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Die
Erfindung betrifft ein Bohrverfahren zur Herstellung eines Bohrlochs,
insbesondere in Erde und Gestein, unter gleichzeitiger abschnittsweiser Auskleidung
des Bohrlochs mit einer Verrohrung, wobei ein Bohrgerät
mit einem Bohrwerkzeug ein Bohrloch herstellt und ein neuer Rohrabschnitt
durch die bestehende Verrohrung hindurch zu einem nicht ausgekleideten
Abschnitt des Bohrlochs transportiert wird und an dem nicht ausgekleideten
Abschnitt des Bohrlochs an der Wand des Bohrlochs und der bestehenden
Verrohrung positioniert wird. Weiterhin betrifft die Erfindung ein
Bohrgerät mit einer Verrohrung für ein Bohrloch
zum Bohren, insbesondere in Erde und Gestein, unter gleichzeitiger
abschnittsweiser Auskleidung des Bohrlochs mit einer Verrohrung,
wobei das Bohrgerät aus einem Bohrwerkzeug, einer Bohrwerkzeugaufnahme,
einer Bohrvortriebseinrichtung, mittels der das Bohrgerät
parallel zu einer Vortriebsachse beweglich ist, und einer Bohrwerkzeugantriebseinrichtung,
mittels der das Bohrwerkzeug rotatorisch bewegbar ist, besteht.
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Die
im zugänglichen Teil der Erdkruste gespeicherte Wärme
wird Geothermie genannt. Sie umfasst die in der Erde gespeicherte
Energie, soweit sie entzogen und genutzt werden kann, und zählt
zu den regenerativen Energien. Sie kann sowohl direkt genutzt werden,
etwa zum Heizen und Kühlen im Wärmemarkt (Wärmepumpenheizung),
als auch zur Erzeugung von elektrischem Strom. Die Geothermie ist eine
langfristig nutzbare Energiequelle. Mit den Vorräten, die
in den oberen drei Kilometern der Erdkruste gespeichert sind, könnte
der derzeitige weltweite Energiebedarf für über
100.000 Jahre gedeckt werden. Die Wärmeenergie wird mittels
Erdwärmesonden gewonnen. Erdwärmesonden sind in
Tiefenbohrungen eingebrachte Rohrbündel. Die Tiefe einer Bohrung
variiert nach dem geologischen Aufbau des Untergrunds und ist abhängig
von dem benötigten Wärmeentzugsleistung. Schon
ab einer Tiefe von ungefähr 10 Metern bleibt die Temperatur über
das Jahr praktisch unverändert. Im privaten Wohnungsbau
in Deutschland sind Bohrungen ab 50 Metern üblich, jedoch
selten tiefer als 100 Meter. Neben den hohen Kosten für
das Bohrgerät und den Personalaufwand beim Bohren muss
bei größeren Tiefen auch das Bergrecht beachtet
und eine entsprechende Genehmigung eingeholt werden. Wenn größere
Wärmeübergangsflächen notwendig sind,
werden mehrere Bohrungen meist im Abstand von einigen Metern nebeneinander
eingebracht. In anderen Ländern sind auch tiefere Erdwärmesonden
gängig. So wird in der Schweiz regelmäßig
bis circa 300 Metern Tiefe gebohrt. Für großtechnische
Anlagen werden Erdwärmesonden in Tiefen von über
2500 Metern betrieben.
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Geothermische
Bohrungen werden derzeit überwiegend vor der Grundstücksbebauung
ausgeführt. Eine nachträgliche Erdbohrung bei
bereits bestehender Bebauung ist in der Regel nur dann effizient,
wenn die freie Grundstücksfläche für
mehrere Bohrungen ausreichend groß sowie die benötigte Wärmeentzugsleistung
niedrig ist. Die gegenwärtig eingesetzten Systeme für
Erdbohrungen sind Entwicklungen aus der Brunnenbohrtechnik sowie
aus dem Bereich der Erdöl- und Erdgasförderung.
Da insbesondere Bohrungen zu Erdöl- und Erdgasvorkommen
nie in bebauten Wohngebieten ausgeführt werden, spielen
bei den bisherigen Systemen die Größe des Bohrgeräts,
die Lärmentwicklung während des Bohrbetriebs und
die Beseitigung des Bohrschlamms keine Rolle. Eine Steigerung der
Effizienz konventioneller Erdbohrungen ist gerade mit groß dimensionierten,
schnell vortreibenden Bohrgeräten möglich. Damit
einhergehend sind die Lärmentwicklung und die anfallenden
Mengen von Spülwasser und Bohrschlamm besonders hoch. Für
eine konventionelle Erdbohrung sind in der bestehenden Bebauung
ein hoher Anteil der bebauten Grundstücksfläche
im Verhältnis zur Gesamtgröße des Grundstücks,
die Größe des Bohrgeräts, die Lärmentwicklung
während der Durchführung der Bohrarbeiten und
die Beseitigung des Bohrschlamms ungünstig. Für
eine effiziente Nutzung der Geothermie auf vollständig
bebauten Grundstücken steht derzeit kein Bohrgerät
zur Verfügung.
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Erdbohrungen
für geothermale Nutzung werden überwiegend mit
starren Vertikalbohrsystemen ausgeführt. Diese bestehen
je nach geplanter Endtiefe aus einem mobilen oder fest installierten
Bohrturm über Tage, der den Bohrantrieb aufnimmt und in
den das Bohrgestänge eingehängt wird. Zur Krafterzeugung
kommen Dieselmotoren oder dieselelektrische Antriebe zum Einsatz.
Das Bohrgestänge besteht aus verschraubten Einzelstangen.
Am Ende des Bohrstrangs befindet sich das Bohrwerkzeug, meistens
ein Rollenmeißel mit mehreren rotierenden Kegelrollen.
Durch die Drehung des gesamten Bohrstrangs werden die gezähnten
Kegelrollen zur Rotation gebracht und so das zu durchbohrende Gestein zermahlen.
Abhängig vom Durchmesser des Bohrlochs und der Vortriebsgeschwindigkeit
sowie den geologischen Eigenschaften des Bodens sind große Mengen
Wasser als Spülwasser zum Abtransport des Bohrschlamms
sowie zur Kühlung des Bohrmeißels erforderlich. Über
Tage wird das Spülwasser in Sedimentationsbecken vom Bohrschlamm
gereinigt und wieder verwendet. Hierfür werden entsprechend der
Tiefe der Bohrung unterschiedlich groß dimensionierte Pumpsysteme über
Tage verwendet.
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Gerade
in bestehenden Wohngebieten sind zwei Eigenschaften der herkömmlichen
Bohrverfahren nachteilig: Die hohen Lärmemissionen stören
die Ruhe und damit häufig die nachbarschaftlichen Verhältnisse
und mindern über die Bauzeit die Lebensqualität.
Darüber hinaus können die großen und schweren
Bohrgeräte nur mit viel Mühe auf kleingliedrigen
Wohngrundstücken aufgestellt werden. Dabei ist eine Zerstörung
von Gartenanlagen und eine nicht unerhebliche Staub- und Schmutzbelastung
unvermeidlich, was die Lebensqualität auch auf den Nachbargrundstücken über
die Dauer der Bohrungen hinaus beeinträchtigt.
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Ein
patentgemäßes Bohrverfahren und ein solches Bohrgerät
sind bereits aus der
WO 03/078790
A1 bekannt. Die Druckschrift zeigt eine Vorrichtung zum
Bohren in Erde und Gestein unter gleichzeitiger abschnittsweiser
Auskleidung des Bohrlochs mit der Verrohrung. Die Vorrichtung umfasst
Rohrabschnitte zur Auskleidung des Bohrlochs, die von dem Bohrgerät
gehalten werden, ein Bohrwerkzeug, dass an dem Bohrgerät
befestigt ist und zunächst in oder oberhalb des Rohrabschnitts
positioniert ist, um den Rohrabschnitt anschließend zu durchbrechen
und dann das Bohrloch weiter zu bohren.
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Ein
Bohrgerät zum Bohren in Erde und Gestein unter gleichzeitiger
Verrohrung des Bohrlochs ist auch aus der
DE 34 33 097 A1 bekannt.
Das Bohrgerät besitzt ein asymmetrisches Führungsorgan, welches
nicht verdrehbar mit einem Bohrgestänge verbunden ist,
sowie einen exzentrischen Bohrmeißel oder eine exzentrische
Bohrkrone, welche in dem Führungsorgan begrenzt verdrehbar
gelagert ist. Durch die besondere geometrische Ausbildung des Führungsorgans
ist die exzentrische Einstellung des Bohrmeißels möglich.
Nach einem ähnlichen Prinzip arbeiten auch die in der
EP 0 002 160 A1 ,
US 3,174,563 und
EP 0 391 873 B1 beschriebenen
Bohrgeräte, bei denen eine gleichzeitige Verrohrung möglich
ist, wobei die Verrohrung in Bohrrichtung nachgeschoben wird. Das
in der
DE 37 14 837
A1 beschriebene Bohrgerät weist auch einen exzentrischen Bohrmeißel
auf, jedoch keine gleichzeitige Verrohrung des Bohrlochs.
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Die
Druckschriften
US 3,416,616 ,
US 3,199,616 ,
US 3,753,470 und
US 3,848,683 zeigen ein Bohrgerät
zum Bohren in Erde und Gestein unter gleichzeitiger Verrohrung des
Bohrlochs mit einem in eine exzentrische Position teilweise oder
vollständig verstellbaren Bohrkopf.
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Die
DE 197 07 286 C1 zeigt
eine abschnittsweise Verrohrung eines Bohrlochs zwischen zwei Schächten.
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In
der Druckschrift
DE
390 1 921 A1 wird ein hydraulisch betriebenes Bohrgerät
beschrieben, das ohne Bohrgestänge mindestens zwei Bohrlöcher gleichzeitig
bohrt. Das Bohrgerät besteht aus einem Hydromotor mit Getriebe,
verschwenkbaren Bohr- und Schrämeinrichtungen, einer Verpresseinrichtung zum
Abdichten der Bohrlöcher gegeneinander und den Steuerungseinrichtungen,
wobei das Bohrwerkzeug für das Einbringen der Nebenbohrlöcher
aus dem Bohrloch ausschwenkt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Bohrverfahren zu schaffen,
mittels dessen es möglich wird, auf dicht bebauten Grundstücken,
insbesondere in Wohngebieten, Bohrungen auszuführen und
dabei die Umwelt möglichst geringen Lärmemissionen,
Verschmutzungen und Zerstörungen auszusetzen.
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Weiterhin
liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Bohrgerät
zu schaffen, mittels dessen es möglich wird, auf dicht
bebauten Grundstücken, insbesondere in Wohngebieten, Bohrungen
auszuführen und dabei die Umwelt möglichst geringen
Lärmemissionen, Verschmutzungen und Zerstörungen
auszusetzen.
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Die
erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit
einem Bohrverfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den
Unteransprüchen 2 bis 7 zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß ist
also ein Bohrverfahren vorgesehen, bei dem im Bohrloch für
den Vortrieb und den Antrieb des Bohrwerkzeugs elektrische und/oder
hydraulische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird. Hierdurch
wird es möglich, die Lärmemissionen zu minimieren
und gleichzeitig auf oberirdisch zu positionierende platzintensive
Bohrtürme oder mobile Bohrlafetten zu verzichten. Die Erfindung
erlaubt darüber hinaus den Verzicht auf ein Bohrgestänge,
wodurch der Energieverbrauch und die Material- und Transportkosten
reduzierbar sind.
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Hinsichtlich
der Durchführung der Bohrung, insbesondere in bestehenden
Wohngebieten, ist einer vollautomatischen Durchführung
der Bohrung gegenüber einer hohen Bohrgeschwindigkeit der
Vorzug zu geben, da im Gegensatz zu Neubauprojekten keine Fertigstellungstermine
anderer Gewerke zu berücksichtigen sind. Das Bohrverfahren
gestaltet sich als besonders vorteilhaft, indem das Bohrloch mit
geringer Vortriebsgeschwindigkeit und hochgradig automatisiert hergestellt
wird. Hierdurch wird es möglich, mit geringem Personal-,
Wartungs- und Kontrollaufwand das Bohrloch herzustellen. Aufgrund
der langsamen Vortriebsgeschwindigkeit fällt eine geringere
Menge an Bohrschlamm an, der ohne großen Aufwand nur gelegentlich
aus dem Wohngebiet abtransportiert werden muss.
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Der
Bohrschlamm kann wie bei herkömmlichen Anlagen über
Tage aufbereitet werden. Demgegenüber ist es jedoch vorteilhaft,
wenn eine Aufbereitung des Bohrschlamms mit einer Bohrschlammbehandlungsanlage
in dem Bohrloch durchgeführt wird. Hierdurch wird es möglich,
den Anfall von Verschmutzungen und den Platzbedarf für
eine Sedimentation zu minimieren. Die Bohrschlammbehandlungsanlage wird
im Zuge einer regelmäßigen Wartung des Bohrgeräts
von einem Spezialisten entleert.
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Günstig
ist es, dass die Verrohrung als Widerlager für das Bohrgerät
dient und/oder das Bohrgerät an einem Führungselement
der Verrohrung geführt wird. Hierdurch wird es möglich,
das Bohrgerät mit Ausnahme einer beispielsweise elektrischen
Energieversorgung als einen weitestgehend autarken Apparat auszuführen,
der sich selbstständig im ausgekleideten Bohrloch bewegen
und positionieren kann. Die direkte Übertragung der Vorschubkraft
auf die Verrohrung und somit auf das Erdreich erlaubt es, auf ein
teures und in der Handhabung aufwändiges Bohrgestänge
und somit auch auf einen Bohrturm zu verzichten. Gleichzeitig ist
das Bohrwerkzeug bei geringem Platzbedarf des Bohrgeräts über
und unter Tage exakt positionierbar. Der Energieverbrauch ist gegenüber
herkömmlichen Systemen reduziert.
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Zur
Wartung des Bohrgeräts bewegt sich das Bohrgerät
zur Öffnung des Bohrlochs. Zur Sicherung des Bohrlochs
ist es günstig, dass die Verrohrung abschnittsweise aus
einzelnen Rohrabschnitten aufgebaut wird, wobei ein Rohrabschnitt
aus zumindest zwei Auskleidungselementen zusammengesetzt wird. Hierdurch
wird es möglich, neu erzeugte Bohrabschnitte unverzüglich
mit einer Verrohrung auszukleiden und zu sichern. Dabei ist es möglich,
dass die Auskleidungselemente unmittelbar nach und/oder während
des Bohrvorgangs mittels einer Verlegeeinrichtung des Bohrgeräts
automatisch im Bohrloch positioniert werden. Ebenso können
die Auskleidungselemente von dem Wartungspersonal mittels einer manuellen
Ansteuerung im Bohrloch positioniert werden.
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Zur
Herstellung eines Bohrlochs wird zunächst die Bohrstelle
eingerichtet. Dazu wird ein Startrohr lotrecht ausgerichtet und
im Boden verankert. Anschließend wird eine Notfallbergeeinrichtung über
dem Bohrloch installiert und das Bohrgerät mit dieser verbunden.
Das Bohrgerät wird nun bis zur Länge eines Rohrabschnitts
in den Boden vorgetrieben. Das Bohren erfolgt dabei in mehreren
Schritten. Zunächst wird das Bohrwerkzeug in mittiger Position in
den Boden getrieben. Anschließend wird durch eine Überlagerung
einer Drehbewegung eines Zylinderantriebs und einer Linearbewegung
eines Querantriebs das Bohrwerkzeug entlang einer Bahn exzentrisch
seitwärts bewegt. In Abhängigkeit des gewählten
Durchmessers des Bohrwerkzeugs können so Bohrlöcher
erzeugt werden, die einen größeren Durchmesser
aufweisen als die im Bohrloch befindlichen Teile des Bohrgeräts.
Das Bohrloch kann dabei mit einer beliebigen Querschnittsform hergestellt werden.
Da das Bohrwerkzeug in der Regel kürzer ist als ein Rohrabschnitt,
werden mehrere solcher Bohrvorgänge durchgeführt,
bis das Bohrloch die gewünschte Querschnittsform aufweist
und bis es um die Länge eines Rohrabschnitts vorgetrieben
wurde. Danach wird das Bohrloch mit einem weiteren Rohrabschnitt
ausgekleidet und gesichert. Von der Verlegeeinrichtung wird dazu
zunächst ein Auskleidungselement an der Wand des Bohrlochs
positioniert. Das Auskleidungselement wird von der Haltemechanik der
Verlegeeinrichtung in einem gespannten Zustand gehalten. Das Verbindungselement
des Auskleidungselements wird mit der bestehenden Verrohrung verbunden.
Anschließend wird das andere Auskleidungselement ebenso
in dem Bohrloch positioniert. Nacheinander werden dann die Auskleidungselemente
von der Haltemechanik freigegeben. Die Auskleidungselemente entspannen
sich teilweise und werden an die Wand des Bohrlochs gepresst. Dabei Verbinden
sich die Auskleidungselemente mittels ihrer Fügeelemente
zu einem formstabilen Rohrabschnitt. Das Bohrgerät bewegt
sich selbstständig aus dem Bohrloch heraus, damit die Bohrschlammbehandlungsanlage
von den Sedimentationsresten entleert und gereinigt und die Verlegeeinrichtung
mit neuen Auskleidungselementen bestückt werden kann. Nun
kann das Bohrgerät wieder in das Bohrloch einfahren und
einen neuen Bohrzyklus beginnen.
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Die
zweitgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit
einem Bohrgerät gemäß den Merkmalen des
Anspruchs 8 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung
ist den Unteransprüchen 9 bis 26 zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß ist
also ein Bohrgerät vorgesehen, bei dem das Bohrwerkzeug
mittels eines Querantriebs auf einer Geraden senkrecht zur Vortriebsachse
frei positionierbar ist. Hierdurch ist es möglich, dass
das Bohrgerät einen Bohrlochquerschnitt erzeugen kann,
der größer ist als der Außendurchmesser
des Bohrgeräts. Dies ermöglicht es einerseits,
die bestehende Auskleidung des Bohrlochs im Vortriebsbereich zu
ergänzen, ohne die gesamte Auskleidung im Bohrloch zu bewegen,
und andererseits das Bohrgerät in der Verrohrung des Bohrlochs zu
bewegen.
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Um
eine Bewegung des Bohrgeräts im Bohrloch zu ermöglichen,
ist es günstig, dass die Verrohrung ein Führungselement,
welches parallel zur Vortriebsachse orientiert ist, aufweist. Hierdurch
ist es möglich, dass das Bohrgerät im Bohrloch
parallel zur Vortriebsachse exakt positioniert werden kann, wobei die
Bewegung des Bohrgeräts entlang dem Führungselement
auf genau diesen einen Freiheitsgrad eingeschränkt ist.
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Die
Ausgestaltung der Verrohrung mit einem Führungselement
ist günstig, da das Führungselement zur Aufnahme
von Kräften parallel zur Vortriebsachse und von Torsionsmomenten
um die Vortriebsachse ausgebildet ist. Hierdurch ist es möglich, die
in dem Bohrgerät erzeugte Vortriebskraft auf die Bohrlochwand
zu übertragen und das Bohrgerät im Bohrloch an
einer beliebigen Position auch entgegen einer auf das Bohrgerät
parallel zur Vortriebsachse einwirkenden Kraft zu halten. Dabei
liegt die Bohrvortriebseinrichtung an dem Führungselement
der Verrohrung an, wobei die Verrohrung als Widerlager für die
Bohrvortriebseinrichtung ausgebildet und in dem Bohrloch kraftschlüssig
positionierbar ist. Durch die Einschränkung der Bewegung
des Bohrgeräts im Bohrloch auf einen Freiheitsgrad ist
das Bohrgerät gegenüber dem Bohrloch nicht verdrehbar,
da das Führungselement beispielsweise als eine Zahnstange,
Sprossenleiter und/oder Noppenfläche ausgestaltet ist.
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Günstig
ist es, dass das Bohrgerät einen zylindrischen Mantel aufweist,
in dem ein Bohrzylinder, eine Verlegeeinrichtung und/oder eine Bohrgutbehandlungsanlage
angeordnet sind. Mittels der Anordnung der Verlegeeinrichtung, des
Bohrzylinders mit dem Bohrwerkzeug und der Bohrschlammbehandlungsanlage
in einem Gehäuse ist es möglich, die unterschiedlichen
Funktionseinheiten aufeinander abgestimmt automatisch in dem Bohrloch
zu betreiben, wobei der Eingriff des Wartungspersonals die regelmäßige
Reinigung der Bohrschlammbehandlungsanlage und die Ergänzung
von Auskleidungselementen in der Verlegeeinrichtung umfasst. Das
Auskleidungselement besteht aus einem elastisch verformbaren Material.
Hierdurch ist es möglich, dass das Auskleidungselement
in einem gespannten Zustand von der Haltemechanik der Verlegeeinrichtung
in einem gespannten Zustand gehalten wird. Die drei Funktionseinheiten
sind auch losgelöst voneinander als eigenständige
Geräte in dem Bohrloch betreibbar, wobei in dem Fall das
Wartungspersonal den Austausch der Geräte manuell vornehmen
muss. Dies kann jedoch bei schwierigen geologischen Situationen,
zu Beginn der Bohrarbeiten und/oder zum Ende des Gesamtvortriebs,
vorteilhaft sein. Der Mantel ist aus einem festen Material, vornehmlich
aus einem Metall, insbesondere Edelstahl, gefertigt. Der Mantel weist
vortriebsseitig ein Abschlusselement auf, welches aus einem flexiblen
und wasserundurchlässigen Material, vorzugsweise Kunststoff
oder Gummi hergestellt ist. Das Abschusselement hat Durchlässe für
die Bohrwerkzeugaufnahme sowie für das Spülwasser
und/oder den Bohrschlamm. Die Auskleidung des Bohrlochs zeitnah
nach dem Bohren vermindert das Risiko einer Verschüttung,
was gerade bei einer inhomogenen und/oder instabilen Geologie vorteilhaft
ist.
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In
dem Bohrzylinder sind die Bohrwerkzeugantriebseinrichtung und der
Querantrieb des Bohrwerkzeugs angeordnet. Während der Mantel
gegenüber der Verrohrung rotatorisch unbeweglich ist, besteht
eine besonders günstige Ausführungsform des Bohrgeräts
darin, dass der Bohrzylinder mittels eines Zylinderantriebs gegenüber
dem Mantel rotatorisch um die Vortriebsachse bewegbar ist. So können
der Querantrieb, die Bohrwerkzeugantriebseinrichtung und die Bohrwerkzeugaufnahme
mit dem Bohrwerkzeug in dem Bohrzylinder gegenüber der
Verrohrung auf einer Kreisbahn bewegt werden. Hierdurch ist es möglich,
dass das Bohrwerkzeug in Verbindung mit der Bewegung aus dem Querantrieb
beliebig auf dem Querschnitt des Bohrlochs positioniert werden kann. Somit
ist es möglich, dass das um die eigene Achse rotierende
Bohrwerkzeug unabhängig von einem Vortrieb des Bohrgeräts
beliebige Bewegungsbahnen im Bohrquerschnitt beschreiben kann. Dabei sind
die Bohrvortriebseinrichtung, der Querantrieb, der Zylinderantrieb
und die Bohrwerkzeugantriebseinrichtung unabhängig voneinander
steuerbar, sodass das mit dem Bohrwerkzeug erzeugte Bohrloch nahezu
jede beliebige Querschnittsform annehmen kann, beispielsweise kreisrund,
elliptisch, polygonal und/oder in Mischformen. Hierbei ist es besonders vorteilhaft,
dass von dem Bohrloch mittels eines von der Kreisform abweichenden,
an die Kontur der Verrohrung angepassten Querschnitts des Bohrlochs Torsionsmomente
der Verrohrung aufnehmbar und an den Boden übertragbar
sind. Darüber hinaus ist es möglich, übergroße
Bohrlochquerschnitte zu erzeugen.
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Für
das abschnittsweise Auskleiden des Bohrlochs ist es besonders vorteilhaft,
dass die Verrohrung aus mehreren Rohrabschnitten zusammengesetzt
ist, wobei ein Rohrabschnitt aus zumindest zwei, insbesondere als
Halbschalen ausgeführten Auskleidungselementen zusammengesetzt
ist. Hierdurch ist es möglich, jeden weiteren neuen Rohrabschnitt
durch die bestehende Verrohrung an die Einbaustelle zu führen.
An der Einbaustelle werden die Auskleidungselemente nacheinander
an der Bohrlochwand positioniert. Die Auskleidungselemente bestehen
aus einem eine Federspannung aufweisenden Material. Dies ermöglicht
es einerseits, durch eine elastische Verformung der Auskleidungselemente
zumindest zwei Auskleidungselemente gleichzeitig nebeneinander durch
das verrohrte Bohrloch zu führen. Andererseits halten die
Auskleidungselemente durch die gegen die Bohrlochwand wirkende Federspannung
selbstständig kraftschlüssig. Die Auskleidungselemente
bestehen aus einem robusten, elastischen Material, insbesondere
aus Kunststoffen und/oder Metallen. Es ist günstig, dass
die Verrohrung aus Rohrabschnitten mit unterschiedlichen Materialien
variabel zusammensetzbar ist. Hierdurch ist es möglich,
dass die Verrohrung flexibel an die geologische Struktur angepasst
werden kann. In Bereichen mit hohem geologischen und/oder hydraulischen
Druck sind beispielsweise Auskleidungselemente aus Edelstahl einsetzbar,
in Bereichen geringerer Anforderungen an das Material sind vergleichsweise
preiswerte Auskleidungselemente, beispielsweise aus Polymeren, einsetzbar.
Auch der Wärmedurchgang der unterschiedlichen Materialien
kann bei einer Kombination zweckdienlich berücksichtigt werden.
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Zur
Verbindung der Auskleidungselemente mit der vorhandenen Verrohrung
weisen die Auskleidungselemente Verbindungselemente auf. Des Weiteren
weisen die Auskleidungselemente Fügeelemente auf. Mittels
der Fügeelemente sind die Auskleidungselemente exakt zu
einem Rohrabschnitt verbindbar.
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Um
die Auskleidungselemente in dem Bohrloch zu positionieren, ist es
günstig, dass das Bohrgerät eine Verlegeeinrichtung
zur abschnittsweisen Auskleidung des Bohrlochs mit einer Verrohrung
aufweist. Hierdurch ist es möglich, dass das Bohrgerät zumindest
zwei Auskleidungselemente mit sich führt und diese, nach
Erzeugung eines in der Länge ausreichend dimensionierten
weiteren Bohrlochvortriebs, an der Einbaustelle positioniert werden,
sodass das Bohrloch zügig gesichert werden kann, ohne dass
zwischenzeitlich manuell eingegriffen werden muss und/oder viel
Zeit verstreicht. Eine andere Ausgestaltung des Bohrgeräts
sieht vor, dass die Verlegeeinrichtung ein unabhängiges
Gerät mit eigener Vortriebseinrichtung ist, welche an den
Führungselementen der Verrohrung anlegbar ist. Die Verlegeeinrichtung
zum Ausbringen der Verrohrung verfügt über eine
Haltemechanik zur Aufnahme eines Auskleidungselements der Verrohrung
und über zumindest einen Sensor, mittels dem das Ausbringen der
Auskleidungselemente überwachbar, kontrollierbar und/oder
steuerbar ist.
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Vorteilhaft
ist es, dass die Verlegeeinrichtung eine Haltemechanik zur Aufnahme
mehrerer Auskleidungselemente aufweist. Mittels der Haltemechanik ist
es möglich, die Auskleidungselemente in einem elastisch
gespannten und verformten Zustand zu halten und an der Einbauposition
zur und/oder nach der Positionierung zur elastischen Teilentspannung
freizusetzen. Für die exakte Positionierung der Auskleidungselemente
ist es günstig, dass die Verlegeeinrichtung einen Sensor
aufweist. Durch einen Sensor, beispielsweise einen optischen Sensor
wie eine Videokamera, ist es möglich, die Positionierung
und die Freisetzung der Auskleidungselemente automatisiert zu regeln
und zu steuern und/oder außerhalb des Bohrlochs zu überwachen.
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Zur
Kühlung des Bohrwerkzeugs und zum Abtransport des Bohrkleins
mit dem Spülwasser ist es praktikabel, dass das Bohrgerät
eine Bohrschlammbehandlungsanlage aufweist, die zumindest eine Pumpe
und/oder eine Sedimentationsanlage umfasst. Üblicherweise
ist die Bohrschlammbehandlungsanlage zur Aufbereitung des Spülwassers
außerhalb des Bohrlochs angeordnet. Vorteilhaft ist es, dass
die Bohrschlammbehandlungsanlage in dem Mantel des Bohrgeräts
angeordnet ist. Hierdurch ist es möglich, dass die Pumpen
zur Umwälzung des Spülwassers nur eine geringe
Leistung benötigen und somit kleiner dimensioniert werden
können. Auch ist die Lärmemission der Pumpen geringer.
Aufgrund des geringen Bohrschlammstroms ist es möglich,
ebenso die Sedimentationsanlage im Mantel des Bohrgeräts
anzuordnen. Die Sedimentationsanlage ist derart dimensioniert, dass
sie nur bei der regelmäßigen Wartung des Bohrgeräts
geleert und gesäubert werden muss. Durch den Einsatz der
Bohrschlammbehandlungsanlage im Bohrloch ist der Platzbedarf über
Tage gering. Gleichzeitig wird gegenüber bekannter Bohrtechniken
weniger Spülwasser benötigt. Außerdem
ist es möglich, die Pumpen zur Umwälzung des Spülwassers
deutlich kleiner zu dimensionieren und somit den Energieverbrauch
zu optimieren und die Lärmemission zu reduzieren.
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Das
Bohrgerät ist mittels einer Steuereinrichtung automatisch
und/oder manuell bedienbar. Durch den hohen Automatisionsgrad des
Bohrgeräts ist es möglich, den Personalbedarf
zu reduzieren. Diese Steuereinrichtung wird außerhalb des
Bohrlochs aufgestellt und umfasst unter anderem eine Frischwasserversorgung,
eine elektrische Spannungsversorgung und/oder ein Kommunikationsmittel
zur Fernwartung und Zustandssignalisierung. Mittels Kabel- und Schlauchverbindungen
ist die Steuereinrichtung mit anderen Teilen des Bohrgeräts
verbunden. Die Steuereinrichtung übernimmt im Regelfall
die programmgesteuerte Bohrung und bestimmt den Vortrieb des Bohrgeräts.
Die Rotation des Bohrzylinders, die Linearbewegung der Bohrwerkzeugaufnahme durch
den Querantrieb und die Drehzahl der Bohrwerkzeugantriebseinrichtung
sowie die Leistung der Pumpe sind mittels des Steuergeräts
aufeinander abstimmbar. Das Halten, Nachführen und Einholen
der Kabel- und Schlauchverbindungen ist mittels einer über
dem Bohrloch aufgestellten Rollspindelvorrichtung durchführbar.
Das Bohrgerät ist mit einer Notfallbergeeinrichtung ausgestattet,
mittels derer ein Bergen der im Bohrloch befindlichen Teile des
Bohrgeräts möglich ist. Die Notfallbergeeinrichtung
besteht aus einer über dem Bohrloch positionierbaren Kurbel,
die mittels eines Zugseils mit den Teilen des Bohrgeräts
im Bohrloch verbunden ist. Die Kurbel ist manuell bedienbar. Bei
einer Aktivierung der Notfallbergeeinrichtung ist die Bohrvortriebseinrichtung deaktivierbar.
Hierdurch ist es möglich, dass das Bohrgerät sich
nicht mehr selbst im Bohrloch trägt, sondern von der Notfallbergeeinrichtung
gehalten wird und mittels dieser geborgen werden kann. Somit geht
in einem Havariefall die kostspielige Bohrtechnik nicht verloren.
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Die
Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen
zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon
in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese
zeigt in
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1 eine
geschnittene Darstellung eines Bohrlochs mit einem Bohrgerät;
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2 eine
schematische Darstellung eines Bohrlochs;
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3 einen
Schnitt durch das Bohrgerät und den Bohrzylinder;
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4 eine
Ansicht des Auskleidungselements.
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1 zeigt
ein Bohrgerät 1 beim Bohren eines Bohrlochs 2 unter
gleichzeitiger abschnittsweiser Auskleidung des Bohrlochs 2 mit
einer Verrohrung 3, wobei sich zumindest ein Teil des Bohrgeräts 1 in dem
Bohrloch 2 befindet. Die Auskleidung des Bohrlochs 2 mit
der Verrohrung 3 erfolgt abschnittsweise. Dabei treibt
das Bohrgerät 1 zunächst das Bohrloch 2 weiter
vor, um dann den neu entstandenen Bohrlochabschnitt mit einem in 2 dargestellten
Rohrabschnitt 16 auszukleiden. Die miteinander verbundenen
Rohrabschnitte 16 bilden die Verrohrung 3. Das
Bohrgerät 1 hat ein, von einer Bohrwerkzeugantriebseinrichtung 8 angetriebenes
Bohrwerkzeug 4, dass mittels einer Bohrwerkzeugaufnahme 5 an
dem Bohrgerät 1 festlegbar ist. Der im Bohrloch 2 eingesetzte
Teil des Bohrgeräts 1 besteht aus einem zylindrischen
Mantel 12, der vornehmlich aus einem Metall, insbesondere
Edelstahl, gefertigt ist. In diesem Mantel 12 sind alle
wesentlichen Komponenten zur Erzeugung der für den Bohrvorgang
benötigten mechanischen Bewegungen enthalten. Weiterhin
umfasst der Mantel 12 eine Verlegeeinrichtung 15 zum Ausbringen
der Verrohrung 3 und eine Bohrschlammbehandlungsanlage 22 zur
Aufbereitung des Spülwassers. Der Mantel 12 weist
vortriebsseitig ein Abschlusselement 9 auf, welches aus
einem flexiblen und wasserundurchlässigen Material, vorzugsweise
Kunststoff oder Gummi, besteht. Das Abschusselement 9 weist
Durchlässe für die Bohrwerkzeugaufnahme 5 sowie
für das Spülwasser auf.
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Die
für den Bohrvorgang benötigte mechanische Energie
betrifft die Bohrwerkzeugantrieb 8, eine Bohrvortriebseinrichtung 6,
einen Querantrieb 10 der Bohrwerkzeugaufnahme 5 und
einen Zylinderantrieb 14. Die Teile des Bohrgerätes 1 im
Bohrloch 2 sind mittels der Bohrvortriebseinrichtung 6 parallel
zur Vortriebsachse 7 im Bohrloch 2 bewegbar und
präzise positionierbar. Dabei liegt die Bohrvortriebseinrichtung 6 an
einem in 4 dargestellten Führungselement 11 der
Verrohrung 3 an. Mittels des Bohrwerkzeugantriebs 8 ist
die Bohrwerkzeugaufnahme 5 und das Bohrwerkzeug 4 rotatorisch
um die Achse des Bohrwerkzeugs 1 beweglich, wobei die Achse des
Bohrwerkzeugs 4 grundsätzlich, wie in der hier dargestellten
Ausführungsform, parallel zur Vortriebsachse 7 orientiert
ist. Der Querantrieb 10 ermöglicht eine Positionierbarkeit
der Bohrwerkzeugaufnahme 5 entlang einer Geraden, die senkrecht
zu der Vortriebsachse 7 orientiert ist. Hierdurch ist es möglich,
das Bohrwerkzeug 4 über den äußeren Durchmesser
des Mantels 12 hinaus zu bewegen und so ein Bohrloch 2 zu
erzeugen, das der äußeren Kontur der Verrohrung 3 entspricht.
Die Bohrwerkzeugantriebseinrichtung 8 und der Querantrieb 10 sind
in einem Bohrzylinder 13 angeordnet. Dieser Bohrzylinder 13 ist
mittels des Zylinderantriebs 14 rotatorisch gegenüber
dem Mantel 12 bewegbar und positionierbar. Durch das Zusammenspiel
der mechanischen Bewegungseinrichtungen ist es möglich, das
Bohrwerkzeug 4 beliebig auf dem Querschnitt des Bohrlochs 2 zu
positionieren und/oder entlang beliebiger Bahnen zu bewegen. Dies
ermöglicht es, nahezu jeden gewünschten Querschnitt
herzustellen. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, dass ein von
der Kreisform abweichender, an die Kontur der Verrohrung 3 angepasster
Querschnitt des Bohrlochs 2 Torsionsmomente der Verrohrung 3 aufnehmen
und an den Boden übertragen kann.
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Die
Verlegeeinrichtung 15 zum Ausbringen der Verrohrung 3 verfügt über
eine Haltemechanik 19 zur Aufnahme eines Auskleidungselements 17, 18 der
Verrohrung 3 und über zumindest einen Sensor 27,
mittels dem das Ausbringen der Auskleidungselemente 17, 18 überwachbar,
kontrollierbar und/oder steuerbar ist. Die Bohrschlammbehandlungsanlage 22 zur
Aufbereitung des Spülwassers umfasst eine Sedimentationsanlage 21 und
zumindest eine Pumpe 20 zur Förderung des Bohrschlamms
und/oder des Spülwassers. Mittels einer Notfallbergeeinrichtung 24 können
die Teile des Bohrgeräts 1 im Bohrloch 2 im
Havariefall aus dem Bohrloch 2 geborgen werden. Die Notfallbergeeinrichtung 24 besteht
aus einer über dem Bohrloch 2 positionierbaren
Kurbel, die mittels eines Zugseils mit den Teilen des Bohrgeräts 1 im
Bohrloch 2 verbunden ist. Die Kurbel ist manuell bedienbar.
Bei einer Aktivierung der Notfallbergeeinrichtung 24 wird
die Bohrvortriebseinrichtung 6 deaktiviert, sodass diese
das Bohrgerät 1 nicht mehr im Bohrloch 2 trägt.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung eines Bohrlochs, das mit dem in 1 beschriebenen
Bohrgerät 1 herstellbar ist. Das Bohrloch 2 erstreckt
sich entlang der Bohrvortriebsachse 7 und ist mit der Verrohrung 3 ausgekleidet.
Die Verrohrung 3 besteht aus einzelnen, nacheinander in
Bohrvortiebsrichtung angeordneten Rohrabschnitten 16, wobei
jeder Rohrabschnitt 16 aus zwei Auskleidungselementen 17, 18 besteht.
Das gezeigte Bohrloch 2 beginnt in einem Kellerraum 30 eines
Wohnhauses.
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Zur
Herstellung eines solchen Bohrlochs 2 wird zunächst
die Bohrstelle eingerichtet. Dazu wird ein den Boden des Kellerraums 30 durchbrechendes Startrohr 31 lotrecht
ausgerichtet und im Boden verankert. Anschließend wird
die Notfallbergeeinrichtung 24 über dem Bohrloch 2 installiert
und das Bohrgerät 1 mit dieser verbunden. Das
Bohrgerät 1 wird nun bis zur Länge eines
Rohrabschnitts 16 in den Boden vorgetrieben. Das Bohren
erfolgt dabei in mehreren einzelnen Schritten. Zunächst
wird das Bohrwerkzeug 4 in mittiger Position in den Boden
getrieben. Anschließend wird durch eine Überlagerung
der Drehbewegung des Zylinderantriebs 14 und der Linearbewegung
des Querantriebs 10 das Bohrwerkzeug 4 entlang
einer gebeugten Bahn exzentrisch seitwärts bewegt. In Abhängigkeit
des gewählten Durchmessers des Bohrwerkzeugs 4 können
so Bohrlöcher 2 erzeugt werden, die einen größeren
Durchmesser aufweisen als das Bohrgerät 1 und
eine beliebige Querschnittsform haben. Da das Bohrwerkzeug 4 in
der Regel kürzer ist als ein Rohrabschnitt 16,
sind mehrere solcher Bohrvorgänge notwendig, bis das Bohrloch 2 die
gewünschte Querschnittsform aufweist und bis es um die
Länge eines Rohrabschnitts 16 vorgetrieben wurde.
Danach wird das Bohrloch 2 mit einem weiteren Rohrabschnitt 16 ausgekleidet
und gesichert. Von der Verlegeeinrichtung 15 wird dazu
zunächst ein Auskleidungselement 17 an der Wand
des Bohrlochs 2 positioniert. Das Auskleidungselement 17 besteht
aus einem elastisch verformbaren Material und wird von der Haltemechanik 19 der
Verlegeeinrichtung 15 in einem gespannten Zustand gehalten.
Das Verbindungselement 25 des Auskleidungselements 17 wird
mit der bestehenden Verrohrung 3 verbunden. Anschließend
wird das andere Auskleidungselement 18 ebenso in dem Bohrloch 2 positioniert.
Nacheinander werden dann die Auskleidungselemente 17, 18 von
der Haltemechanik 19 freigegeben. Die Auskleidungselemente 17, 18 entspannen
sich teilweise und schmiegen sich eng an die Wand des Bohrlochs 2.
Dabei Verbinden sich die Auskleidungselemente 17, 18 mittels
ihrer Fügeelemente 26 zu einem Rohrabschnitt 16.
Das Bohrgerät 1 bewegt sich selbstständig
aus dem Bohrloch 2 heraus, damit die Bohrschlammbehandlungsanlage 22 von
den Sedimentationsresten entleert und gereinigt und die Verlegeeinrichtung 15 mit
neuen Auskleidungselementen 17, 18 bestückt
werden kann. Nun kann das Bohrgerät 1 wieder in
das Bohrloch 2 einfahren und einen neuen Bohrzyklus beginnen.
Das Bohrgerät 1 ist über Kabel- und Schlauchverbindungen 32 mit
einer in dem Kellerraum 30 aufgestellten Steuereinrichtung 23 verbunden.
Die Steuereinrichtung 23 übernimmt im Regelfall
die programmgesteuerte Bohrung und stimmt den Vortrieb des Bohrgeräts 1,
die Rotation des Bohrzylinders 13, die Linearbewegung der
Bohrwerkzeugaufnahme 5 durch den Querantrieb 10 und
die Drehzahl der Bohrwerkzeugantriebseinrichtung 8 sowie
die Leistung der Pumpe 20 aufeinander ab. Zur schonenden
Führung der Kabel- und Schlauchverbindungen 32 ist über
dem Bohrloch 2 eine Rollspindelvorrichtung 29 positioniert.
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3 zeigt
einen Schnitt durch das Bohrgerät 1 und den Bohrzylinder 13.
Der Bohrzylinder 13 ist mittels des Zylinderantriebs 14 gegenüber
dem Mantel 12 des Bohrgeräts 1 einstellbar
verdrehbar. Der Zylinderantrieb 14 verfügt über
Zahnradwalzen, die an der inneren gezahnten Oberfläche
des Mantels 12 anliegen und mit einem Elektromotor verbunden sind.
In einer Aussparung 33 des Bohrzylinders 13 ist der
Querantrieb 10 angeordnet. Der Querantrieb 10 besteht
aus zwei Zahnradwalzen, die aneinander und an der gezahnten Oberfläche
der Aussparung des Bohrzylinders 13 anliegen. Eine dieser
Zahnradwalzen des Querantriebs 10 ist mit einem Elektromotor
verbunden, die andere Zahnradwalze nimmt die Bohrwelle 34,
die die Bohrwerkzeugantriebseinrichtung 8 mit der Bohrwerkzeugaufnahme 5 verbindet, auf.
Der Bohrzylinder 13 weist weiterhin Bohrungen 35 für
die Durchleitung der Spülflüssigkeit und des Bohrschlamms
auf.
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4 zeigt
eine Ansicht des Auskleidungselements 17. Das Auskleidungselement 17 ist
als Halbschale ausgebildet, wobei die Innenseite mit Ausnahme des
Führungselements 11 die geometrische Form eines
Halbkreises hat. Das Führungselement 11 ist als
Zahnstange ausgebildet, wobei die Oberfläche der Innenseite
gegenüber den Zähnen der Zahnstange erhaben ist.
An den Kopfenden des Auskleidungselements 17 befinden sich
einzelne Verbindungselemente 25. Die Längskanten
des Auskleidungselements 17 weisen Fügeelemente 26 auf. Das
Auskleidungselement 18 ist zu dem Auskleidungselement 17 passend
aufgebaut, sodass sich die beiden Auskleidungselemente 17, 18 leicht
ineinander fügen und sich dauerhaft verbinden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 03/078790
A1 [0006]
- - DE 3433097 A1 [0007]
- - EP 0002160 A1 [0007]
- - US 3174563 [0007]
- - EP 0391873 B1 [0007]
- - DE 3714837 A1 [0007]
- - US 3416616 [0008]
- - US 3199616 [0008]
- - US 3753470 [0008]
- - US 3848683 [0008]
- - DE 19707286 C1 [0009]
- - DE 3901921 A1 [0010]