DE102007008373A1

DE102007008373A1 - Verfahren und Einrichtung zur Erzeugung von tiefen Bohrungen

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Publication number: DE102007008373A1
Application number: DE200710008373
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-02-16
Filing date: 2007-02-16
Publication date: 2008-08-28

Abstract

Verfahren und Einrichtung zur Erzeugung von tiefen Bohrungen in erdigen, steinigen und/oder felsigen Untergründen mit Hilfe eines Bohrsystems, ausgerüstet mit einem eigenen Antrieb am Bohrkopf, einer Energieversorgung, einer flexiblen Spül- und Versorgungsleitung dadurch gekennzeichnet, dass das Bohrsystem den Bohrprozess selbstständig überwacht und die Bohrparameter den Bohrbedingungen anpasst und/oder ein eigenes Vortriebs- und Haltesystem besitzt, das den optimalen Anpressdruck des Bohrers auf die zu bohrende Fläche generiert, und/oder dass eine Bohrlochabstützung während des Bohrprozesses generiert wird.

Description

Stand der Technik
Für die Herstellung von Tiefbohrungen zur Exploration von Bodenschätzen (Erdöl, Erdgas, geothermische Bohrungen) werden verschiedene Verfahren angewandt. Die gebräuchlichste Art der Bohrungen geschieht über einen Bohrkopf, der über Bohrgestänge angetrieben wird. In einem Bohrturm werden Rohre miteinander verschraubt. Ein im Bohrturm befindlicher Antrieb bringt das erforderliche Drehmoment über diese Rohre zum Bohrkopf, der mit Hilfe von rotierenden Meisseln den Boden im Bohrloch aufbricht. Durch die Rohre wird Spülflüssigkeit unter Druck zum Bohrer transportiert. Diese hat die Aufgabe, den Bohrer zu kühlen und das aufgebrochene Bohrklein an die Oberfläche zu spülen. Dort wird das Bohrklein abgefiltert. Das gereinigte Spülmedium wird wieder in das Bohrloch gepumpt.
Neben dieser Bohrmethode hat sich ein neues Verfahren behauptet, dass ohne das klassische Bohrgestänge arbeitet: Das COIL TUBING Verfahren. Das Gestänge ist durch ein mehrere hundert Meter langes elastisches Stahlrohr ersetzt, das auf einer großen Trommel aufgewickelt ist. Durch dieses Rohr wird Spülflüssigkeit mit hohem Druck gepresst. Damit wird ein hydraulischer Motor angetrieben, der den Bohrkopf antreibt. Das entspannt austretende Spülwasser dient zur Austragung des Bohrkleins aus dem Bohrloch.
Aktuelle Entwicklungen setzen Elektromotoren zum Bohren ein. Der Elektromotor wird über eine koaxial angeordnete rohrförmige Leitung versorgt, in deren Mitte die Spülflüssigkeit läuft.
In etwa 800–1000 m Tiefe wird das Bohrloch abgesetzt. Der Bohrer wird an der Leitung aus dem Bohrloch gezogen. In das Bohrloch wird ein Stahlrohr eingebracht um dieses abzustützen und Erosion an der Bohrwand zu verhindern. Mit einer Zementmischung wird das Bohrloch hinterfüttert und damit stabilisiert. Mit einem entsprechend kleineren Bohrer kann nach diesem Arbeitsgang weitergebohrt werden.
Mit im Schnitt 3–4 Absetzungen wird ein Bohrloch in eine Tiefe von etwa 3000 m vorangetrieben. Der erste Durchmesser kann dabei bis zu 800 mm betragen; der letzte liegt bei ca. 200 mm
Je nach Bodenbeschaffenheit ändern sich das Material und die Geometrie des Bohrkopfes. Es wird sowohl mit schlagenden als auch mit drehenden Werkzeugen gearbeitet.
Nachteile des Standes der Technik
Die abgesetzte Bohrung erfordert einen unverhältnismäßig hohen Aufwand an Bohrleistung, da deutlich mehr Grundmaterial zerkleinert und ausgebracht werden muss. Bei einem Bohrloch ohne Absetzung kann die Menge an auszubringendem Material in etwa um den Faktor 6–8 reduziert werden. In ähnlicher Weise wirkt sich diese Tatsache auf Bohrleistung und Bohrkosten aus.
In der Regel wird mit konstanter Geschwindigkeit und Drehzahl gebohrt. Der Anpressdruck, der aus dem Gestängegewicht und dem Eigengewicht des Bohrkopfes resultiert, kann nur begrenzt am Bohrturm gesteuert werden.
Für unterschiedliche Bodenformationen (weicher Sandstein bis harter Granit) werden unterschiedliche Bohrkronen angeboten. Bei Veränderung der Bodenbeschaffenheit muss die Anlage ausgebaut werden, um die Bohrkrone zu wechseln. Das Ein- und Ausfahren des Bohrers nimmt erheblichen Zeitaufwand in Anspruch.
Der Wechsel der Bodenbeschaffenheit wird über das ausgebrachte Bohrklein optisch festgestellt. Bis die Information vom Boden des Bohrloches bis zur Filteranlage durchgedrungen ist, wird mit einem ungeeigneten Bohrwerkzeug gebohrt. Frühzeitiger Verschleiß und Beschädigungen an der Bohrkrone sind dadurch vorhanden.
Aufgabenstellung
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist daher ein Verfahren und eine Vorrichtung, Bohrungen ohne Absetzungen über möglichst viele verschiedene Gesteinsschichten hinweg mit Hilfe von intelligenten Bohreinrichtungen zu realisieren, die während des Bohrprozesses eine haltbare Abstützung an der Bohrwand generieren.
Lösung der Aufgabe
Die Lösung der Aufgabe wird mit einem neuartigen Bohrsystem realisiert, das in der Lage ist Drehzahl, Anpressdruck, Drehmoment Schlagimpuls und Schlagfrequenz dem zu bearbeitenden Untergrund so anzupassen, das eine optimale Bohrgeschwindigkeit bei minimalem Bohrkopfverschleiß erzielt wird. Darüber hinaus ist die Bohreinrichtung in der Lage, während des Bohrvorganges eine Bohrlochabstützung entweder selbst zu erzeugen oder vorgeformte Bleche mit in das Bohrloch zu schleppen, die ihrerseits das Bohrloch permanent abstützen.
Das Bohrsystem besteht in der Regel aus 5 Funktionsbaugruppen:

– ein leistungsstarker Elektro- oder Hydraulikmotor (mud motor) mit wahlweise einem geeigneten regelbaren Getriebe oder Frequenzumrichter. Der Motor wird entweder über eine geeignete Spannungsversorgung mit Starkstrom versorgt, oder über die Druckspülung angetrieben, die vorzugsweise über eine flexible Schlauchverbindung realisiert wird. Über ein geeignetes Wandlergetriebe lässt sich Drehzahl und Drehmoment stufenlos steuern.
– einer Vorschub- und Zentriereinheit, welche die Bohreinrichtung verspannen kann. Diese Einheit besteht aus 2 Elementen, die abwechselnd das gesamte Bohrsystem verspannen und den Vorschub generieren. Die Zentriereinheiten werden vom Navigationssystem angesteuert und erlauben dem Bohrsystem Richtungskorrekturen
– einem Bohrkopf, der die äußere Bohrkrone verstellen kann. Durch die Generierung der Abstützung muss der Kronendurchmesser veränderbar sein, da das Bohrsystem sonst mit der Abstützung beim Zurückfahren kollidieren würde. Der Bohrkopf ist mit einer Mechanik ausgerüstet, die sowohl drehende als auch schlagende Prozesse erlaubt. Darüber hinaus erlaubt das Reflexionsverhalten des Bohrkopfes auf unterschiedlichen Untergründen Rückschlüsse auf das abzutragende Material.
– einer Auswerte – und Regelelektronik mit integriertem Navigationssystem. Diese Einrichtung erfasst alle relevanten Messdaten, die für einen optimalen Bohrfortschritt erforderlich sind. Sie generiert Steuersignale, die die Aktuatoren für Vortriebsrichtung und – Geschwindigkeit ansteuern. Über geeignete Telemetrieeinrichtungen werden die Prozessdaten an die Oberfläche übertragen.
– einer Einrichtung zum Generieren einer Bohrwandabstützung. Zweckmäßigerweise werden Zemente und/oder 2 K Kunststoffe über Versorgungsleitungen in geeignete Speicher am Bohrsystem gepumpt und über Misch- und Dosiereinrichtungen auf die Bohrwand aufgetragen. Mit geeigneten Abstreifern wird die Masse auf der Bohrwand verpresst und härtet aus. Für die meisten Applikationen ist diese Form der Bohrwandabstützung ausreichend. Alternativ dazu bietet sich die Möglichkeit, die Bohrwand mit einer Stahlblechkonstruktion abzustützen. Dazu wird ein vom Coil gewickelter und gerundeter Streifen am Bohrsystem formschlüssig befestigt und mit in das Bohrloch gezogen.

Vorteile der Erfindung
Mit der genanten Erfindung ergeben sich eine Reihe von Möglichkeiten, etablierte Bohrprozesse kostengünstiger, effizienter und umweltverträglicher zu gestalten:

a. Durch den Wegfall der Abstufungen im Bohrloch lässt sich das zu entfernende Volumen auf etwa 1/5 der ursprünglichen Menge reduzieren. In gleicher Weise reduziert sich damit die Zerspanungsleistung, der benötigte Energieeinsatz und die Abraummenge.
b. Die Bohrplatzvorbereitung wird deutlich einfacher. Das erforderliche Rigg zur Aufnahme der Versorgungseinrichtungen ist deutlich kleiner und leichter. Es kann auf eine zementierte Befestigung für die Aufstellung eines Bohrturmes gänzlich verzichtet werden.
c. Durch die Verwendung von Bohrerintelligenz ist eine dem Untergrund angepasste Prozessregelung möglich. Ein deutlich schnellerer Bohrfortschritt bei reduziertem Verschleiß ist zu erwarten.
d. Der Bohrkopfwechsel beschränkt sich auf verschleißbedingte Abnutzung. Häufiges und zeitraubendes Ein- und Ausfahren des Bohrsystems kann entfallen.
e. Die Technologie erlaubt ein Bohren auch in dicht besiedeltem Gebiet. Das Bohrgeräusch wird unter Tage erzeugt. Die Lärmbelastung kann auf ein Minimum reduziert werden. Aufwändige Schallisolierungen sind nicht nötig.
f. Die Versorgungseinheit muss nicht in unmittelbarer Nähe des Bohrplatzes positioniert sein. Die Kreisläufe können über Versorgungsleitungen angeschlossen werden.
g. Erste Kostenrechnungen haben ergeben, dass sowohl eine Verkürzung der Bohrzeit von deutlich über 50% realistisch ist, als auch eine Reduktion der Bohrkosten um über 60% sehr wahrscheinlich sind. Damit wird insbesondere der Ansatz der geothermischen Tiefenanbindung an größere Verbraucher mit Abnahmeleistungen von ca. 1 Megawatt sehr attraktiv.

Weiterbildungen und Ausgestaltungen
Für das erfindungsgemäße Bohrsystem werden hier 2 Hauptmerkmale beschrieben:

a. Eine Vorrichtung, die in der Lage ist, während des Bohrprozesses eine Stützkonstruktion für die Bohrwand zu generieren und zusammen mit dem Bohrsystem in das Bohrloch zu bewegen.

Über eine Versorgungsleitung werden Spezialzemente in einen ringförmig angeordneten Verteiler gepumpt, der direkt hinter der Antriebseinheit platziert ist. Über eine ringförmig angeordnete Zentriereinrichtung, die sich mit dem Bohrsystem schwimmend bewegt wird der Zementeintrag gleichmäßig in die Bohrwand gepresst und durch die Vertikalbewegung der Zentriereinrichtung mit Abstreifern glatt gezogen. Die Aushärtezeit ist so auf die Länge der Zentriereinrichtung eingestellt, dass das Material nicht mehr durch die vorbeiströmende Bohrspülung ausgewaschen werden kann. Zur Verbesserung der Stabilität und zur Vergrößerung der Oberfläche kann eine gezahnte oder gewellte Struktur über die Abstreifer generiert werden.
Alternativ zur Zementverfüllung kann die Stützkonstruktion auch mit 2 K Kunststoffen gestaltet werden, die über Mischdüsen die Komponenten in die Ringkanäle leiten Vorteilhaft ist hier der Einsatz von Tanks, die Schwankungen im Materialverbrauch, der insbesondere bei zerklüfteten Wänden auftritt besser ausgleichen können. Die beiden Kunststoffe sind so eingestellt, dass ein Aushärten synchron mit dem Vorschub erfolgt. Denkbar ist auch die Verwendung von zähflüssig eingestellten Kunststoffen, die weniger leicht in Klüfte entweichen und durch ihre besondere Duktilität eine geschlossene Kunststoffoberfläche gewährleisten.
Als besonders vorteilhafte Ausgestaltung ist eine Lösung zu sehen, die die Möglichkeit bietet, die Bohrwand mit beispielsweise einer Stahlblechkonstruktion abzustützen. Dazu wird ein vom Coil gewickelter und durch einen Zentrierring rund gebogener Streifen so mit einer Schweißnaht versehen, sodass ein Rohr entsteht. Eine geeignete Schweißeinrichtung erzeugt kontinuierlich eine Längsnaht im Rohr. Der Anfang des auf diese Weise entstandenen Rohres wird am Bohrsystem formschlüssig befestigt. Das Rohr wird mit der Vertikalgeschwindigkeit des Bohrsystems in das Bohrloch bewegt. Ebenso kann anstatt Blech Kunststoff verwendet werden.
Die Blechrohrkonstruktion kann auch dadurch erzeugt werden, dass der Coil kreisförmig um einen Zentrierdorn unter Neigung abgewickelt und zu einem Rohr verschweißt wird. Dabei dreht sich Wickel- und Schweißvorrichtung langsam um den Zentrierdorn, während sich das Rohr wird mit der Vertikalgeschwindigkeit des Bohrsystems in das Bohrloch bewegt.

b. Eine Vorrichtung, die ein Bohrsystem mit Hilfe eines intelligenten Bohrkopfes einerseits den Bohrprozess optimiert, anderseits den Vorschub und die Richtung des Bohrsystems auf die Umgebungsbedingungen anpasst.

Elektromotoren lassen sich heute in idealer Weise für den geplanten Bohrprozess herstellen. Bei entsprechender Baulänge lassen sich sehr schlanke Bauformen mit hohen Drehmomenten verwirklichen. Sie werden mit Wasser oder besser mit der Bohrspülung gekühlt. Sie lassen sich mit Drehstrom bis 1000 V betreiben. Ein Frequenzumrichter regelt die Geschwindigkeit. Ein Getriebevorsatz vergleichbar mit dem einer Schlagbohrmaschine ist sinnvoll, um auch bei niederen Drehzahlen hohe Drehmomente zu generieren.
Motoren (Mud Motors) werden über die Druckspülung angetrieben. Sie sind aber nur bedingt regelbar, was dem geplanten Bohrsystem entgegensteht. Besser ist hier eine Kombination aus Mud Motor, der als Generator arbeitet, und einem hydraulischen Wandler, der sich in geeigneter Weise regeln lässt. Über ein Wandlergetriebe können Drehzahl und Drehmoment am Bohrkopf stufenlos gesteuert werden. Drehende und schlagende Vortriebsprozesse sind miteinander kombinierbar. Es lassen sich Hydraulikkomponenten nach dem Stand der Technik einsetzen und für den jeweiligen Anwendungsfall modifizieren.
Aus dem Mud Motor Antrieb steht hydraulische Energie auch für die Vorschub- und Zentriereinheit zur Verfügung. Diese regelt den Vorschub nach den Vorgaben der Bohrkopfregelung. Zentrierung und Richtung werden vom Navigationssystem vorgegeben und mit der Richtungsregelung geregelt. Im einfachsten Fall ist dies ein 2 achs- gelagertes und gedämpftes Pendel nach dem Stand der Technik. Komplexere Lösungen lassen sich mit Hilfe von Kreiselplattformen realisieren, die ein gerichtetes Bohren nach vorgegebenen Bohrpfaden zulassen. Der Vortrieb wird dadurch ermöglicht, dass mindestens 2 Vorschub- und Zentriereinheiten im Wechsel verspannt werden bzw. die gesamte Bohreinrichtung vorantreiben. Während die erste Vorschub- und Zentriereinheit sich im Bohrloch durch Ausfahren geeigneter Krallen verankert sorgt die 2. Vorschub- und Zentrereinheit für den hydraulisch betätigten Vorschub.
Der Bohrkopf muss so gestaltet sein, dass beim Zurückfahren des Bohrsystems eine Kollision mit der Abstützung der Bohrwand ausgeschlossen ist. Dazu bietet der Stand der Technik verschiedene Lösungen an. Beispielsweise Klauen, die beim Drehen ausfahren und im Stillstand einklappen. In der Regel ist die äußere Bohrkrone nach hinten versetzt angeordnet, wodurch eine Art Vorbohrer entsteht, der durch die vordere Bohrkrone gebildet wird. Mit der versetzt angeordneten Bohrkrone wird das Bohrloch quasi erweitert. Es bietet sich auch an, innere und äußere Bohrkrone wechselweise und/oder getrennt anzutreiben, wie bereits nach dem Stand der Technik beschrieben. Entscheidend ist aber die Erfassung der Beschleunigung des Bohrkopfes, sei es direkt über Beschleunigungsaufnehmer im Bohrkopf oder indirekt über Messung der Druckschläge im Übertragungsmedium. Das Reflexionsverhalten des Bohrkopfes gibt Aufschluss auf die Härte des Untergrundes und erlaubt Rückschlüsse auf das abzutragende Material. Die Bohrparameter: Vorschub, Drehzahl und Schlagfrequenz lassen sich darauf abstimmen und ermöglichen einen optimalen Bohrfortschritt.
Die Auswerte- und Regelelektronik mit integriertem Pendel/Navigationssystem wird vorzugsweise generatorisch über den Mud Motor mit Strom versorgt. Diese Einrichtung erfasst alle relevanten Messdaten, die für einen optimalen Bohrfortschritt erforderlich sind und wertet sie aus. Eingangsgrößen sind ein Beschleunigungssignal vom Bohrkopf, ein Lagesignal vom Pendel/Navigationssystem, sowie Vorschubgeschwindigkeit. Steuerbefehle von der Leitstelle auf der Baustelle werden ebenfalls verarbeitet. Die Auswerte- und Regelelektronik generiert Steuersignale für Vorschub- und Richtungsaktuatoren, Bohrkopfantrieb und Spülungsantrieb. Über geeignete Telemetrieeinrichtungen werden nach dem Stand der Technik die Prozessdaten an die Oberfläche übertragen, ausgewertet und archiviert.
Ausführungsbeispiele
Ausführungsbeispiel 1
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Bohrsystems soll ein 3000 m tiefes Bohrloch erzeugt werden. Zur Vorbereitung der Bohrung wird mit Hilfe einer herkömmlichen Erdbohreinrichtung ein ca. 5–10 m tiefes Erdloch mit einem Durchmesser von ca. 250 mm gesetzt. Nach Entfernen des Aushubes wird das Bohrsystem mit Hilfe eines Auslegekranes im Bohrloch eingesetzt.
Bild 1: Über dem Bohrloch (1) wird ein einfacher Geräteträger (2) aufgestellt und mit Bodenklammern (3) fixiert. Dieser Geräteträger zentriert und führt die Druckspülleitung (4) in einer Bremsrolle (5). Auf dem Maschinenwagen (6) wird die Druckschlauchtrommel (7) aufgesetzt. Über Schlauchstützen (8) wird die Druckspülleitung (3) mit dem erfindungsgemäßen Bohrsystem (9) verbunden.
Durch die Blechrolleninnenzentrierung (10) wird der Rücklauf der Druckspülung gesammelt und auf eine Filtereinrichtung (11), die das Bohrklein ausfiltert geleitet. Die gefilterte Bohrspülung (12) gelangt aus dem Speicher- und Klärbereich in eine Hochdruckpumpe (13) auf dem Maschinenwagen und wird von dort über die Druckspülleitung (4) dem Bohrsystem zugeführt.
Bild 2: Das erfindungsgemäße Bohrsystem (9) ist im Bohrloch eingesetzt. An einem flexiblen Mitnehmer (14) ist das Stützrohr (15) fixiert. In den Zentrierringen (16) und (17) wird mit Unterstützung der Blechrolleninnenzentrierung (10) das Blech von der Rolle (19) zu einem geschlitzten Rohr vorgeformt. Die Schweißeinrichtung (18) verbindet die beiden Blechseiten mit einer kontinuierlich erzeugten Schweißnaht. Statt der Schweißeinrichtung kann das Blech auch durch Kaltumformungsprozesse zu einem geschlossenen Rohr verquetscht werden. Insbesondere vor dem Hintergrund einer möglichen Explosionsgefahr bei Erdgasaustritt ist diese Methode sinnvoll. Im Stützrohr eingelassen sind symmetrisch angeordnete Reibräder (20), die als Gegenhalter für den Bremsantrieb (9) und als Abstützräder für Umformprozesse dienen.
Vorzugsweise kann das Blech auch durch ein Kunststoffrohr substituiert werden. Das spezifische Gewicht ist so zu wählen, dass das Rohr mit geringem Abtrieb eingelassen wird. Damit werden Gewichtskräfte auf das Bohrsystem vermieden, die insbesondere bei tiefen Bohrungen einen beträchtlichen Wert annehmen können. Durch die Auftriebskraft in der Spülung kann die Gewichtskomponente annähernd kompensiert werden. Nach der Fertigstellung des Bohrloches wird das Rohr bündig mit der Oberkante geplant und verputzt.
Bild 3: Die Druckspülleitung (4) übernimmt den Antrieb des Wandlers (21) und damit die Energieversorgung des Hydraulikbohrers (22) und der Steuerung (23). Für den Betrieb des Wandlers sind etwa 50–100 bar Druckdifferenz vorgesehen, die von der Spülpumpe (13) generiert werden müssen. Je nach Zusatzstoffen in der Spülung schwankt die dynamische Viskosität zwischen 1000 und 5000 cPs. Das Bohrklein wird vorzugsweise mit einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit von 5–10 m/s sicher ausgeschwemmt. Aus diesen Randbedingungen lassen sich Pumpenleistung und innerer Rohrquerschnitt ableiten. Die nicht unerheblichen Rohrverluste müssen mit zunehmender Tiefe durch Druckerhöhung kompensiert werden. Leitungen sind entsprechend auszulegen.
Der Vorschub des Bohrsystems wird über 2 Vorschub- und Zentriereinheiten (24 und 25) realisiert, die jeweils aus mindestens 3 Schlitten bestehen. Diese werden im Wechsel hydraulisch verspannt. Die jeweils fest verspannte Einheit hat weiterhin die Aufgabe, Winkelabweichungen beim Bohren zu korrigieren und das Bohrsystem wieder ins Lot zu stellen. Die Spannzylinder (26) können im ausgefahrenen Zustand die Lage des Bohrsystems im mm-Bereich verfahren und Abweichungen kompensieren bzw. Kurven einleiten. Die mitbewegte Einheit (25) wird nach Erreichen der Endlage aktiviert und verspannt das Bohrsystem erneut. Auf diese Weise bewegt sich das Bohrsystem schrittweise. Die Sensorik im Bohrkopf bestimmt abhängig vom Untergrund die Bohrgeschwindigkeit und damit die Schrittgeschwindigkeit.
Als Bohrantrieb ist eine drehschlagende Einheit vorgesehen, die vorzugsweise mit Spüldruck arbeitet. Zur Erhöhung der Regelmöglichkeiten ist auch ein System vorstellbar, das einen spüldruckgetriebenen Generator (21) verwendet, der seinerseits einen hydraulischen Antrieb (22) für den Bohrkopf motorisch treibt. Die Regelbreite eines hydraulisch betriebenen Systems ist einem rein durch Wasserdruck geregelten deutlich überlegen (Kavitation, Dampfdruckpunkt). Der Generator versorgt auch die Vorschub- und Zentriereinheiten (24 und 25) mit hydraulischer Energie. Elektrische Energie für die Steuerelektronik kann ebenfalls aus einem hydraulisch angetriebenen Generator, der von dem spüldruckgetriebenen Generator nach dem Stand der Technik versorgt wird, zur Verfügung gestellt werden.
Die Steuerung (23) mit integriertem Pendel/Navigationssystem ist in einem druckdichten Gehäuse untergebracht. Diese Einrichtung erfasst alle relevanten Messdaten, die für einen optimalen Bohrfortschritt erforderlich sind und wertet sie aus. Angesteuert werden:
Steilgrößen für den Vorschub: Vorschubgeschwindigkeit, Lage des Bohrsystems, Position und Verspannung der Einrichtung in der Bohrwand.
Regelgrößen für den Bohrkopf: Drehzahl, Drehrichtung, Drehmoment, Schlagfrequenz, Schlagamplitude und Schlagimpuls.
Eingangsgrößen sind ein Beschleunigungssignal vom Bohrkopf, ein Lagesignal vom Pendel/Navigationssystem, sowie Vorschubgeschwindigkeit. Steuerbefehle von der Leitstelle auf der Baustelle werden ebenfalls verarbeitet. Die Auswerte- und Regelelektronik generiert Steuersignale für Vorschub- und Richtungskorrekturaktuatoren, Bohrkopf- und Spülungsantrieb, sowie diverse Sicherheitssignale. Über geeignete Telemetrieeinrichtungen werden nach dem Stand der Technik die Prozessdaten und Bohrprotokolle an die Oberfläche übertragen, ausgewertet und archiviert.
Ausführungsbeispiel 2
Bild 4: Das erfindungsgemäße Bohrsystem (9) ist im Bohrloch eingesetzt. Um einen Zentrierdorn (10) wird ein Blechstreifen von der Rolle (27) in einem Winkel von annähernd 45° abgespult und um den Zentrierdorn geschlungen. Dort wird er formschlüssig mit der bereits abgespulten Blechlage z. B. durch Schweißen auf Stoß verbunden. Mit Bohrsystemgeschwindigkeit wird das Rohr mitgenommen und stützt das Bohrloch während des gesamten Bohrprozesses. Vorteilhaft ist eine zusätzliche Drehung des Rohres um die Langsachse während des Einbaues. Dadurch erreicht man einen Einschraubeffekt, der insbesondere bei größeren Tiefen die Belastung des Rohres reduziert Nach der Fertigstellung des Bohrloches wird das Rohr bündig mit der Oberkante geplant und verputzt. Das Rohr kann auch vorzugsweise von einer Kunststoffrolle nach gleichem Prinzip gefertigt werden. Weitere Einzelheiten über den Antrieb sind im Ausführungsbeispiel 1 dargelegt.
Ausführungsbeispiel 3
Bild 5: Eine besonders vorteilhafte Form der Bohrlochabstützung kann man dadurch erzielen, dass während des Bohrfortschrittes mit Hilfe einer Zementzufuhr (30) Spezialzemente an der Bohrwand (31) aufgetragen werden, die nach Aushärtung insbesondere lockere Gesteinsschichten (32) wirksam stützen. Über eine ringförmig angeordnete Zentriereinrichtung (33), die sich mit dem Bohrsystem schwimmend bewegt wird der Zementeintrag (34) gleichmäßig in die Bohrwand gepresst und durch die Vertikalbewegung der Zentriereinrichtung mit Abstreifern (35) glatt gezogen. Die Aushärtezeit ist so auf die Länge der Abstreifer eingestellt, dass das Material nicht mehr durch die vorbeiströmende Bohrspülung (36) ausgewaschen werden kann. Zur Verbesserung der Stabilität und zur Vergrößerung der Oberfläche kann eine gezahnte oder gewellte Struktur durch die Abstreifer generiert werden.
Bild 6: Alternativ zur Zementverfüllung kann die Bohrlochabstützung auch mit 2 Komponenten Kunststoffen gestaltet werden, die über Mischdüsen (37) die Komponenten in die Ringkanäle (38) leiten. Vorteilhaft ist hier der Einsatz von 2 Tanks (39 und 40). Damit lassen sich Schwankungen im Materialverbrauch, der insbesondere bei zerklüfteten Wänden auftritt besser ausgleichen. Die beiden Kunststoffe werden mit einem Katalysator so eingestellt, dass ein Aushärten synchron mit dem Vorschub erfolgt. Der Katalysator wird geschwindigkeitsproportional dem 2 K Gemisch zugeführt und beschleunigt mit zunehmender Menge die Aushärtung.
Denkbar ist auch die Verwendung von zähflüssig eingestellten Kunststoffen, die weniger leicht in Klüfte entweichen und durch ihre besondere Duktilität eine geschlossene Kunststoffoberfläche gewährleisten. Man kann sie durch Zugabe von Bindemitteln erzeugen, die einem der beiden Komponenten fallweise über eine Zusatzdüse (41) der Mischeinrichtung zudosiert werden, falls der Zerklüftungszustand des umgebenden Gebirges (42) dies erfordert.
Bild 7: Ein besonderes Kennzeichen des Bohrsystems besteht auch darin, dass am Bohrsystem in die zurücklaufende Spülwassersäule (43) großvolumige Rückschlagventile (44) eingebaut sind, die ein Zurückfließen des Spülwassers verhindern, falls es in offenen Klüften (46) versiegen sollte. Um den Abtransport des Bohrkleins zu gewährleisten und ein Zusetzen des Rücklaufquerschnittes zu verhindern öffnet sich dabei ein Bypass (45), der die Zirkulation aufrecht erhält. Der Bohrkopf wird dabei mit einer relativ geringen Spülwassermenge versorgt, die ausreicht, um den Bohrer zu spülen. Sobald die klüftige Zone durchbohrt ist, und der Bohrer wieder in festem Gestein arbeitet öffnet der steigende Spüldruck im Bohrkopf wieder das Rückschlagventil, und der ursprüngliche Betriebszustand wird hergestellt. Im Falle eines Tiefenwassereintritts mit Drücken, die über dem des Spülwassers liegt, wird das Spülwasser nur verdünnt. Ein Druckabfall in der Rückflussleitung, der Leitungen und Gerät schädigen könnte ist nicht zu befürchten.

Claims

Verfahren und Einrichtung zur Erzeugung von tiefen Bohrungen in erdigen, steinigen und/oder felsigen Untergründen mit Hilfe eines Bohrsystems, ausgerüstet mit einem eigenen Antrieb am Bohrkopf, einer Energieversorgung, einer flexiblen Spül- und Versorgungsleitung dadurch gekennzeichnet, dass das Bohrsystem den Bohrprozess selbstständig überwacht und die Bohrparameter den Bohrbedingungen anpasst und/oder ein eigenes Vortriebs- und Haltesystem besitzt, das den optimalen Anpressdruck des Bohrers auf die zu bohrende Fläche generiert, und/oder dass eine Bohrlochabstützung während des Bohrprozesses generiert wird.
Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrlochabstützung aus einem Blechstreifen zu einem Rohr geformt wird.
Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Blechstreifen durch Ziehringe und/oder einen rohrförmigen Ziehdorn zu einem Rohr geformt wird.
Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr mit Hilfe einer Schweißeinrichtung an der Nahtstelle dicht verschlossen wird.
Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr mit Hilfe einer Bördeleinrichtung an der Nahtstelle dicht verschlossen wird.
Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Blechstreifen spiralförmig um einen annähernd zylinderförmigen Ziehdorn in einem schrägen Winkel gewickelt wird.
Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass durch eine mitrotierende Bördel- oder Schweißeinrichtung der Stoß dicht verschlossen wird.
Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine Dosiereinrichtung, die mit dem Bohrsystem verbunden ist, während des Bohrprozesses die Bohrwand mit einem stützenden Überzug versieht.
Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinrichtung gesteuert aushärtbare Zementmischungen ausbringt, die durch eine Abstreifeinrichtung gleichmäßig an der Bohrwand verteilt werden.
Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Abstreifer die Zementbeschichtung so weit überdecken, dass eine gesicherte Aushärtung hinter den Abstreifern erfolgt und dadurch die Gefahr des Ausspülens durch das vorbeiströmende Spülmedium verhindert wird.
Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Abstreifer eine gezahnte oder gewellte Profilierung und damit eine vergrößerte Oberfläche in der Abstützung generieren.
Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Zementmischung in einem mit Rühreinrichtung ausgestatteten Speicher zwischengespeichert wird, um Schwankungen bei der Materialzufuhr als auch beim Materialverbrauch zu kompensieren.
Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher über eine Versorgungsleitung mit Frischmaterial versorgt wird.
Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Überzug aus Kunststoff besteht, der aus Reaktionsharzen generiert wurde.
Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsharze über Mischer in eine Abstreifeinrichtung dosiert werden und von dort über Verteilsysteme gleichmäßig auf die Bohrwand ausgebracht werden.
Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, dass in einer zuschaltbaren Dosiereinrichtung eine höhere Viskosität des Kunststoffes eingestellt werden kann, die besonders geeignet ist zerklüftete Teile der Bohrwand abzudichten ohne in die Spalten zu entweichen.
Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 2 Speicher die Komponenten der Reaktionsharze zwischenspeichern, um Schwankungen bei der Materialzufuhr als auch beim Materialverbrauch zu kompensieren.
Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, dass die Speicher über Versorgungsleitungen mit Frischmaterial versorgt werden.
Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die benötigte Antriebsenergie des Bohrsystems durch einen Generator erzeugt wird, der durch das Spülmedium angetrieben wird.
Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, dass der Generator ein Hydraulikaggregat antreibt, von dem aus die gesamte Kinematik des Bohrsystems angetrieben wird.
Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energie für das Bohrsystem durch von einem Generator erzeugt wird, der mit dem Hydraulikaggregat gekoppelt ist.
Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein geregelter Vorschub über eine Anordnung von aktuatorbetätigten Halteeinrichtungen erfolgt, die sich wechselweise an der Bohrwand verankern und einen festen Gegenhalt für die Vorschubzylinder ermöglichen.
Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 22 dadurch gekennzeichnet, dass die aktuatorbetätigten Halteeinrichtungen auch in verankerter Position Lage- und Richtungskorrekturen am Bohrsystem übernehmen können.
Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 22 dadurch gekennzeichnet, dass die aktuatorbetätigten Halteeinrichtungen das Bohrsystem in Bohrrichtung und gegen die Bohrrichtung bewegen können.
Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Bohrkopf so angesteuert wird, dass er individuell drehend mit variabler Drehzahl und Drehrichtung sowie schlagend mit variabler Schlagfrequenz, Amplitude und Schlagenergie arbeitet.
Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 25 dadurch gekennzeichnet, dass die Sprungantwort aus dem Rücksprungsignal bei der Schlagbearbeitung des Untergrundes erfasst und elektronisch ausgewertet wird.
Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 26 dadurch gekennzeichnet, dass ein Regler den aus den Sprungantworten abgeleiteten optimalen Bohrprozess regelt.