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Die
Erfindung betrifft eine Senkrechtbohranlage, insbesondere für Tiefbohrungen
zum Erschließen
von Gas- und Erdöllagerstätten und
zur Nutzung der Erdwärme
aus einem Bohrturm, einem am Bohrturm geführten Bohrkopf und einer am
Bohrkopf angreifenden Vorschubeinrichtung.
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Eine
derartige Senkrechtbohranlage der DrillTec Gut GmbH ist im Internet
als DrillTec Vertical Rig beschrieben. Auf einem Grundrahmen befindet sich
eine Aufnahme für
eine Keilvorrichtung zum Abhängen
des Gestänges
und die Arbeitsplattform. Die Preventereinheit ist in einem betonierten
Keller untergebracht. Der Grundrahmen ist auf der Rückseite
auf einem Balkenfundament gelagert. Der Bohrmast weist Parallelführungen
für einen
Bohrkopf auf, der sich mittels eines Hydraulikmotors, der an zwei
seitlich am Bohrmast angeschweißten
Zahnstangen angreift, senkrecht am Bohrmast bewegen lässt. Mittels Antriebseinheiten
für den
Bohrkopf lässt
sich das Bohrgestänge
antreiben. Bei vertikaler Aufstellung werden am Heck zwei Diagonalstreben
angebracht, die mit dem Bohrmast und dem Grundrahmen verbolzt werden.
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Diese
bekannte Senkrechtbohranlage soll Tiefen bis zu 3000 m erreichen,
so dass das Bohrgestänge
bei dieser Länge
ein so großes
Gewicht aufweist, dass es nicht auf der Bohrkrone lasten darf, so dass
ein Teil des Gewichts des am Bohrkopf hängenden Bohrgestänges über die
Zahnstangen am Bohrmast abgefangen werden muss. Hierzu werden Bremsen
benötigt,
die als Lamellenbremsen ausgebildet sind und wegen der großen Massen
einem großen
Verschleiß unterliegen
und somit eine häufige Wartung
erfordern.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Senkrechtbohranlage
der eingangs erwähnten Art
so auszustatten, dass keine Bremsen am Bohrkopf benötigt werden.
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Ausgehend
von dieser Aufgabenstellung wird an einer Senkrechtbohranlage der
eingangs erwähnten
Art vorgeschlagen, die am Bohrkopf angreifende Vorschubeinrichtung
als hochhubige Hydraulik-Kolben-Zylinder-Einheit auszubilden, deren
Hub mindestens der Länge
eines üblichen
Bohrgestängeelements
entspricht.
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Derartige
Hydraulik-Kolben-Zylinder-Einheiten erlauben es, bei entsprechender
Bemessung und entsprechendem Druck sehr große Kräfte auszuüben, so dass es möglich ist,
das gesamte Gewicht des Bohrgestänges
bis in größte Tiefen
aufzunehmen und kontrolliert absinken zu lassen, ohne dass die Bohrkrone übermäßig durch
das Bohrgestängegewicht
belastet wird. Hierzu genügt
es, die Hydraulikflüssigkeit
aus der Hydraulik-Kolben-Zylindereinheit kontrolliert abfließen zu lassen
und dabei einen Druck in der Hydraulik-Kolben-Zylinder-Einheit einzustellen,
der das Gewicht des Bohrgestänges
bis auf einen zulässigen
Rest für
die Belastung der Bohrkrone kompensiert. Da hierbei die Bremsenergie durch
die erwärmte
Hydraulikflüssigkeit
abgeführt wird,
tritt in den mechanischen Elementen keinerlei Verschleiß auf.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform kann
die Vorschubeinrichtung aus wenigstens zwei parallelen, aneinander
befestigten Zylindern, aus denen die zugehörigen Kolbenstangen in entgegengesetzter
Richtung ausfahrbar sind, bestehen.
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Wenn
beide Zylinder und die darin befindlichen Kolben denselben Durchmesser
aufweisen, sind die durch die in entgegengesetzter Richtung ausfahrbaren
Kolbenstangen erzeugten Kräfte
entgegengesetzt gleich und die beiden parallelen Hydraulik-Kolben-Zylinder-Einheiten
lassen sich präzise
hinsichtlich der Aus- und Einfahrgeschwindigkeit sowie der entwickelten
Kräfte
steuern.
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Um
Kippmomente zu vermeiden, kann die Vorschubeinrichtung aus wenigstens
drei parallelen, aneinander befestigten Zylindern, aus denen ein Paar
Kolbenstangen parallel in eine Richtung und eine Kolbenstange in
entgegengesetzter Richtung ausfahrbar sind, bestehen, wobei die
Summe der Flächen
der Kolben des einen Paares Kolbenstangen gleich der Fläche des
Kolbens der in entgegengesetzter Richtung ausfahrbaren Kolbenstange
ist und die dadurch entwickelten Kräfte gleich sind.
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Bevorzugterweise
können
die drei Zylinder in einer Ebene und der Zylinder mit dem größeren Durchmesser
mittig angeordnet sein.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform kann
die Vorschubeinrichtung aus zwei konzentrisch ineinander angeordneten
Zylindern, einem im äußeren Zylinder
als Ringkolben mit der gleichen wirksamen Fläche wie der Kolben im inneren
Zylinder, deren Kolbenstangen in entgegengesetzte Richtungen ausfahrbar
sind, bestehen. Bei dieser Ausführungsform
verlaufen die Kolbenstangen koaxial, so dass keine Kippmomente auftreten
können.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
der Vorschubeinrichtung kann an der Kolbenstange oder am Zylinder
der Hydraulik-Kolben-Zylinder-Einheit eine Umlenkrolle angeordnet
sein, über
die ein Seil oder eine Kette geführt
ist, deren eines Ende am Bohrkopf und deren anderes Ende am Zylinder
oder am Bohrmast befestigt ist.
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Schließlich kann
die Vorschubeinrichtung auch als Teleskop-Hydraulik-Kolben-Zylinder-Einheit ausgebildet
sein.
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Alle
vorerwähnten
Ausführungsformen
weisen den Vorteil auf, dass der Hub der einzelnen Kolbenstangen
der Hydraulik-Kolben-Zylinder-Einheiten nur etwa der halben Länge eines
Bohrgestängeelementes
entsprechen muss, da sich die Hübe
der parallelen, entgegengesetzt ausfahrbaren Kolbenstangen addieren
oder durch die Umlenkrolle bzw. die Teleskop-Hydraulik-Kolben-Zylinder-Einheit
eine Hubverdoppelung erreicht wird. Dies bedeutet, dass der Hub
der Hydraulik-Kolben-Zylinder-Einheit
mindestens 7,5 m beträgt,
wenn eine Normlänge
eines Bohrgestängeelements
von 15 m zu Grunde gelegt wird.
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Der
Bohrmast kann vorzugsweise aus quer versteiften parallelen Trägern bestehen,
die Parallelführungen
für den
Bohrkopf bilden, wobei vorzugsweise je eine Hydraulik-Kolben-Zylinder-Einheit
an je einem der parallelen Träger
angeordnet ist und beide parallel und symmetrisch am Bohrkopf angreifen.
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Um
ein Ausknicken der Hydraulik-Kolben-Zylinder-Einheiten unter Last
zu vermeiden, können
die Kolbenstangen bzw. die Zylinder an den parallelen Trägern geführt sein.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand mehrerer Ausführungsformen des Näheren erläutert. In
der Zeichnung zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Senkrechtbohranlage;
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2 eine
Vorderansicht der Senkrechtbohranlage gemäß 1 mit bis
in die unterste Stellung gefahrenem Bohrkopf;
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3 eine
Seitenansicht der Senkrechtbohranlage gemäß 2;
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4 eine
Vorderansicht der Senkrechtbohranlage gemäß 1 mit in
die Höchststellung aufgefahrenem
Bohrkopf;
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5 eine
Seitenansicht der Senkrechtbohranlage gemäß 4;
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6 eine
vergrößerte, perspektivische
Darstellung eines im Bohrmast geführten Bohrkopfes;
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7 eine
schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform einer Vorschubeinheit;
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8 eine
um 90° gedrehte
Ansicht der Vorschubeinrichtung gemäß 7;
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9 eine
schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer Vorschubeinrichtung,
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10 eine
schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform einer Vorschubeinrichtung,
teilweise im Schnitt,
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11 eine
schematische Ansicht einer vierten Ausführungsform einer Vorschubeinrichtung
und
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12 eine
schematische Ansicht einer fünften
Ausführungsform
einer Vorschubeinrichtung.
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Aus 1 bis 5 ist
die allgemeine Anordnung der erfindungsgemäßen Senkrechtbohranlage ersichtlich.
Die Senkrechtbohranlage weist einen auf einer Bohrplattform 2 kippbar
angeordneten Bohrmast 1 auf. Die Bohrplattform 2 ist
auf parallelen, aufeinander gestapelten Normcontainern angeordnet.
Neben ihrer Aufgabe als Strukturelemente dienen die Containerstapel 3, 4 als
Magazinlager, Wassertank und zur Aufnahme von Kühl- und Hydraulikaggregaten.
Die Anzahl der aufeinander gestapelten Container wird bestimmt durch
die Höhe
eines üblicherweise
dazwischen angeordneten Eruptionsschiebers 34 (Blow-out
Preventer) und der Länge
der Bohrgestängeelemente.
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Der
Bohrmast 1 besteht aus parallelen Trägern 6, die mittels
einer oder mehrer Querversteifungen 7 untereinander verbunden
sind. Teleskopstützen 8 halten
den Bohrmast 1 senkrecht oder unter einem einstellbaren,
wenig von der Senkrechten abweichenden Winkel gegenüber der
Bohrplattform 12.
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An
den Trägern 6 ist
ein Bohrkopf 5 mittels Führungsrollen 13, 14 geführt. Der
Bohrkopf 5 weist einen bekannten und im Einzelnen nicht
beschriebenen Drehantrieb für
das Bohrgestänge 11 auf.
Am Bohrkopf 5 greift eine Vorschubeinrichtung an, die im in 1 bis 5 und 7, 8 dargestellten Ausführungsbeispiel
aus je einem Paar Hydraulik-Kolben-Zylinder-Einheiten 9, 10 besteht,
die an den parallelen Trägern 6 geführt sind.
In jedem der parallelen Träger 6 sind
zwei parallele Zylinder 9 angeordnet, während Kolbenstangen 10 in
entgegengesetzter Richtung ausfahrbar sind. Die nach oben ausfahrbaren
Kolbenstangen 9 greifen am Bohrkopf 5 an, während die
nach unten ausfahrbaren Kolbenstangen 9 im Bereich der
Unterfläche
des untersten Containers der Containerreihen 3, 4 angreifen.
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Die
parallelen Zylinder 9 sind aneinander befestigt und mittels
Führungsrollen 15 an
den parallelen Trägern 6 geführt. In
der in den 2 und 3 dargestellten
Stellung sind die Kolbenstangen 10 vollständig in
die Zylinder 9 eingefahren und der Bohrkopf 5 befindet
sich in seiner untersten Stellung auf Höhe der Bohrplattform 2.
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In
der in den 4 und 5 sowie 7 und 8 dargestellten
Stellung sind die Kolbenstangen 9 vollständig und
in entgegengestetzter Richtung aus den Zylindern 9 ausgefahren,
wodurch der Bohrkopf in seine höchste
Stellung nahe der Querversteifung 7 gelangt. In dieser
Stellung lässt sich
ein Bohrgestängeelement
zur Verlängerung
des Bohrgestänges 11 ansetzen
oder abnehmen. Dieser Vorgang ist allgemein bekannt und braucht
nicht im Einzelnen beschrieben zu werden.
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Die 1 zeigt
den Bohrkopf 5 in einer mittleren Stellung, beispielsweise
während
eines Bohrvorganges. Hierbei werden die Hydraulik-Kolben-Zylinder-Einheiten 9, 10 mit
Hydraulikflüssigkeit
und einem solchen Druck beaufschlagt, dass auf die im Bohrloch befindliche
Bohrkrone am Bohrgestänge 11 eine
vorgegebene Belastung aufgebracht wird. Solange das Bohrgestänge 11 noch
sehr kurz ist, kann durch die Hydraulik-Kolben-Zylinder-Einheiten 9, 10 eine
zusätzliche
Druckkraft aufgebracht werden, während
bei bereits sehr langen Bohrgestängen,
das heißt
sehr tiefen Bohrungen, ein großer
Teil des Bohrgestängegewichts
durch die Hydraulik-Kolben-Zylinder-Einheiten 9, 10 durch
Druckbeaufschlagung derselben abgefangen wird, so dass auch in diesem
Fall nur die vorgegebene Belastung auf der Bohrkrone gegeben ist
und der Bohrkopf mit einer einstellbaren Geschwindigkeit absinkt.
Dies geschieht durch in den Hydraulikleitungen für die Hydraulik-Kolben-Zylinder-Einheiten 9, 10 angeordnete Durchfluss-
und Druckregelventile, die verschleißlos arbeiten und nur zu einer
Erwärmung
der Hydraulikflüssigkeit
führen.
Diese Wärme
lässt sich
in entsprechenden Kühlaggregaten
problemlos abführen.
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Während bei
der Ausführungsform
gemäß 1 bis 5 und 7, 8 zwei
Zylinder 9 parallel nebeneinander angeordnet und aneinander
befestigt sind, so dass die nach oben und nach unten austretenden
Kolbenstangen 10 einen dem Zylinderdurchmesser entsprechendem
Versatz aufweisen, der am Bohrkopf 5 und/oder an den Zylindern 9 ein Kippmoment
verursacht, lässt
sich ein solches Kippmoment bei den Ausführungsformen gemäß 9 bis 12 vermeiden.
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Bei
der Ausführungsform
gemäß 9 sind drei
Zylinder 16, 17 parallel zueinander und in einer Ebene
aneinander befestigt. Die Innendurchmesser der Zylinder 16, 17 und
der entsprechenden, an den Kolbenstangen 18, 19 befestigten
Kolben sind so gewählt,
dass die auf die Kolbenstangen 18 wirkenden Kräfte gleich
der auf die Kolbenstange 19 wirkenden Kraft ist, das heißt die Kolbenflächen verhalten
sich wie 1:2.
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Bei
der Ausführungsform
gemäß 10 sind
die Zylinder 20, 21 konzentrisch zueinander angeordnet,
wobei im inneren Zylinder 20 ein Kolben 22 mit
einer Kolbenstange 23 in üblicher Weise angeordnet ist,
während
zwischen dem inneren Zylinder 20 und dem äußeren Zylinder 21 ein
Ringkolben 24 angeordnet ist, und aus dem Ringraum zwischen dem
inneren Zylinder 20 und dem äußeren Zylinder 21 ein
Kolbenstangenrohr 25 herausgeführt ist. In diesem Fall sind
die Kolbenflächen
des Kolbens 22 und des Ringkolbens 24 gleich,
so dass auf die Kolbenstange 23 und auf das Kolbenstangenrohr 25 gleich
große,
entgegengesetzte Kräfte
wirken. Auch in diesem Fall sind wie bei den Ausführungsformen gemäß den 7, 8, 9 Führungsrollen 15 oder
analoge Führungselemente
angebracht, die eine Führung
des äußeren Zylinders 21 an
den parallelen Trägern 6 bewirken
und eine Sicherung gegen Ausknicken der Hydraulik-Kolben-Zylinder-Einheit 20, 21, 22, 23, 24, 25 bewirken.
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Die
Ausführungsform
gemäß 11 besteht aus
einer Teleskop-Hydraulik-Kolben-Zylinder-Einheit
aus einem Zylinder 26, einer Ringkolbenstange 27,
deren Ende mittels Führungsrollen 15 oder
analogen Elementen an den parallelen Trägern 6 geführt ist
und einer weiteren Kolbenstange 28, die am Bohrkopf 5 angreift.
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Schließlich ist
in 12 noch eine Ausführungsform dargestellt, die
aus einem Zylinder 29 und einer Kolbenstange 30 besteht,
wobei am Ende der Kolbenstange 30 eine Umlenkrolle 31 angebracht
ist, über
die ein Seil oder eine Kette 32 geführt ist. Das eine Ende des
Seils oder Kette 32 ist am Bohrkopf 5 befestigt,
während
das andere Ende am Zylinder 29, wie dargestellt, befestigt
ist oder auch beliebig am Bohrmast 1 befestigt sein kann.
Das Ende der Kolbenstange 30 mit der Umlenkrolle 31 ist
mittels Führungsrollen 15 oder
analogen Elementen an den parallelen Trägern 6 geführt.
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Sämtliche
Ausführungsformen
gemäß 7 bis 12 ergeben
gegenüber
der Länge
der Zylinder 9, 16, 17, 20, 21, 26, 29 der
Hydraulik-Kolben-Zylinder-Einheiten eine Hubverdoppelung, wodurch sich
die Bauhöhe
der Senkrechtbohranlage erheblich vermindern lässt und sich für eine Länge eines
Bohrgestängeelements
von 15 m eine Bohrmasthöhe
von etwa 17,5 m und eine Gesamthöhe
einschließlich Container 3, 4 von
etwa 25 m ergibt, während
die Länge
der Zylinder 9, 16, 17, 20, 21, 26 und 29 sowie der
zugehörigen
Kolbenstangen 10, 18, 19, 23, 25, 27, 28, 30 und
deren Hub nur etwa 7,5 m beträgt.
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Bei
allen Ausführungsformen
lassen sich das Absenken des Bohrgestänges 11 und die auf
die damit verbundene Bohrkrone wirkende Kraft verschließfrei und
mit einfachen Mitteln einstellen.