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Die
Erfindung betrifft ein Bohrgerät
mit einem Antrieb für
ein Bohrgestänge,
wobei der Antrieb eine Rotation des Bohrgestänge um seine eigene Achse erzeugt.
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Beim
Einbringen von Erdbohrungen für Brunnenbohrungen
und andere Zwecke ist es häufig für die oberen
Erdschichten erforderlich, zunächst eine
Bohrlochwandung einzubringen, die dann nach Fertigstellung der Gesamtbohrung
im Bohrloch verbleibt und im Bereich der oberen Erdschichten verhindert,
dass lockeres Gestein oder Erdboden von der Seite in das Bohrloch
fällt und
andererseits aus dem Bohrloch nach oben gefördertes Wasser oder sonstige
Fluide seitlich in das Gestein eindringen oder dieses fortspülen.
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In
den unteren Gesteinsschichten, also bei einer Fortsetzung der Bohrung
in vertikaler Richtung nach unten, ist dies dann häufig nicht
mehr erforderlich, weil dort ohnehin nur festere Gesteinsschichten existieren.
Dort ist es dann insbesondere auch wirtschaftlicher, das Bohrloch
nur noch mit einem verringerten Durchmesser fortzuführen, da
ja der beim Bohren erzielte zunächst
größere Durchmesser,
der dann von der eingebauten Bohrlochwandung wieder verringert wird,
nicht mehr benötigt
wird.
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Um
derartige Bohrlöcher
mit solchen Bohrlochwandungen nur für die oberen Erdschichten einzubringen,
wird im Stand der Technik regelmäßig zunächst mit
einem Bohrgerät
die Bohrlochwandung als Rohr mit größerem Durchmesser als Bohrung
eingebracht. Die Rohre, die später
die Bohrlochwandung bilden, dienen dabei zugleich als Bohrer, der durch
Drehung unter Druck sich vertikal nach unten in das herzustellende
Bohrloch eingräbt.
Das im Inneren hohle Rohr wird während
des Bohrvorgangs zur Zufuhr von Fluiden oder Gas eingesetzt.
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Nachdem
die Bohrlochwandung bis zu einer in Aussicht genommenen oder auch
durch den Bohrfortschritt festgestellten Tiefe eingebracht ist,
wird der Bohrvorgang mit ihr beendet. Das Rohr bildet damit bereits
die Bohrlochwandung für
die oberen Erdschichten und wird vom Bohrgerät gelöst. Im Anschluss daran wird
in einer erneuten Bohrung nun mit einem Gestänge mit kleinerem Durchmesser
durch das Innere des Rohres herab der Bohrvorgang fortgesetzt. Es
wird das Gestänge
zunächst
durch das Innere der bereits feststehenden Bohrlochwandung nach
unten bis zur Sohle des Bohrlochs geführt und dort dann wieder mittels
Drehung die Bohrung fortgesetzt.
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Um
den Bohrvorgang auf diese Weise fortsetzen zu können, sind eine Reihe von handwerklichen
Maßnahmen
erforderlich, beispielsweise das Umspannen von äußerem Rohr und innerem Bohrgestänge, das
Herabführen
eines kompletten Bohrgestänges
in das Bohrloch durch die Bohrlochwandung, und so weiter. Die Kosten
für das
Einbringen einer derartigen Bohrung werden sehr stark von dem Zeitaufwand
bestimmt, mit dem die relativ kostspieligen Geräte eingesetzt werden, ebenso
natürlich auch
von dem Arbeits- und Zeitaufwand des damit beschäftigten Personals an den Bohrlöchern.
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Wünschenswert
wäre es
daher, eine Möglichkeit
zu finden, den benötigten
Zeitaufwand zu reduzieren.
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Diese
Aufgabe wird gelöst,
durch ein Bohrgerät
für Erdbohrungen,
mit einem ersten Antrieb, mit einem in den Erdboden einzubringenden
ersten Bohrgestänge,
wobei der erste Antrieb eine Rotation des ersten Bohrgestänges um
seine eigene Achse erzeugt, mit einem zweiten Antrieb, mit einem
in den Erdboden einzubringenden zweiten Bohrgestänge, wobei der zweite Antrieb
eine Rotation des zweiten Bohrgestänges um seine eigene Achse
erzeugt, wobei das erste Bohrgestänge konzentrisch um das zweite
Bohrgestänge
angeordnet ist, und wobei die Rotationsgeschwindigkeit des ersten
Bohrgestänges und
die Rotationsgeschwindigkeit des zweiten Bohrgestänges voneinander
unabhängig
steuerbar oder regelbar sind.
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Es
werden gemäß der Erfindung
jetzt also die äußere Bohrlochwandung
und das innere Bohrgestänge
gemeinsam und trotzdem voneinander unabhängig in der Bohrung eingesetzt.
In den oberen Gesteins- und Erdschichten arbeiten beide Elemente gleichzeitig.
Durch die Unabhängigkeit
ist es dabei gewährleistet,
dass zwar die Drehzahl, also die Zahl der Umdrehungen pro Minute
oder die Winkelgradzahl pro Zeit von den Rohren, die später die
Bohrlochwandung bilden und Bohrgestänge unterschiedlich sind, dass
jedoch die Strecke, die ein bestimmter Ortspunkt auf dem äußeren, später die
Bohrlochwandung bildenden Rohr und auf dem äußeren Umfang des unteren Kranzes
des Bohrgestänges
in der gleichen Größenordnung
sind. Natürlich
laufen diese Strecken auf einer gekrümmten Bahn mit einem unterschiedlichen
Krümmungsradius.
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Dadurch,
dass diese Geschwindigkeiten (gemessen in Strecke pro Zeit) ungefähr gleich
eingestellt werden können,
obwohl die Drehzahl unterschiedlich ist, kann der Bohrvorgang optimiert
werden, da die Relativgeschwindigkeit des ortsfesten Gesteines zu
der das Abtragen bewirkenden Relativbewegung dieser Bohrelemente
gleich und zwar auf den für
dieses Gestein jeweils optimalen Betrag eingestellt werden kann.
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Es
ist jetzt auch möglich,
den Bohrvorgang dann nur kurz zu unterbrechen, wenn diejenige Tiefe erreicht
worden ist, bei der eine Fortführung
des Bohrvorganges für
die Bohrlochwandung nicht mehr weiter erforderlich scheint, etwa
weil sehr stabile Gesteinsschichten erreicht worden sind. An dieser
Stelle braucht dann der weitere Vortrieb und damit die weitere Drehung
der Bohrlochwandung nicht mehr fortgesetzt zu werden. Diese wird
dann beendet, die Verbindung oben am Bohrgerät kann gelöst werden. Außer dieser
kurzzeitig zu bewerkstelligenden Lösung ist aber nichts weiter
zu veranlassen. Der Bohrvorgang kann dann unmittelbar mit dem Bohrgestänge allein
weiter fortgeführt
werden. Es wird lediglich der Motor und das Getriebe für das äußere Rohr
abgestellt, beziehungsweise in Leerlauf versetzt.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn die beiden Kraftdrehköpfe für das Innengestänge und
das Außengestänge auch
in Axialrichtung um einen bestimmten Betrag zu einander verschiebbar
sind. Dies ist zwar für
den Bohrvorgang grundsätzlich
nicht erforderlich, ermöglicht
es aber, bei besonders schwierig zu durchdringenden Gesteinsschichten
eines der beiden Elemente um beispielsweise 20 cm zurückzufahren,
ein freieres Drehen zu bewirken oder dadurch eine Relativbewegung
auch in Axialrichtung von den beiden Bohrelementen in einem bestimmten
Umfang zu bewirken. Dadurch können
auch festsitzende größere Gesteinsbrocken
mit etwas Spiel je nach Geschick des Personals am Bohrloch besser
bearbeitet werden. Auch herkömmlich
wird versucht, Bohrgestänge,
die auf ein besonders festsitzendes Gestein treffen, kurzzeitig
zurückzufahren
und dann wieder erneut auszufahren. Dadurch, dass dies nun mit den beiden
konzentrisch umeinander angeordneten und sich mit unterschiedlicher
Geschwindigkeit drehenden Bohrgestängen möglich wird, ist hier jetzt
noch ein viel weiterer Spielraum für solche Vorgehensweisen möglich geworden.
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Im
folgenden wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Bohrgerätes gemäß der Erfindung; und
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2 einen
Schnitt durch das Bohrgerät
aus 1.
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Ein
Bohrgerät
für Erdbohrungen
dient dazu, eine insbesondere vertikale Bohrung in Erd- und Gesteinsschichten
vorzunehmen. In der perspektivischen Darstellung in 1 ist
nur der hier interessierende Teil dargestellt.
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Man
sieht eine Konsole 31, die an einem nicht dargestellten
Mast eines verfahrbaren oder auch eines feststehenden Gerüsts beweglich
auf- und abgefahren werden kann. Spülanschlüsse 32, teilweise
mit Drehdurchführungen,
dienen dazu, mit Flüssigkeit
den Bohrvorgang zu unterstützen,
beziehungsweise die beim Bohren gelösten Bodenbestandteile heraus-
und abzufördern.
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Ein
erster Antrieb 11 ist zu erkennen, der einen Kraftdrehkopf
aufweist. Dieser Kraftdrehkopf versetzt ein mit ihm verbundenes
in der 1 nicht, beziehungsweise schwer zu erkennendes
Gestänge 12 in
Rotation um eine vertikale Rotationsachse, die zugleich die Achse
des rohrförmigen
Gestänges 12 ist.
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Weiter
oben im Bereich der Konsole 31 sieht man einen zweiten
Antrieb 21. Auch dieser weist einen Kraftdrehkopf auf.
Der Kraftdrehkopf des Antriebes 21 dreht ein zweites Gestänge 22,
das in der 1 ebenfalls nicht beziehungsweise
kaum zu erkennen ist. Die Rotationsachse der Drehung ist identisch
zu der des ersten Antriebes 11 und sie fällt auch mit
der Achse des zweiten Gestänges 22 zusammen.
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Die
Gestänge 12 und 22 sind
mithin konzentrisch, wobei das zweite Gestänge 22 sich innerhalb des
ersten Gestänges 12 befindet.
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In
der 1 würden
die Gestänge
nach unten aus einem ringförmigen
Element herausschauen, das eine Spannbacke und einen Zentrierflansch
enthält.
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Der
genauere Aufbau ist in der 2 zu erkennen.
Die 2 zeigt einen Schnitt durch das Bohrgerät aus 1,
wobei hier zumindest ansatzweise auch Teile der Gestänge 12 und 22 zu
erkennen sind. Man sieht, dass das zweite Gestänge 22 konzentrisch
um die zentrale, vertikale Achse des Geräte angeordnet ist. Sie besteht – wie man
in der 2 sieht – aus Übertragungselementen,
die den Kraftdrehkopf des Antriebs 21, beziehungsweise
die von ihm erzeugte Bewegung in eine Rotation des gesamten Gestänges 22 umsetzen.
Das Gestänge 22 kann
nur nach unten aus der 2 heraus durch beliebige weitere
aufgesetzte Gestängeelemente
in gleicher Form verlängert
werden. Dies geschieht, in dem regelmäßig weitere Gestängeelemente
zwischen das jeweils oberste Gestängeelement und die Anschlussstücke des
Gestänges 22 innerhalb
des Bohrgerätes
zwischengesetzt werden, je nach Bohrfortschritt. Aus diesem Grunde
ist wie im Zusammenhang mit 1 erörtert, die
Konsole 31 aufwärts
und abwärts
verfahrbar, um das Zwischensetzen zusätzlicher Gestängeelemente
zu erlauben.
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Konzentrisch
um das zweite Gestänge 22 herum
befindet sich das erste Gestänge 12.
Es bildet während
des Bohrvorganges in den oberen Erdschichten also die äußere Haut
des Bohrvortriebs. Zwei konzentrisch umeinander laufende Rohrelemente
bohren also gleichzeitig im Erdboden, wobei sie zwischen sich einen
Ringspalt bilden. Dieser kann zugleich zur Spülung und/oder zur Aufwärtsförderung
der gelösten
Gesteinselemente dienen.
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Das
erste Bohrgestänge 12 wird
nach Abschluss des Bohrvorganges im Bohrloch gelassen und bildet
dort die Bohrlochwandung. Dies hat den Vorteil, dass nicht von der
Seite lose Erd- und Gesteinsbrocken in das Bohrloch fallen können, da
sie durch die feste Bohrlochwandung daran gehindert werden.
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In
tieferen Gesteinsschichten ist eine solche Bohrlochwandung jedoch
nicht erforderlich, da dort die Schichten so fest sind, dass ein
Herausfallen nicht befürchtet
werden muss.
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Das
innere, zweite Gestänge 22 wird
nach Abschluss des Bohrvorganges daher aus dem Bohrloch entnommen.
Der Innendurchmesser des ersten Bohrgestänges 12 bildet dann
also im oberen Teil den Innendurchmesser des Bohrloches, während im unteren
Teil des Bohrloches die Gesteinsschichten selbst den Innendurchmesser
des Bohrloches bilden.
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In
der 2 kann man auch gut erkennen, dass die beiden
Bohrgestänge 12, 22 sich
frei umeinander drehen können.
Da sie auch zwei unabhängige Antriebe 11 und 21 besitzen,
kann auch die Rotationsgeschwindigkeit der beiden Bohrgestänge 12 und 22 unabhängig voneinander
gewählt
werden. Das hat den wesentlichen Vorteil, dass das äußere, erste Gestänge 12 langsamer
laufen kann, als das innere, zweite Gestänge 22. Da der Durchmesser
des äußeren Gestänges naturgemäß deutlich
größer ist
als der des inneren Gestänges,
würde eine
Rotation mit der gleichen Drehzahl dazu führen, dass die Relativgeschwindigkeit
des untersten Teilbereiches der beiden Gestänge relativ zum Boden, also
dort, wo durch Reibung die eigentliche Bohrung stattfindet außen wesentlich
größer ist
als innen. Dies ist keineswegs optimal, sinnvoller ist statt dessen
eine ungefähr
gleichgroße
Geschwindigkeit, gemessen in Strecke pro Zeiteinheit, also beispielsweise
in Meter pro Sekunde.
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Eine
Abweichung von bis zu 20 % kann aus verschiedenen Gründen noch
sinnvoll sein, ist aber mittels der Erfindung ohne Weiteres einstellbar.
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Die
beiden Gestänge 12 und 22 sind
bevorzugt auch axial relativ zueinander verschiebbar. Dies betrifft
nicht nur den Moment, in dem eines dieser beiden Gestänge, nämlich das äußere erste
Gestänge 12,
festgesetzt und nicht mehr weiter in die Tiefe getrieben wird, sonder
auch Momente, in denen es zu Ver klemmungen beim Bohrvorgang kommt,
etwa auf Grund besonders großer
oder fest zusammenhaltender Gesteinsbrocken. Dann ist es in der
Bohrpraxis sehr von Vorteil, eines der beiden Gestänge 12, 22 wieder über eine
gewisse Strecke aufwärts
fahren und so Verklemmungen freigeben zu lassen, bevor der Bohrvorgang
fortgesetzt wird.
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Das
Bohrgut wird im Ringraum zwischen dem Innenrohr beziehungsweise
zweitem Bohrgestänge 22 und
dem Außenrohr
beziehungsweise erstem Bohrgestänge 12 nach
oben geführt,
solange das Außenrohr
mitgeführt
wird. Ansonsten wenn das Außengestänge 12 nicht
mehr weiter in die Tiefe mitgeführt
wird, bildet die Bohrlochwandung und das Innenrohr den Ring-Raum.
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- 11
- erster
Antrieb
- 12
- erstes
Bohrgestänge
- 21
- zweiter
Antrieb
- 22
- zweites
Bohrgestänge
- 31
- Konsole
- 32
- Spülanschlüsse