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Die
Erfindung betrifft den Bereich der Erdbohrvorrichtungen und insbesondere
der Horizontalbohrvorrichtungen.
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Das
Einbringen von Erdbohrungen ist insbesondere in harten Gesteinsformationen
schwierig. Hierfür
wurden daher besondere Bohrvorrichtungen geschaffen, die ein sicheres
Zerstören
und Abtragen der harten Erdboden- oder Gesteinsformationen ermöglichen
sollen (beispielsweise Bohrhämmer
oder Rollenmeißelbohrköpfe). Diese
Bohrvorrichtungen weisen jedoch in der Regel eine aufwendige Konstruktion
auf, wodurch diese teuer in der Herstellung und Wartung sind. Auch
ist die Geschwindigkeit des Bohrvortriebs der bekannten Bohrvorrichtungen
in harten Erdreichformationen häufig
nicht ausreichend.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe
zugrunde, eine verbesserte Erdbohrvorrichtung bereitzustellen, die zumindest
einen der aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile verringert.
Insbesondere soll eine Erdbohrvorrichtung geschaffen werden, die
eine verbesserte Bohrleistung in insbesondere harten Erdreichformationen
ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Erdbohrvorrichtung gemäß Patentanspruch 1 bzw. durch
einen entsprechenden Bohrkopf gemäß Patentanspruch 10 gelöst. Ein
erfindungsgemäßes Verfahren,
das diese Aufgabe löst,
ist Gegenstand des nebengeordneten Patentanspruchs 11. Vorteilhafte
Ausführungsformen sind
Gegenstand der jeweiligen abhängigen
Ansprüche.
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Der
Kern der Erfindung sieht vor, in einem Bohrkopf für eine Erdbohrvorrichtung,
die einen Linearantrieb und – je
nach Ausgestaltung und vorgesehenem Einsatzzweck – vorzugsweise
auch einen Rotationsantrieb aufweist, ein Heizelement vorzusehen, das
dem zumindest teilweisen Aufheizen des den Bohrkopf umgebenden Erdreichs
(insbesondere im Bereich des Bohrgrunds) dienen soll.
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Verfahrenstechnisch
ist erfindungsgemäß somit
vorgesehen, eine Erdreichbohrung herzustellen, indem ein Bohrkopf
mittels eines Linearentriebs durch das Erdreich getrieben und das
Erdreich zumindest im Bereich des Bohrgrunds erhitzt wird.
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Durch
das Aufheizen des Erdreichs kann erreicht werden, daß das Erdreich
und insbesondere harte Gesteinsformationen, die in der Regel aus mehreren
unterschiedlichen Mineralkomponenten bestehen, unterschiedliche
Wärmeausdehnungen erfahren,
wodurch eine Schwächung
der Formation erreicht werden kann. Mineralien mit höheren Ausdehnungskoeffizienten
brechen dann voraussichtlich zuerst aus dem Gefüge verbund, wobei sie in der
Regel zur freien Entlastungsfläche
ausbrechen. Der Wärmeeintrag
kann daraufhin auf die weiteren Komponenten einwirken, wodurch erzielt
werden kann, daß diese
entweder ebenfalls herausbrechen, oder an ihren latent vorhandenen
Gefüge-
und Spaltflächen
aufreißen.
Die Wärmeeinwirkung über die Spalt-
und Gefügeflächen verläuft in der
Regel intensiver als in den noch geschlossenen Mineralbereichen,
wodurch weitere feine Spannungsrisse entstehen können. Mineralische Spalt- und
Gefügeflächen enthalten
weiterhin häufig
feinste Flüssigkeitsreste, die
bei Erhitzung verdampfen, wodurch Gefügekomponenten explosionsartig
heraus gebrochen werden.
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Durch
die erfindungsgemäße intensive
Erwärmung
des Erdreichs kann folglich eine starke und schnelle Gefügeschwächung des
Erdreichs und insbesondere von Festgestein erzielt werden, so daß das nachträgliche Herstellen
der Erdbohrung mittels Verdrängen
und/oder mechanisches Abtragen wesentlich einfacher und bei entsprechender
Auslegung der Vorrichtungen (insbesondere einer angepaßten Anordnung
von Hartmetallbits am Bohrkopf) auch schneller erfolgen kann. Hierdurch
kann auch eine längere
Lebensdauer der eingesetzten Bohrvorrichtung erreicht werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist das Heizelement eine Vorrichtung
zur Erzeugung von Mikrowellenstrahlung auf.
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Durch
den Einsatz von Mikrowellen ist es möglich, mit einem relativ geringen
Energieeintrag eine sehr intensive Erwärmung des Erdreichs (je nach
Einsatz auf Temperaturen von vorzugsweise 600°C und mehr) zu erreichen, so
daß auch
sehr harte Gesteinsformationen geschwächt werden können.
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Die
Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellenstrahlung weist vorzugsweise
mindestens einen Mikrowellenheizdraht und mindestens einen Magnetron
zur Erzeugung der Mikrowellen auf. Der Mikrowellenheizdraht ermöglicht durch
eine entsprechende Anordnung in oder an dem Bohrkopf einen gezielten,
und gegebenenfalls auf die Form des Bohrkopfs und/oder das zu bohrende
Erdreich angepaßten
Wärmeeintrag.
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Die
erfindungsgemäße Erdbohrvorrichtung weist
vorzugsweise ferner eine Zufuhr für ein Bohrfluid und insbesondere
eine Spülflüssigkeit
auf, die durch Austrittsöffnungen
in dem Bohrkopf in das Erdreich ausgetragen werden kann. Neben den
aus dem Stand der Technik bekannten Zwecken, die durch die Verwendung
eines Bohrfluids erzielt werden sollen – insbesondere das Aufweichen
des Erdreichs und Ausspülen
des Bohrkleins sowie die Ausbildung einer hydromechanischen Schnittkomponente – kann das
Bohrfluid bei der erfindungsgemäßen Erdbohrvorrichtung
dazu dienen, durch die Kühlwirkung,
die dieses auf das erhitzte Erreich ausübt, dieses weiter zu schwächen. Durch
die Wechselwirkung des relativ kalt aus dem Bohrkopf austretenden
Bohrfluids können
die aufgeheizten Mineralkomponenten des zu lösenden Erdreichs/Gesteins geschockt
werden, wobei dieser Heiß-Kalt-Wechsel
ein weiteres Aufreißen
der mineralischen Spalt- und Gefügeflächen bewirken kann.
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Um
die Kühlwirkung
des Bohrfluids weiter zu verstärken,
kann dieses zudem aktiv mittels einer Kühlvorrichtung gekühlt werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist der Bohrkopf eine doppel- oder
mehrstöckige
Bohrkrone mit einem kleineren Bohrkopffrontteil und mindestens einem
in Bohrrichtung nach hinten versetzten Bohrkronenkranz mit größeren Außenabmessungen
auf, wobei das Heizelement vorzugsweise in dem zwischen dem Bohrkopffrontteil
und dem ersten Bohrkronenkranz liegenden Abschnitt des Bohrkopfs
angeordnet ist. Hierdurch kann ein kalter, vorzugsweise durch eine
Bohrspülung
unterstützter
Vorschnitt, eine nachfolgende Erhitzung entlang des das Heizelement
aufweisenden Abschnitts und eine vergrößernde Gesteinsberäumung durch
den zurückversetzten
Bohrkronenkranz (z. B. durch eine Außenschneidekrone, wie sie aus
dem Bereich der Gesteinsprobennahmen bekannt ist) erzielt werden.
Eine solche Bohrkopfkonstruktion eignet sich besonders für das Bohren
in Festgestein. Der kleinere, vorschneidende Bohrkopffrontteil und
ihr tragender Schaft, d. h. der das Heizelement aufnehmende Abschnitt
des Bohrkopfs, können
geometrisch nahezu beliebig ausgebildet werden; auch eine Rollenmeißel-Frontkrone,
eine asymmetrische Krone, eine Überlagerungsbohrkrone,
eine fingerartige Krone ist möglich.
Auch andere Varianten in der Anordnung zwischen Vorschnitt, Spülungsaustritt,
Beheizungsabschnitten und größerem Beräumungsquerschnitt
sind beliebig möglich.
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Insbesondere
für den
Einsatz in Lockergestein eignet sich eine Ausgestaltung des Bohrkopfs als
Lenkbohrkopf mit einer schräg
zur Bohrrichtung bzw. der Längsachse
des Bohrkopfs ausgerichteten Schrägfläche. Hierbei ist das Heizelement
vorzugsweise zumindest in oder an der Steuerfläche und/oder an dem gegebenenfalls
vorhandenen, der Steuerfläche
nachfolgenden Abschnitt des Bohrkopfs angeordnet. Das aus den vorzugsweise
an der Bohrkopffront angeordneten Öffnungen austretende Bohrfluid
strömt
dann entlang der zuvor erhitzten Bohrlochwände. Hierdurch können auf
vorteilhafte Weise besonders dicht gelagerte Lockersedimente, steife bindige
Böden,
klüftige
Mergel und Kalkmergel und ähnliche
Erdreichformationen leicht gebrochen und gelöst werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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In
den Zeichnungen zeigt:
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1 einen
erfindungsgemäßen Bohrkopf
in einer ersten Ausführungsform,
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2 einen
erfindungsgemäßen Bohrkopf
in einer zweiten Ausführungsform
und
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3 einen
erfindungsgemäßen Bohrkopf
in einer dritten Ausführungsform.
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1 zeigt
einen erfindungsgemäßen Bohrkopf 1 in
einer ersten Ausführungsform
sowie einen Abschnitt eines Bohrgestänges 2, das den Bohrkopf 1 mit
einem Linear- und
Rotationsantrieb (nicht dargestellt) verbindet. Der Bohrkopf 1 der 1 ist
für das
Bohren in besonders harten Erdreichformationen ausgelegt.
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Hierzu
weist der Bohrkopf an seiner Front drei Rollenmeißel 3 auf,
die jeweils eine Vielzahl von Schneidezähnen 4 aufweisen.
An die Rollenmeißelfront
des Bohrkopfs 1 schließt
sich ein zylindrischer Abschnitt 5 an, in dem das erfindungsgemäße Heizelement
angeordnet ist. Dieses besteht aus zwei Magnetrons 6 zur
Erzeugung von Mikrowellen und einer Heizdrahtschlange 7, über die
die Mikrowellen abgestrahlt werden, um eine gezielte Erwärmung des
den Bohrkopf 1 umgebenden Erdreichs zu erreichen. Die für die Erzeugung
der Mikrowellen erforderliche Energie wird über ein Stromkabel 8,
das innerhalb des Bohrgestänges 2 verläuft, zu
den Magnetrons 6 übertragen.
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An
dem das Heizelement aufweisenden Abschnitt des Bohrkopfs 1 schließt sich
eine Vergrößerungskrone 9 an,
die das durch das Erhitzen geschwächte Erdreich/Gestein mechanisch
abträgt.
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2 zeigt
eine alternative Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Erdbohrvorrichtung, die
als Hammerbohrlanze für
einen kombinierten rotierenden/schlagenden Betrieb optimiert ist.
Der Bohrkopf 1' weist
ebenfalls eine für
die mechanische Bearbeitung des Erdreichs ausgelegte Front aus Hartmetall
mit einer Vielzahl von Schneideelementen 4 auf. An die
Front schließt
sich ein Abschnitt an, in dem Magnetrons 6' und Mikrowellenheizdrahtschlangen 7' zur Erzeugung
und Abstrahlung von Mikrowellen angeordnet sind. Der Bohrkopf 1' ist über ein Bohrgestänge 2' mit einem schlagenden
Linear- und Rotationsantrieb (nicht dargestellt) verbunden.
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3 zeigt
eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Bohrkopfs 1'', der für das Bohren in relativ lockerem
Erdreich ausgelegt ist. Da Lockergestein in Grenzen ein Kurvenbohren
ermöglicht,
ist der Bohrkopf 1'' der 3 als
Lenkbohrkopf mit einer schrägen
Steuerfläche 10'' ausgebildet. Bei einem nicht-rotierenden,
linearen Vortrieb bewirkt die schräge Steuerfläche 10'' eine
seitliche Ablenkung des Bohrkopfs 1'',
woraus ein kurvenförmiger
Bohrverlauf resultiert. Ein Geradeaus-Bohren kann dagegen durch
eine zusätzliche
Rotation des Bohrkopfs 1'' erzielt werden,
da die durch die Steuerfläche 10'' initiierte Seitenkraft einen steten
Richtungswechsel erfährt.
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Die
mit einem Magnetron 6'' verbundenen Mikrowellenheizdrähte 7'' sind bei dem Bohrkopf gemäß 3 ausschließlich im
Bereich der Steuerfläche 10'' angeordnet. Eine Miniturbine mit
angeschlossenem Generator 11'' wird über eine
Bohrflüssigkeit,
die dem Bohrkopf 1" durch
das Gestänge 2'' unter hohem Druck zugeführt wird,
angetrieben, und versorgt den Magnetron 6'' mit
der erforderlichen elektrischen Energie. Der Bohrflüssigkeit
wird daraufhin über
einen internen Kanal 12'' Auslaßöffnungen (nicht
dargestellt) in der Bohrkopffront zugeführt, wo diese austritt.
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Auch
bei den Ausführungsformen
gemäß den 1 und 2 ist
jeweils eine Zufuhr für
eine Bohrflüssigkeit
vorgesehen, die durch Auslaßöffnungen
unter anderem in der Bohrkopffront austritt.