DE10004217A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Hartgesteinsbohren - Google Patents

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zum unterirdischen Bohren und Aufweiten von Löchern, insbesondere in Hartgestein, unter Verwendung eines wasserbetriebenen Motors als Antriebseinheit.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum unterirdischen Bohren von Löchern in Hartgestein.

Das Bohren von Löchern in Hartgestein stellt besondere Anforderungen an die verwendete Bohrvorrichtung, insbesondere an den Antriebsmotor. Um Sedimente aus einer harten Gesteinsformation brechen zu können, benötigt der Bohrkopf, beispielsweise ein Felsfräskopf, ein bestimmtes Drehmoment und eine bestimmte Schnittgeschwindigkeit, die sich aus der Drehzahl des Bohrkopfes und dem Vorschub der Bohrlafette ergibt. Mit zunehmender Härte des Gesteins fällt dabei die Schnittgeschwindigkeit ab, während die Drehzahl und das Drehmoment zunehmen.

Üblicherweise werden Bohrköpfe zum unterirdischen Bohren von Löchern in Hartgesteinen durch sogenannte Mud-Motoren betrieben, die nach dem Prinzip der verdrängend wirkenden Schraubenmotoren arbeiten. Diese Form des Antriebes für unterirdische Bohranlagen ist beispielsweise in den euro­ päischen Offenlegungsschriften 0 710 764 und 0 787 886 beschrieben.

Die herkömmlichen Mud-Motoren sind als Schraubenmotoren mit einem ein Gewinde aufweisenden Stator und einem in diesem drehenden, ebenfalls ein Gewinde aufweisenden Rotor ausgebildet. Beide Gewinde besitzen unter­ schiedliche Gangzahlen, wobei diejenige des Rotors immer über derjenigen des Stators liegt.

Wird Bentonit in den Bohrmotor gepumpt, füllt es den Raum zwischen dem Rotor und dem Stator, und versetzt den Rotor in Drehung. Da der Rotor im Stator eine exzentrische Bewegung ausführt, muß seine Drehbewegung über eine Gelenkwelle zur Lagerspindel des Bohrkopfes geführt werden.

Die nach diesem Schraubenprinzip arbeitenden Motoren vertragen nur eine geringe Druckdifferenz. Um dennoch die erforderliche Leistung zu erbringen, d. h. die in Energie umzusetzende notwendige Druckdifferenz zu erzeugen, müssen die Rotoren und Statoren eine erhebliche Länge aufweisen. Längen von 3 bis 8 Metern sind dabei keine Seltenheit. Dies birgt neben einem ho­ hen Materialkostenaufwand den großen Nachteil der schwierigen Handha­ bung der Vorrichtung auf Baustellen und in kleinen Bohrlöchern.

Eine weitere Möglichkeit der Erhöhung der Druckdifferenz der Schrauben­ motoren besteht in der Verwendung großer Mengen von Bentonit. Üblicher­ weise werden dabei Bentonitmengen in einer Größenordnung von 150 bis 600 l/min benötigt. Es werden auch andere viskose Medien eingesetzt.

Die Verwendung insbesondere von Bentonit setzt das Vorhandensein von Bentonitmischanlagen voraus, da die Zumischung des Bentonits an die kon­ krete Boden- bzw. Gesteinsbeschaffenheit angepaßt sein muß. Daneben kann das die Bohrvorrichtung wieder verlassende Bentonit aus ökologischen Erwägungen heraus nicht ohne weiteres in den Boden abgelassen werden. Vielmehr bedarf es speziell dafür vorgesehener Pumpanlagen zum Entfer­ nen des Bentonits aus der Bohrgrube und spezieller Recyclinganlagen für eine Wiederverwertung oder Aufbereitungsanlagen, um die so gereinigte Flüssigkeit anschließend in die Umgebung abzulassen. Dieses Verfahren bringt damit einen enormen Arbeits-, Kosten-, Material- und Zeitaufwand mit sich, ohne daß damit eine Belastung der Umwelt mit Sicherheit auszuschlie­ ßen wäre.

Hinzu kommt, daß die beim Gesteinsbohren verwendeten Bohrköpfe eine Tendenz zum Festsetzen im Gestein zeigen. In einem solchen Falle strömt das Bentonit an dem Rotor vorbei und - ohne eine Drehung bewirkt zu haben - in großen Mengen ungenutzt aus dem Motor in das Erdreich.

Bei der Verwendung der üblichen viskosen Antriebsmittel, vor allem beim Einsatz von Bentonit, liegt eine weitere gravierende Schwierigkeit in ihren abrasiven Eigenschaften. Demnach müssen alle damit in Kontakt kommen­ den Bauteile eine besondere Oberfläche, beispielsweise eine Keramikbe­ schichtung, aufweisen. Dennoch ist auch damit ein hoher Verschleiß nicht in zufriedenstellendem Maße zu vermeiden, der unweigerlich die Material­ kosten in die Höhe treibt.

Ist die Pilotbohrung unter Verwendung des Mud-Motors abgeschlossen, wird üblicherweise die gesamte Antriebseinheit abgenommen, ein Aufweitbohr­ kopf - ein sogenannter Hole-Opener - zum Aufweiten der Bohrung aufgesetzt und anschließend durch die Rotation des gesamten Bohrgestänges in Dre­ hung gebracht. Demnach muß das gesamte Bohrgestänge das erforderliche hohe Drehmoment auf das Arbeitswerkzeug übertragen, was häufig insbe­ sondere durch die hohe Biegewechselbeanspruchung und den Abrieb an den Außenflächen der Gestänge zu mechanischen Belastungen und Ver­ windungen führt. Auch dies erhöht den Verschleiß und damit die anfallenden Kosten.

Gegenwärtig werden andere, üblicherweise mit einer Ölhydraulik betriebene Motoren, wie beispielsweise Zahnradmotoren, Axial- und Radialkolbenmoto­ ren oder Zahnring- und Zahnradmotoren beim unterirdischen Bohren nicht eingesetzt. Ursächlich dafür ist einerseits die verbreitete Haltung, daß die zumeist aufwendig und komplex gestalteten Motoren für das Bohren in oft schlecht zugänglichen Löchern bei stark wechselnder Bodenbeschaffenheit nicht ausreichend robust und widerstandsfähig sind. Andererseits müßten diese Motoren für das unterirdische Bohren mit aufwendigen Rücklaufleitun­ gen für das Hydrauliköl versehen werden, da das Öl nicht in das Erdreich gelangen oder gar in das Erdreich abgelassen werden kann. Zusätzlich zu den Vor- und Rücklaufleitungen für den Hydraulikantrieb wären noch weitere Leitungen und Anschlüsse für die zudem benötigte Spülmittelflüssigkeit er­ forderlich. Selbst unter Berücksichtigung aller erforderlichen Sorgfalt kann bei einem mit Ölhydraulik betriebenen Motor dennoch eine Kontamination der Umgebung nicht gänzlich vermieden werden.

In dem bekannten Stand der Technik wird kein alternatives Antriebsmittel eingesetzt, um diese eigentlich hydraulisch betriebenen Motoren mit ihrem hohen Wirkungsgrad dennoch für das unterirdische Bohren nutzbar zu ma­ chen. Bentonit eignet sich nicht als Antriebsmedium, da diese Motoren sehr enge Dichtungsspalten und Leitungen aufweisen, die Bentonit sehr schnell zusetzen würde. Außerdem würde Bentonit aufgrund seiner abrasiven Ei­ genschaften rasch eine Zerstörung von Dichtungen und empfindlichen Ober­ flächen innerhalb des Motors bewirken. Sowohl die Reparatur- und War­ tungskosten als auch der Arbeitsaufwand würden demnach in die Höhe schnellen und ein zügiges Bohren unmöglich machen.

Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, ein kostengünstiges und umweltverträgliches Verfahren und eine Vorrichtung mit möglichst hohem Wirkungsgrad zum Bohren und Aufweiten von Löchern, insbesondere für Hartgestein, bereitzustellen.

Dieses Problem wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche ge­ löst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen finden sich in den Unteransprüchen.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, den Bohrkopf zum unterirdischen Bohren und Aufweiten von Löchern in Hartgestein durch einen Motor anzu­ treiben, der seinerseits durch Wasser als Antriebsmittel in Bewegung gesetzt wird und zumindest einen Teil der Zuschlagstoffe erst hinter dem Motor beizugeben.

Vorzugsweise wird ein Axialkolbenmotor mit Wasser als Antriebsmedium eingesetzt. Das Wasser kann dazu einer beliebigen Quelle, beispielsweise einem Hydranten, einem Tank oder einem in der örtlichen Nähe des Bohr­ lochs befindlichen Gewässer entnommen und einer Hochdruckpumpe zugeführt werden. Je nach Wassergüte kann das Wasser auf seinem Weg in die Hochdruckpumpe eine Reinigungseinrichtung passieren. Diese ist vorzugs­ weise als eine Filtereinrichtung realisiert, die zwischen Axialkolbenmotor und Hochdruckpumpe angeordnet ist.

Nachdem das Wasser in der Hochdruckpumpe auf den gewünschten Be­ triebsdruck gebracht ist, wird es dem Antrieb zugeleitet. In einer bevorzugten Ausführungsform kann dieses unmittelbar über das Bohrgestänge erfolgen; allerdings ist auch eine Zuleitung über ein Innenrohr eines doppelwandigen Bohrgestänges möglich.

Die Verwendung von Wasser als Antriebsmittel für einen Axialkolbenmotor bietet eine Vielzahl von Vorteilen: Da es fast an jedem Ort aus unmittelbarer Nähe herbeizubringen ist, entfallen aufwendige Transport- und Anfahrts­ kosten. Weiterhin sind kosten- und zeitaufwendige Mischvorrichtungen vor der Zuleitung zu dem Antrieb, wie beispielsweise bei der Verwendung von Bentonit, nicht mehr unweigerlich erforderlich. Vor allem aber kann das Wasser nach der Nutzung ins Erdreich entlassen werden. Besondere Um­ weltbelastungen entstehen dadurch nicht, so daß auf Aufbereitungs-, Reini­ gungs- oder Recyclinganlagen verzichtet werden kann. Die Gesamtkosten eines Bohrvorgangs können demnach wesentlich reduziert werden.

Zudem werden alle Bauteile der Bohrvorrichtung, die mit der Antriebsflüssig­ keit in Kontakt gelangen, durch die Verwendung von Wasser als Antriebs­ flüssigkeit vor vorzeitigem Verschleiß bewahrt, da Wasser im Gegensatz zu Bentonit keine abrasiven Eigenschaften besitzt.

Sollte es dennoch notwendig sein, ein Antriebsmittel mit einer höheren Vis­ kosität zu verwenden, kann dem Wasser ein biologisch abbaubares Polymer zugesetzt werden. Auch diese Lösung kann ohne weitere Umweltbelastung unmittelbar in die Umgebung abgelassen werden.

Der bevorzugt eingesetzte Axialkolbenmotor arbeitet nach dem Prinzip einer "Schrägscheibe" oder "Schrägachse", bei der eine mit einem Flüssig­ keitsstrom verursachte Axialbewegung der Arbeitskolben durch eine Schräg- oder Taumelscheibe in eine rotatorische Bewegung umgesetzt werden kann, indem die Kraft der auf die drehbar gelagerte Scheibe treffenden Kolben ein Drehmoment erzeugt, das auf eine Antriebswelle übertragen wird. Daran wird das Bohrwerkzeug angeschlossen.

Ein besonderer Vorteil in der Verwendung eines Axialkolbenmotors als An­ trieb einer unterirdischen Bohranlage liegt in dessen kleiner räumlicher Aus­ dehnung. Dies macht die gesamte Bohrvorrichtung insgesamt wesentlich leichter handhabbar.

Weiterhin können diese Motoren einer erheblich größeren Druckdifferenz standhalten, so daß mit einem im Vergleich zu Mud-Motoren höheren Be­ triebsdruck, von derzeit beispielsweise 160 bar, gearbeitet werden kann. Als eine unmittelbare vorteilhafte Folge dieser hohen Energiedichte nimmt die für das Erzeugen eines hohen Drehmoments des Bohrwerkzeugs erforderliche Menge an Antriebsmedium deutlich ab und es kann ein äußert günstiger Wirkungsgrad erreicht werden. Dieser kann bis zu 0,8 betragen. Beim Mud- Motor sind dies nur 0,15.

Weiterhin vorteilhaft ist die Möglichkeit des Vertauschens der Anschlüsse für die Zu- und Ableitung des Antriebsmediums. Mit dem Vertauschen kehrt sich nämlich die Drehrichtung des Motors und damit auch die Drehrichtung des von ihm angetriebenen Bohrwerkzeugs um.

An den Axialkolbenmotor kann erfindungsgemäß ein Getriebe gekoppelt sein, das seinerseits das darauf aufsitzende Bohrwerkzeug antreiben kann. Auch die Verwendung von zwei oder mehreren Getrieben ist möglich. Diese können auch innerhalb des Bohrwerkzeugs, beispielsweise in einem Auf­ weitwerkzeug (Hole-Opener), angeordnet sein. Die Antriebseinheit wird vorzugsweise nach Fertigstellen der Pilotbohrung zum weiteren Aufweiten des Bohrlochs nicht vom Bohrgestänge entfernt, sondern an diesem belassen.

Die Verwendung von mindestens einem Getriebe ermöglicht eine weitere Variation der Drehzahl und des Drehmoments. Dies ist insbesondere nach dem Abschluß der Pilotbohrung vorteilhaft, da die sich daran anschließende Aufweitphase häufig ein anderes Drehmoment und eine andere Drehzahl als die Pilotbohrung benötigt: Während der Antrieb für eine Pilotbohrung oftmals auf eine hohe Drehzahl bei niedrigem Drehmoment eingestellt ist, wird bei der Aufweitung meist ein höheres Drehmoment erforderlich sein.

Unter besonderen Gegebenheiten kann es zum Abtransport des Bohrkleins erforderlich sein, dem Bohrloch eine gewisse Menge eines speziellen Spül­ mittels, beispielsweise Bentonit, zuzuführen. Dies kann durch eine Zuleitung des Spülmittels über einen Ringspalt eines doppelwandigen Bohrgestänges erfolgen. Auch in diesem Falle sind die ökologischen, zeitlichen und finan­ ziellen Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des Verfahrens er­ heblich, da die für die Bohrung erforderliche Gesamtmenge an Bentonit ge­ genüber dem herkömmlichen Verfahren weitaus niedriger liegt. In einem sol­ chen Falle kann der Verbrauch an Bentonit bei etwa 10 bis 30 l/min liegen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des näheren erläutert.

Die Bohrvorrichtung 1 besteht aus einem Bohrgestänge 2 mit einer An­ triebsmittelzuleitung 6, das an seinem kopfseitigen Ende über ein Kupp­ lungsstück 3 mit einem Gehäuse 4 verbunden ist. In dem Bohrgestänge 2 ist eine Spülmittelzuleitung 7 angeordnet. Diese Spülmittelzuleitung 7 mündet in einer Austrittsöffnung 8, die sich in dem Kupplungsstück 3 befindet. In dem Gehäuse 4 befindet sich eine Filtereinrichtung 5 und ein Axialkolbenmotor 9 mit einer Antriebswelle 12. Über ein Getriebe 10 ist der Axialkolbenmotor 9 mit dem Bohrwerkzeug 11 verbunden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren werden wie folgt eingesetzt:

Zunächst wird das Wasser über eine Hochdruckpumpe (hier nicht darge­ stellt) auf den gewünschten Betriebsdruck gebracht. Anschließend wird es durch die Antriebsmittelzuleitung 6 des Bohrgestänges 2 der Filtereinrichtung 5 im Gehäuse 4 zugeführt. Das dann aufgereinigte Wasser durchströmt im weiteren den Axialkolbenmotor 9, der über Antriebswelle 12 und Getriebe 10 das Bohrwerkzeug 11 in Rotation versetzt. Das Wasser durchströmt den Axialkolbenmotor 9 und verläßt die Bohrvorrichtung 1 über Austrittsöffnungen (hier nicht dargestellt) des Bohrwerkzeugs 11.

Das Spülmittel zum Entfernen des Bohrkleins wird dem Bohrloch über die Spülmittelzuleitung 7 im Bohrgestänge 2 dem Bohrloch zugeführt. Es verläßt das Bohrgestänge über die Austrittsöffnungen 8, die in dem Verbindungs­ element 3 münden.

Claims (13)

1. Verfahren zum Antreiben eines Motors zum Bohren oder Aufweiten von Erd- oder Gesteinslöchern mit Hilfe einer Antriebsflüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß als Antriebsmedium Wasser verwendet wird, um den Motor (9) zum Antrieb des Bohrwerkzeugs (11) in Bewegung zu versetzen und mindestens ein Teil der Zuschlagstoffe in Fließrichtung hinter dem Motor zugegeben werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Was­ ser als Zuschlagstoff ein biologisch abbaubares Polymer zugesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Zu­ schlagstoff Bentonit verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß dem Bohrloch zusätzlich Spülmittel zum Abtrans­ port des Bohrkleins zugeführt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Rotationsrichtung des Bohrwerkzeugs (11) durch ein Vertauschen der Antriebsmittelzu- und ableitung des Axial­ kolbenmotors (9) umgekehrt wird.

6. Vorrichtung zum Bohren oder Aufweiten von Erd- oder Gesteinslöchern mit einem Bohrwerkzeug und einer Zuleitung (6) für ein flüssiges Me­ dium, gekennzeichnet durch einen wasserbetreibbaren Motor (9) als Antriebseinheit für das Bohrwerkzeug (11) und eine Zugabevorrichtung für Zuschlagstoffe, die in Fließrichtung hinter dem Motor angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mo­ tor (9) als Axialkolbenmotor ausgestaltet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (9) das Bohrwerkzeug (11) über ein Getriebe (10) antreibt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch eine Filtereinrichtung (5).

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Antriebsmittelzuleitung (6) im Bohrgestänge (2) vor­ gesehen ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Antriebsmittelzuleitung (6) von einem im Bohrge­ stänge (2) befindlichen Innenrohr gebildet wird.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, gekennzeichnet durch eine Spülmittelzuleitung (7).

13. Vorrichtung nach Anspruch 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Spülmittelzuleitung (7) als ein Ringspalt eines doppelwandigen Bohrgestänges (2) ausgebildet ist.