DE10004217C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Hartgesteinsbohren mittels eines wasserbetreibbaren Motors - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Hartgesteinsbohren mittels eines wasserbetreibbaren MotorsInfo
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Abstract
Verfahren zum Antreiben eines Motors zum Bohren oder Aufweiten von Erd- oder Gesteinslöchern mit Hilfe einer Antriebsflüssigkeit, wobei als Antriebsflüssigkeit Wasser verwendet wird, dem erst in Fließrichtung hinter dem Motor zum Antrieb eines Bohrwerkzeugs ein Zuschlagstoff beigefügt wird, bevor die Antriebsflüssigkeit aus dem Bohrwerkzeug in das Erdreich entlassen wird.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum unterirdischen
Bohren von Löchern in Hartgestein mittels eines wasserbetreibbaren Motors.
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 Schrittgeschwindigkeit, die sich aus der Drehzahl des
Bohrkopfes und dem Vorschub der Bohrlafette ergibt. Mit zunehmender
Härte des Gesteins fällt dabei die Schrittgeschwindigkeit 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 EP 0 710 764 A2
und EP 0 787 886 A2 beschrieben.
Aus der US 5 327 980 ist ebenso der Einsatz von Schraubenmotoren zum
Bohren von Löchern im Hartgestein bekannt. Dabei wird als Antriebsmedium
reines Wasser verwendet.
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 das Antriebsmedium in den Bohrmotor gepumpt, füllt es den Raum zwi
schen dem Rotor und dem Stator, und versetzt den Rotor in Drehung. Da
der Rotor im Stator eine exzentrische Bewegung ausführt, muß seine Dreh
bewegung 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.
Das Risiko einer möglichen Umweltbelastung ist bei Verfahren minimiert, in
denen das Antriebsmedium einschließlich des hinzugefügten Zuschlagstoffs
in einer Kreislaufführung zurück an die Erdoberfläche transportiert wird. Ein
solches Verfahren ist beispielsweise aus DE 10 25 360 bekannt. Dabei wird
zur Gewinnung eines Bohrkerns ein Doppelhohlbohrgestänge verwendet, in
dessen äußerer Umwandung eine Spülflüssigkeit und in dessen innerer
Umwandung das Antriebsmedium - beispielsweise Wasser - geführt wird.
Beide vereinigen sich nach ihrem jeweiligen Umkehrpunkt im unteren
Bereich einer Bohrturbine in einer gemeinsamen Leitung. Darin werden sie
zurück an die Erdoberfläche geführt. Diese Vorgehensweise bedingt aber
einen hohen konstruktiven Aufwand und ist daher in der Regel kaum prakti
kabel.
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 Materialko
sten 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 insbesondere
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 kaum
eingesetzt. Ein - eher seltenes - Beispiel für einen bei Tiefbohrungen ver
wendeten Axialkolbenmotor stellt DE 39 19 719 A1 dar. Dieser wird mit einer
Wasser-Öl-Emulsion betrieben.
Ursächlich für das Desinteresse an hydraulisch betriebenen Motoren im
Zusammenhang mit dem Erdbohren ist einerseits die verbreitete Haltung,
daß die zumeist aufwendig und komplex gestalteten Motoren für das Bohren
in oft schlecht zugänglichen Löchern bei stark wechselnder Bodenbeschaf
fenheit nicht ausreichend robust und widerstandsfähig sind. Andererseits
müßten diese Motoren für das unterirdische Bohren mit aufwendigen Rück
laufleitungen 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 Spülmittel
flüssigkeit erforderlich. 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 Eigenschaften
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 bei
zugeben, bevor das Antriebsmittel aus dem Bohrwerkzeug in das Erdreich
entlassen wird.
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 zuge
führt 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 vor
zugsweise 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 Austrittsöffnun gen (hier nicht dargestellt) des Bohrwerkzeugs 11.
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 Austrittsöffnun gen (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 wird, bevor das Antriebsmedium aus dem
Bohrwerkzeug in das Erdreich entlassen wird.
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), eine Zugabevorrichtung für
Zuschlagstoffe, die in Fließrichtung hinter dem Motor angeordnet ist
und mindestens einer Austrittsöffnung des Bohrwerkzeugs.
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.
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