mit einem gesonderten Schlagmechanismus zum Eintreiben des Kernrohres.

Die mit Hilfe dieser Lösungen gewonnenen Erdstoffproben haben für die Erstellung baugrundmechanischer Kennwerts keinen Nutzen. Außerdem ist die Teufe dünn den Einbau der Verrohrung begrenzt. Zum Eintreiben der Rohre werden große Schlagenergien benötigt; in steinigen und festen Böden sind diese Lösungen nicht einsetzbar.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, den maschinentechnischen Aufwand für den Einsatz des Hohlschneckenbohrverfahrens in Teufen >50m entscheidend zu reduzieren und die Begrenzung der Anwendungsmöglichkeit über diesen Teufenbereich hinaus aufzuheben.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Dor Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch geeignete Mittel die beim Hohlschneckenbohren auftretenden und mit zunehmendem Bohrfortschritt stark anwachsenden Drehmomente so gering wie möglich zu halten.

Erfindungsgomäß wird die Aufgabe durch ein verbessertes Hohlschneckenbohrwerkzeug gelöst, das ein kombiniertes Hohlschneckenspülbohren gestattet.

Das erfindungsgemäße Hohlschneckenbohrwerkzeug ist dadurch gekennzeichnet, daß die Kerneinrichtung druck- und flüssigkeitsdicht in der Hohlschnecke eingesetzt ist und oberhalb der letzten Wendeln der Hohlschnecke mit Leitblechen ausgestattete Durchgangsbohrungen zum Austritt einer innerhalb des Gestängerohres zugeführten Spülflüssigkeit vorgesehen

Der Innenraum der Hohlschnecke zwischen der eingesetzten Kerneinrichtung und der Bohrkrone ist über eine Bypaßleitung mit dem Bohrungsringraum oberhalb der Wendeln verbunden, wobei die Bypaßleitung unterhalb der Durchgangsbohrungen ausmündet.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist im Hebestück der Kerneinrichtung ein Führungsteil angeordnet, das nach Beendigung des Bohrprozesses einen Druckausgleich zwischen dem genannten Innenraum der Hohlschnecke und dem anstehenden Flüssigkeitsdruck über der eingesetzten Kerneinrichtung durch Anziehen des Hebestückes bis unter die Abschlußplatte gestattet. Nach erfolgtem Druckausgleich kann die Kerneinrichtung zur Entnahme des erbohrten Kernes gezogen und anschließend zur Fortsetzung des Bohrprozesses mit oder ohne Kerngewinnung wieder gesetzt werden.

Die erfindungsgemäße Lösung gewährleistet die Gewinnung von nahezu ungestörten Bohrkernen im Trockenbohrverfahren mittels Hohlschneckenbohren, wobei auch hydrogeologische Aussagen anhand der Bohrkerne exakt möglich sind, während der auf den Wendeln der Hohlbohrschnecke transportierte Erdstoff analog dem Spülbohrverfanren durch den Spülflüssigkeitsstrom ausgetragen, d. h. nach über Tage gefördert wird. Zur Erreichung von Teufen > 50 m können vorhandene Bohranlagen mit den allgemein verfügbarer z> -ehmomenten eingesetzt werden, da die ständige Zunahme des aufzubringende η Drehmomentes infolge des Anwachsens der Erdstoffmengen, die über die Wendeln der Hohlbohrschnecke nach über Tage gefördert werden müssen, entfällt. Das Drehmoment im Bereich der Wendeln verändert sich nur bei Erdstoffwechsel und ist unabhängig von der Teufe.

Ausführungsbeispivil

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: das erfindungsgomäße Bohrwerkzeug in Einbaustellung nach Abschluß eines Bohrprozesses mit Kerngewinnung, Fig. 2: die eingebaute Stellung der Auflageplatte mit der Dichtung und dem Hebestück.

In die an sich bf kannte Hohlbohrschnecke mit der Bohrkrone 1 und den auf dem Außenmantel befindlichen Wendeln für den Erdstofftransport ist eine Kerneinrichtung, bestehend aus dem Kernrohr 4 mit Ventil 14, der Lagerung 5 und der Verriegelung 7, deren Klinken mit dem Zwischenstück 6 der Hohlbohrschnecke zusammenwirken, angeordnet. Die Kerneinrichtung ist mittels Kolben 8 und Dichtung 15 im Zwischenstück 6 eingesetzt und liegt mit der Auflageplatte 9 auf der Stirnfläche des Zwischenstücks auf. An der Auf lageplatte 9 ist das Hebestück 11 angebracht, das über ein Führungsteril 16 bis zum Anschlag 25 beweglich angeordnet ist.

Oberhalb der Wendeln der Hohlbohrschnecke sind Durchgangsbohrungen 10 für den Austritt der Spülflüssigkeit vorgesehen, die vorzugsweise im Gestängerohr ¹7 zugeführt wird und nach Austritt aus den Bohrungen 10 den über die Wendeln transportierten Erdstoff im Ringraur ι 18 zwischen dem Gestängerohr 17 und der Bohrlochwand 12 nach über Tage fördert. Zum Zwecke einer gerichteten Ableitung des Spülflüssigkeilsstromes sind vor den Dutchgangsbohrungen 10 Leitbleche 19 angeordnet.

Der ui)i eingesetzter Kerneinrichtung vorhandene Innenraum der Hohlbohrschnecke zwischen der Bohrkrone 1 und dem Zwischenstück 6 ist über eine Bypaßleitung 20, die unmittelbar unter den Durchgangsbohrungen 10 ausmündet, mit dem Ringraum 18 bzw. mit dem Innenraum des Gestängerohres 17 verbunden.

Mit andauerndem Bohrfortschritt entsteht ein in seiner geologischen Struktur nahezu ungestörter Erdkern, der allmählich in die Buchse/Hülse 2 des Kernrohres 4 eindringt und letztlich vom Folienschlauch 3 aufgenommen wird. Der von der Bohrkrone 1 erbohrte und zwischen der Hohlschnecke 21 und der Bohrlochwand befindliche Erdstoff wird von den Wendeln 22 erfaßt und weiter transportiert. Bei Erreichen der Durchgangsbohrungen 10 vermischt sich der Erdstoff mit der austretenden Spülflüssigkeit und wird zusammen mit dem Spülflüssigkeitsstrom über den Ringraum 18 ausgetragen.

Auf diese Weise wird das beim Trockenbohren auftretende rasche Anwachsen der Drehmomente mit zunehmender Bohrtiefe ausgeschaltet, wodurch auch in Teufen >50m Bohranlagen mit allgemein verfügbaren Drehmomenten zur Durchführung von Erkundungsbohrungen mit Kern gewinnung im Trockenbohrverfahren eingesetzt werden können.

Ist die gewünschte Kernlänge erreicht, wird die eingebaute Kerneinrichtung mittels Fänger 13 und Halteseil 23 soweit angezogen, daß das Hebestück 11 auf dem Führungsteil 16 bis zum Anschlag 25 gleitet. Dabei tritt ein Druckausgleich zwischen der anstehenden Spülflüssigkeitssäule über der Kerneinrichtung und dem Innenraum 24 der Hohlschnecke ein. Beim weiteren Anziehen des Halteseils 23 wird das Ventil 14 des Kernrohrs 4 geschlossen, um zu verhindern, daß der Kern ausgespült und gleichzeitig ein Unterdruck erzeugt wird.

Ist der Druckausgleich erfolgt, wird die gesamte Kerneinrichtung zur Entnahme des Kernes und zum Einsatz einer neuen Buchse/ Hülse 2 mit Folienschlauch 3 aus der Hohlschnecke 21 herausgezogen bzw. ausgebaut, wobei der Bohrprozeß wahlweise nach dem Spülbohrverfahren mit oder ohne Kerngewinnung weiter fortgesetzt werden kann.

Soll erneut ein Bohrkern gewonnen werden, wird die gesamte Kerneinrichtung auf bekannte Weise mittt ; Fänger 13 und Halteseil 23 eingebaut.

Nachdem die Kerneinrichtung am bzw. mit dem Zwischenstück 6 der Hohlschnecke 21 druckdicht verankert ist, wird der Spülmittelstrom eingeschaltet. Die einsetzende Strömung im Gestängerohr 17 und dem Ringraum 18 bewirkt, daß entsprechend der Arbeitsweise einer Wasserstrahlpumpe die im Innenraum 23 der Hohlbohrschnecke 21 vorhandene Spülflüssigkeit über die Bypaßleitung 20 abgesaugt wird.

Dieser Vorgang ist von entscheidender Bedeutung, da ohne Verringerung der Spülflüssigkeit im Innenraum das Hineinwachsen des Kernes in die Kerneinrichtung durch den Gegendruck der Spülflüssigkeit verhindert wird.

Nach Absaugen der Spülflüssigkeit wird praktisch im Trockenbohrverfahren der Bohrprozeß mit Kerngewinnung fortgesetzt, während der Abtransport des über die Wendeln geförderten Erdstoffs mittels Spülbohrtechnik erfolgt.

Auf diese Weise können im Trockenbohrverfahren nahezu ungestörte Erdkerne mit hoher Aussago über die geologische Struktur auch aus Teufen >50m mit herkömmlichen Bohranlagen gewonnen werden.

Alternativ kann unter Anwendung des erfindungsgerr jßen Bohrwerkzeugs auch mit einei Umkehrspülung gearbeitet werden, wobei das Spülmedium über den Bohrungsringraum 18 zugeführt und der Erdstoff von den Wendeln 22 mit der Spülung bei Vergrößerung der Durchgangsbohrungen 10 im Gestängerohr 17 mittels Saugpumpen (bzw. Luft-Hebeverfahren) an die Oberfläche gefördert wird.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung wird eine Hohlbohrschnecke 21 mit einer höheren Anzahl an Wendeln 22 eingesetzt. Diese Maßnahme gewährleistet, daß durch den größeren Anteil an Erdstoff auf den Wendeln 22 die Spülung nicht über den Bohrungsringraum 18 in den Bereich der Bohrkrone 1 gelangen kann.

Außerdem kann während eines längeren Bohrmarsches auch einmal ohne zirkulierende Spülung gearbeitet werden.

Claims (5)

1. Bohrwerkzeug, bestehend aus einer Hohlbohrschnecke mit Bohrkrone und am Außenmantel angeordneten Wendeln und einer in der Hohlbohrschnecke verankerbaren Kerneinrichtung, die ein Kernrohr mit Kernaufnahmebuchse und Folienschlauch, eine Kernrohrhalterung und eine Verriegelung mit Hebestück aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerneinrichtung druck- und flüssigkeitsdicht in der Hohlbohrschnecke (21) eingesetzt ist und im Bereich des Auslaufes der Wendeln (22) mit Leitblechen (19) ausgestattete Durchgangsbohrringe (10) angeordnet sind, während der Innenraum (24) der Hohlbohrschnecke (21) zwischen der eingesetzten Kerneinrichtung und der Bohrkrone (1) über eine Bypaßleitung (20), die im Bereich der Durchgangsbohrungen (10) ausmündet, mit dem Bohrungsringraum (18) verbunden und über ein Hebestück (11) der Kerneinrichtung ein Führungsteil (16) angeordnet ist.

2. Bohrwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerneinrichtung mit einer Auflageplatte (9) ausgestattet ist, die an der Stirnfläche des Zwischenstückes (6) der Hohlbohrschnecke (21) anliegt und mittels Kolben (8) und Dichtung (15) in das Zwischenstück (6) druckdicht eingesetzt ist.

3. Bohrwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Umkehrspülung gearbeitet wird und zum Abtransport des Erdstoff-Spülung-Gemisches im Gestängerohr (17) erweiterte Durchgangsbohrungen (10) und Saugpumpen vorgesehen sind.

4. Bohrwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Kernaufnahmebuchse (2) mit Folienschlauch .'3) ein dünnes Plasterohr angoordnet ist.

5. Bohrwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlbohrschnecke eine höhere Anzahl an Wendeln aufweist.