DE102012010199A1

DE102012010199A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erstellen eines Bohrloches

Info

Publication number: DE102012010199A1
Application number: DE201210010199
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Hagemeyer Carl; Frank Jung
Original assignee: Klemm Bohrtechnik GmbH
Current assignee: Klemm Bohrtechnik GmbH
Priority date: 2012-05-16
Filing date: 2012-05-16
Publication date: 2013-11-21
Anticipated expiration: 2032-05-17
Also published as: DE102012010199B4; ITMI20121112A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erstellen eines Bohrloches in einem Boden, bei welchem ein rohrförmiges Bohrgestänge über eine Antriebswelle eines Drehantriebs drehend angetrieben und zum Erstellen des Bohrloches in den Boden eingebracht wird, wobei durch das rohrförmige Bohrgestänge dem Bohrloch ein Fluid zugeführt wird. Es ist vorgesehen, dass ein Standrohr mittels des Drehantriebs des Bohrgestänges in einen oberen Bereich des Bodens drehend eingebracht wird, wobei das Standrohr das Bohrgestänge umgibt und ein Ringraum zwischen dem Bohrgestänge und dem Standrohr gebildet ist, dass das Standrohr von dem Drehantrieb entkoppelt und mittels einer Halteeinrichtung feststehend fixiert wird, dass das Bohrgestänge zum Erstellen des Bohrloches durch das feststehende Standrohr hindurch in einen unteren Bereich des Bodens eingebracht wird und dass aus dem Bohrloch aufsteigendes Fluid über den Ringraum aus dem Bohrloch abgeführt und über einen Auswurfkopf mit einer Auswurföffnung definiert abgeleitet wird. Die Erfindung betrifft außerdem eine Bohrvorrichtung zum Erstellen eines Bohrloches.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erstellen eines Bohrloches im Boden gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Bohrvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein rohrförmiges Bohrgestänge über eine Antriebswelle eines Drehantriebs drehend angetrieben und zum Erstellen des Bohrloches in den Boden eingebracht, wobei durch das rohrförmige Bohrgestänge dem Bohrloch ein Fluid zugeführt wird.
Die erfindungsgemäße Bohrvorrichtung umfasst ein Bohrgestänge, welches zum mittigen Zuführen eines Fluids in das Bohrloch rohrförmig ausgebildet ist, und einen Drehantrieb mit einer Antriebswelle zum drehenden Antreiben des Bohrgestänges zum Erstellen des Bohrloches.
Bei vielen bekannten Bohrverfahren wird mit einem Bohrgestänge gearbeitet, durch welches ein Fluid, zum Beispiel Wasser oder eine Zement-Suspension, der Wirkstelle am Bohrwerkzeug zugeführt wird. Das austretende Fluid kühlt das Werkzeug und sorgt für den Abtransport des Bohrkleins. Das Bohrklein gelangt mit dem Fluid an der Außenwandung des Bohrgestänges wieder an die Geländeoberfläche und tritt am Bohrlochmund ins Freie. Durch diese Arbeitsweise wird das Fluid ohne weitere Maßnahmen direkt auf das Arbeitsplenum, also die Bodenoberfläche, geleitet. Bei größeren Spülungsmengen kann dies wegen negativer Auswirkungen auf die Arbeitssicherheit und/oder wegen der Aufweichung des Plenums unerwünscht sein.
Die Problematik eines aufgeweichten Plenums beziehungsweise Bodens ist insbesondere bei Bohrungen für Hochdruckinjektionen gegeben. Hier wird beim Abteufen des Bohrgestänges mit Wasser oder Zementsuspension eine Bodenvorbearbeitung vorgenommen, und beim Zurückziehen des Bohrgestänges werden teilweise große Mengen Zement injiziert. Der Suspensionsrücklauf tritt am Bohrlochmund ins Freie und führt zu erheblichen Beeinträchtigungen am Arbeitsplenum. Diese Situation wird wegen der meist dicht beieinander liegenden Bohrstellen noch weiter verschlechtert.
Neben einem Bohrverfahren mittels eines einzigen Bohrgestänges, auf das sich die Erfindung bezieht, sind auch sogenannte Doppelkopfbohrverfahren und entsprechende Vorrichtungen bekannt. Eine Doppelkopfbohranlage, bei welcher ein Außenbohrgestänge und ein Innenbohrgestänge jeweils über einen Bohrantrieb angetrieben sind, ist beispielsweise in der DE 10 2010 010 036 B4 beschrieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erstellen eines Bohrloches anzugeben, welche eine besonders sichere und umweltschonende Erstellung eines Bohrloches ermöglichen und insbesondere die oben beschriebenen negativen Auswirkungen vermeiden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Bohrvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst.
Bei dem Verfahren ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein Standrohr mittels des Drehantriebs des Bohrgestänges in einen oberen Bereich des Bodens drehend eingebracht wird, wobei das Standrohr das Bohrgestänge umgibt und ein Ringraum zwischen dem Bohrgestänge und dem Standrohr gebildet ist, dass das Standrohr von dem Drehantrieb entkoppelt und mittels einer Halteeinrichtung feststehend fixiert wird, dass das Bohrgestänge zum Erstellen des Bohrloches durch das feststehende Standrohr hindurch in einen unteren Bereich des Bodens eingebracht wird und dass aus dem Bohrloch aufsteigendes Fluid über den Ringraum aus dem Bohrloch abgeführt und über einen Auswurfkopf mit einer Auswurföffnung definiert abgeleitet wird.
Bei der Bohrvorrichtung ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zum definierten Abführen von Fluid aus dem Bohrloch ein Standrohr vorgesehen ist, welches mittels des Drehantriebs des Bohrgestänges in einen oberen Bereich des Bodens, das Bohrgestänge umgebend, drehend einbringbar, von dem Drehantrieb entkoppelbar und mittels einer Halteeinrichtung feststehend fixierbar ist, wobei das Bohrgestänge zum Erstellen des Bohrloches durch das feststehende Standrohr hindurch in einen unteren Bereich des Bodens einbringbar ist, und dass ein Auswurfkopf mit einer Auswurföffnung zum definierten Ableiten des Fluids aus einem radial zwischen dem Bohrgestänge und dem Standrohr gebildeten Ringraum vorgesehen ist.
Ein Grundgedanke der Erfindung kann darin gesehen werden, beim Abbohren des Bohrgestänges gleichzeitig ein konzentrisch geführtes Standrohr für eine gewisse Strecke mitabzuteufen und während des weiteren Arbeitens im Boden zu belassen. Das Standrohr soll einen definierten Weg für den Spülungsrückfluss vorgeben.
Das Bohrgestänge und das Standrohr werden zunächst, vorzugsweise gleichzeitig, in einen oberen Bereich des Bodens eingebracht. Dieser obere Bereich umfasst vorzugsweise einige Meter Tiefe, zum Beispiel etwa zwei bis acht Meter. Das Standrohr verbleibt dann in seiner Position, während das Bohrgestänge zum Erstellen des Bohrloches in eine größere Tiefe abgebohrt wird.
Während des weiteren Abbohrens des Bohrgestänges strömt das Spülfluid zunächst in einem Ringraum zwischen dem Bohrgestänge und der Bohrlochwandung nach oben, bis es das Standrohr erreicht. Ab dieser Tiefe wird das Fluid dann zwischen dem Bohrgestänge und dem Standrohr bis über die Bodenoberfläche geleitet, wo es über eine Fluidabführeinrichtung definiert abgeleitet wird.
Vorrichtungsmäßig weist das gegebenenfalls aus mehreren Gestängeelementen aufgebaute Bohrgestänge vorzugsweise eine erheblich größere Länge auf als das Standrohr. Bei einem aus mehreren Gestängeelementen aufgebauten Bohrgestänge kann das Bohrgestänge durch Einsetzen zusätzlicher Gestängeelemente grundsätzlich auf beliebige Längen verlängert werden. Das Standrohr hat demgegenüber eine begrenzte, definierte Länge und ist vorzugsweise aus einem Stück gefertigt.
Ein weiterer Grundgedanke der Erfindung ist darin zu sehen, dass das Standrohr nach seiner Einbringung in den Boden beim weiteren Bohrvorgang feststehend gehalten wird, also weder drehend noch axial angetrieben ist. Die hierzu vorgesehene Halteeinrichtung befindet sich während des Einbringens des Standrohres in den Boden in einer gelösten Position oder -stellung und wird nach erfolgter Einbringung von der gelösten Position in eine Halteposition oder -stellung gebracht.
Der Auswurfkopf weist einen definierten Anschluss für eine Spülungsabführungseinrichtung, beispielsweise eine rohr- oder schlauchförmige Leitung, auf. Das Fluid wird während der Erstellung des Bohrloches über das feststehende Standrohr und eine feststehende Auswurföffnung aus dem Bohrloch abgeführt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbesondere zur Durchführung eines Hochdruck-Injektions-Verfahrens (HDI-Verfahren). Verfahrensmäßig betrifft die Erfindung insbesondere ein Hochdruck-Injektions-Verfahren zum Erstellen eines Bohrloches. Bei einem solchen Verfahren, welches auch als Düsenstrahlverfahren bezeichnet werden kann, wird als Bohrgestänge ein Hochdruckinjektionsgestänge in den Boden abgeteuft, an dessen unterem Ende seitlich eine Düse (HDI-Düse) angebracht ist. Mit Hochdruck wird eine Flüssigkeit, zum Beispiel Wasser oder eine Bindemittelsuspension, durch die Düse gepresst. Dabei entsteht ein energiereicher Schneidstrahl, der den Boden aus seiner natürlichen Lagerung löst und mit Bindemittel versetzt. Durch Drehen und gleichzeitiges Ziehen des Gestänges durchfährt der Schneidstrahl im Boden eine Spirale, so dass ein säulenartiger Hohlraum entsteht, der mit Bindemittelsuspension und Boden gefüllt ist. Durch das Bindemittel verfestigt sich dieses Gemisch und eine belastbare Säule entsteht.
Zum Einbringen des Standrohres in den Boden wird mit besonderem Vorteil der Drehantrieb des Bohrgestänges verwendet. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass in einem ersten Verfahrensschritt das Standrohr mit dem Drehantrieb verbunden und über die Antriebswelle, die das Bohrgestänge antreibt, in den Boden eingedreht wird, und dass in einem zweiten Verfahrensschritt der Drehantrieb von dem Standrohr gelöst und das Bohrgestänge mittels des Drehantriebs, gegebenenfalls weiter, in den Boden eingebracht wird.
Ein Grundgedanke dieses Erfindungsaspektes kann darin gesehen werden, dass das Standrohr zum Einbringen in die obere Bodenschicht drehend angetrieben sein kann, und zwar mittels desselben Antriebsmotors, welcher auch das Bohrgestänge antreibt. Das Standrohr wird hierzu in einer Weise direkt oder indirekt mit dem Drehantrieb verbunden, dass ein Drehmoment und eine Vorschubbewegung des Drehantriebs auf das Standrohr übertragbar sind. Nachdem das Standrohr seine erwünschte Position beziehungsweise Tiefe erreicht hat, wird es von dem Drehantrieb gelöst und mittels der Halteeinrichtung feststehend fixiert.
Es ist außerdem erfindungsgemäß bevorzugt, dass das Fluid während der Erstellung des Bohrloches über das feststehende Standrohr und eine feststehende Auswurföffnung aus dem Bohrloch abgeleitet wird. Die feststehende Auswurföffnung erleichtert das gezielte Ableiten des Fluids.
Vorzugsweise werden das Bohrgestänge und das Standrohr bis zum Erreichen der vorbestimmten Endposition des Standrohres gemeinsam über den Drehantrieb angetrieben und in den Boden eingebracht. Nach Erreichen der Zielposition des Standrohres kann das Bohrgestänge unabhängig vom Standrohr zum Erstellen des Bohrloches weiter in den Boden eingedreht werden. Der Drehantrieb treibt also im ersten Verfahrensschritt vorzugsweise das Bohrgestänge und das Standrohr gleichzeitig, vorzugsweise synchron, an, während im zweiten Verfahrensschritt ausschließlich das Bohrgestänge angetrieben wird. Die Bohrtiefe des Bohrgestänges beträgt vorzugsweise ein Vielfaches der Eindringtiefe des Standrohres.
Vorzugsweise umfasst die Bohrvorrichtung einen Mast oder eine Lafette, an welcher der Drehantrieb axial verfahrbar geführt ist. Insbesondere, wenn das Bohrgestänge länger ist als der zur Verfügung stehende Verfahrweg auf dem Mast beziehungsweise der Lafette, weist der Drehantrieb vorzugsweise einen Nachfass- oder Spannkopf auf, über welchen das Bohrgestänge angetrieben werden kann. Der Nachfass- oder Spannkopf umfasst zur Übertragung der Vorschubkraft und des Drehmomentes ein Spannfutter. Während das Spannfutter bei der Vorschubbewegung geschlossen ist, kann es nach Erreichen einer Vorschubendstellung am unteren Ende des Mastes oder der Lafette geöffnet, relativ zum Bohrgestänge an dem Mast beziehungsweise der Lafette axial verfahren und an einer anderen Position erneut gespannt werden und die Vorschubbewegung fortsetzen.
Zum Erstellen des Bohrloches bei feststehendem Standrohr ist das Bohrgestänge vorzugsweise mittels einer gegenüber dem feststehenden Standrohr axial verfahrbaren Spanneinrichtung angetrieben.
Das Bohrgestänge kann aus einem Stück gefertigt oder mehrteilig ausgeführt sein. Bei Verwendung eines mehrteiligen Bohrgestänges wird vorzugsweise zum Verlängern des Bohrgestänges axial zwischen dem Drehantrieb und dem Standrohr zumindest ein zusätzliches Gestängeelement eingesetzt.
Zum Einbringen des Standrohres in den Boden ist es bevorzugt, dass das Standrohr über die Antriebswelle, die das Bohrgestänge antreibt, drehend antreibbar und in den Boden einbringbar ist. Der Drehantrieb zum Antreiben des Bohrgestänges kann also in einem ersten Verfahrensschritt gleichsam zum Einbringen des Standrohres verwendet werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Auswurfkopf ein Innenteil aufweist, welches einerseits mit dem Drehantrieb und andererseits mit dem Standrohr verbindbar und ausgebildet ist, ein Drehmoment des Drehantriebs auf das Standrohr zu übertragen. Das Innenteil des Auswurfkopfes ist somit in axialer Richtung zwischen dem Drehantrieb und dem Standrohr angeordnet. Das Innenteil weist an seinem oberen Ende einen oberen Anschlussbereich, beispielsweise ein Gewinde, auf, über welchen eine Drehbewegung auf das Innenteil übertragbar ist. Des Weiteren weist das Innenteil an seinem unteren Ende einen unteren Anschlussbereich auf, über welchen eine Drehbewegung auf das Standrohr übertragbar ist. Die Anschlussbereiche sind vorzugsweise für eine lösbare Verbindung ausgelegt.
Während des Bohrbetriebs bleibt der Auswurfkopf vorzugsweise mit dem Standrohr verbunden und ist – nach dem Einbringen des Standrohres in den Boden – vom Drehantrieb entkoppelt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Drehantrieb einen drehbaren Anschlussbereich zum lösbaren Befestigen eines Innenteils des Auswurfkopfes und/oder des Standrohres aufweist. Der Anschlussbereich ist über die Antriebswelle des Drehantriebs angetrieben und zum axial und drehfesten Ankoppeln des Auswurfkopfes und/oder des Standrohres, also zur Übertragung einer Vorschubkraft und eines Drehmomentes, ausgebildet. Vorzugsweise befindet sich der Anschlussbereich unterhalb einer Spanneinrichtung beziehungsweise des Spannkopfes zum Einspannen des Bohrgestänges.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Anschlussbereich des Drehantriebs eine Aufnahmehülse umfasst, in welche ein oberer Abschnitt des Auswurfkopfes und/oder des Standrohres axial einführbar ist. Der Auswurfkopf beziehungsweise das Standrohr weist einen entsprechenden männlichen Anschlussbereich auf, der in der Aufnahmehülse axial fest und rotationsfest fixiert werden kann.
Zum definierten Ableiten des Fluids ist es bevorzugt, dass der Auswurfkopf ein Außenteil aufweist, welches gegenüber einem Innenteil drehbar gelagert ist und einen Anschluss für eine Fluidabführungseinrichtung, insbesondere eine Fluidabführungsleitung, aufweist. Bei drehendem Innenteil kann somit das Außenteil festgehalten und die Fluidabführungsleitung in Position gehalten werden.
Besonders bevorzugt ist es, dass eine Drehmomentstütze vorgesehen ist, mittels welcher das Außenteil des Auswurfkopfes gegen ein Verdrehen sicherbar ist. Insbesondere beim Eindrehen des Standrohres über das drehbare Innenteil des Auswurfkopfes kann somit zuverlässig ein Mitdrehen des Außenteils unterbunden werden. Die Drehmomentstütze kann beispielsweise am feststehenden Gehäuse des Drehantriebs angeordnet oder befestigt sein und lösbar mit dem Außenteil des Auswurfkopfes in Eingriff gebracht werden. Vorzugsweise umfasst die Drehmomentstütze ein rohr- oder stangenförmiges Element, welches in eine Aufnahmeöffnung an dem Außenteil des Auswurfkopfes eingreift.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Halteeinrichtung eine Klemmeinrichtung zum Festklemmen des Standrohres auf. Die Klemmeinrichtung ist zwischen einer gelösten und einer Eingriffsposition verstellbar. Vorzugsweise ist die Halteeinrichtung beziehungsweise die Klemmeinrichtung in einem unteren Bereich des Mastes beziehungsweise der Lafette der Bohrvorrichtung angeordnet.
Vorzugsweise ist zusätzlich zu der Halteeinrichtung zum Halten des Standrohres zumindest eine weitere Halteeinrichtung zum Halten des Außenteils des Auswurfkopfes und/oder zum Halten des Bohrgestänges vorgesehen. Wenn der Drehantrieb mit der Drehmomentstütze gegenüber dem Auswurfkopf nach oben verfahren ist, kann die weitere Halteeinrichtung zum Beispiel das Festhalten des Außenteils übernehmen. Die weitere Halteeinrichtung kann außerdem dazu eingerichtet und vorgesehen sein, das Bohrgestänge, beispielsweise beim Einsetzen eines zusätzlichen Gestängeelementes, zu sichern. Die weitere Halteeinrichtung kann, gleich oder ähnlich der Halteeinrichtung zum Festklemmen des Standrohres, eine Klemmeinrichtung aufweisen. Grundsätzlich ist es auch möglich, eine gemeinsame Halteeinrichtung vorzusehen, welche sowohl zum Festklemmen des Standrohres, des Außenteils des Auswurfkopfes als auch des Bohrgestänges eingerichtet ist.
Vorzugsweise ist die Halteeinrichtung, insbesondere die weitere Halteeinrichtung, in einer axialen Richtung des Bohrgestänges verfahrbar. Hierzu kann die Halteeinrichtung an dem Mast oder der Bohrlafette der Bohrvorrichtung verschiebbar gelagert sein.
Zum axialen Führen des Standrohres ist vorzugsweise eine ringförmige Führungseinrichtung vorgesehen, welche in einer bevorzugten Ausgestaltung an einem unteren Bereich des Mastes oder der Lafette angeordnet ist. Hiermit kann das Standrohr beim Einbringen in den Boden oberhalb der Bodenoberfläche sicher geführt werden.
Besonders bevorzugt ist es nach der Erfindung, dass das Bohrgestänge als Hochdruckinjektionsgestänge mit einer Düse zum Erzeugen eines Schneidstrahles ausgebildet ist. Durch eine solche Bohrvorrichtung zur Durchführung eines Hochdruck-Injektions-Verfahrens zum Erstellen einer verfestigten Säule im Boden kann der erfindungsgemäße Auswurfkopf besonders effizient genutzt werden, da bei einem solchen Verfahren eine große Menge an Fluid aus dem Bohrloch nach oben strömt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, welche in den beigefügten, schematischen Zeichnungen dargestellt sind, weiter beschrieben. Hierin zeigt:
1: eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Bohrvorrichtung;
2: einen vergrößerten Ausschnitt aus 1;
3: ein Spannfutter der Bohrvorrichtung in geöffneter Stellung;
4: eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Bohrvorrichtung mit rückgezogenem Drehantrieb;
5: eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Bohrvorrichtung beim Einfügen eines zusätzlichen Gestängeelements;
6: eine Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie A-A in 1;
7: eine Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie B-B in 4;
8: eine Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie C-C aus 5;
9: eine Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie D-D aus 4.
In sämtlichen Figuren sind gleiche oder gleichwirkende Komponenten mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
Eine erfindungsgemäße Bohrvorrichtung 10 weist eine Lafette oder einen Mast 12 auf, welcher an einer Mastbasis 13 befestigt ist. Ein Schlitten 14 ist axial verschiebbar am Mast 12 gelagert und mittels eines nicht dargestellten Vorschubantriebs angetrieben. Der Schlitten 14 trägt einen Drehantrieb 30 zum drehenden Antreiben eines rohrförmigen Bohrgestänges 20, an dessen unterem Ende ein nicht dargestelltes Bohrwerkzeug angeordnet ist. Das Bohrgestänge 20 umfasst einen mittigen Zuführkanal 24 zum Einleiten eines Spülungsfluids in das Bohrloch, um das Bohrwerkzeug zu kühlen und/oder abgetragenes Bohrklein außerhalb des Bohrgestänges 20 zwischen Bohrlochwandung und Bohrgestänge 20 nach oben zu spülen. An einem oberen Bereich des Bohrgestänges 20 ist ein Spülkopf 28 zum Einleiten des Fluids vorgesehen (5). Das Bohrgestänge 20 kann aus einem oder mehreren Gestängeelementen 22 aufgebaut sein.
Der Drehantrieb 30 umfasst einen Motor 32, beispielsweise einen Hydraulikmotor oder einen Elektromotor, und eine Antriebswelle 34 zum drehenden Antreiben des Bohrgestänges 20. Eine von der Antriebswelle 34 drehend angetriebene Spanneinrichtung 36 oder ein Spannkopf ist zum Festklemmen des Bohrgestänges 20 eingerichtet, um sowohl eine Drehbewegung als auch eine Vorschub- beziehungsweise Axialbewegung auf das Bohrgestänge 20 zu übertragen. Die Spanneinrichtung 36 umfasst ein Spannfutter 38, welches zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Stellung verstellbar ist.
Zum definierten Ableiten des Spülungsfluids aus dem Bohrloch ist ein Standrohr 70 angeordnet, welches das Bohrgestänge 20 unter Ausbildung eines Ringraumes 76 zwischen dem Bohrgestänge 20 und dem Standrohr 70 umgibt. Das Standrohr 70 weist eine geringere Länge auf als die Gesamtlänge des Bohrgestänges 20 und ist dazu vorgesehen, in einen oberen Bereich des Bodens, das Bohrloch ringförmig umgebend, einbracht zu werden. In dem Bohrloch aufsteigende Spülflüssigkeit, gegebenenfalls zusammen mit Bohrklein, gelangt somit nicht unkontrolliert an die Bodenoberfläche, sondern wird über das Standrohr 70 definiert nach oben geleitet.
An ein oberes Ende des Standrohres 70 ist ein Auswurfkopf 50 angeschlossen. Das durch das Standrohr 70 geleitete Fluid ist über eine Auswurföffnung 53 des Auswurfkopfes 50 gezielt ableitbar. An dem Auswurfkopf 50 ist ein Anschluss 54 für eine Fluidabführungseinrichtung 56, beispielsweise eine Rohr- oder Schlauchleitung, vorgesehen. In den Figuren ist ein Rohrbogen einer Fluidabführungseinrichtung 56 dargestellt.
Das Standrohr 70 weist an einem oberen axialen Endbereich einen Verbindungs- oder Anschlussbereich 72, beispielsweise ein Gewinde, eine Steck- oder eine Schraubverbindung, auf. Über den Anschlussbereich 72 kann das Standrohr 70 mit dem Auswurfkopf 50 – oder auch direkt mit einem entsprechenden Anschlussbereich des Drehantriebs 30 – verbunden werden.
Der Auswurfkopf umfasst ein Innenteil 60, welches mit der Spanneinrichtung 38 und dem Standrohr 70 rotiert, und ein feststehend fixierbares, gegenüber dem Innenteil 60 drehbares Außenteil 52.
Das Innenteil 60 ist drehfest mit dem Standrohr 70 verbunden und umfasst hierzu einen unteren Anschlussbereich 66, beispielsweise mit einem Gewinde, zum Verbinden mit dem Anschlussbereich 72 des Standrohres 70. Während der Erstellung eines Bohrloches bleibt das Standrohr 70 üblicherweise mit dem Innenteil 60 des Auswurfkopfes 50 verbunden. Grundsätzlich wäre es auch möglich, das Innenteil 60 einstückig mit dem Standrohr 70 auszubilden.
An einem unteren Ende des Drehantriebs 30 beziehungsweise der Spanneinrichtung 36 ist ein Anschlussteil oder Anschlussbereich 40 zum Anschließen eines rohrförmigen Teils, insbesondere des Innenteils 60 des Auswurfkopfes 50, vorgesehen. Der Anschlussbereich 40 befindet sich an der Antriebswelle 34 oder einem rotierenden Innenteil der Spanneinrichtung 36 und dreht sich zusammen mit der Antriebwelle 34 beziehungsweise der Spanneinrichtung 36. Er ist dazu eingerichtet, eine Drehbewegung und eine Axialbewegung, insbesondere über den Auswurfkopf 50, auf das Standrohr 70 zu übertragen.
Der Anschlussbereich 40 umfasst eine Aufnahmehülse oder einen Hülsenabschnitt 42, welcher zur Aufnahme des rohrförmigen Teils eingereichtet ist. Der Hülsenabschnitt 42 umgibt eine Aufnahmeöffnung 44, deren Innendurchmesser größer ist als der Außendurchmesser des Bohrgestänges 20.
In einem oberen Bereich des Auswurfkopfinnenteils 60 ist ein oberer Anschlussbereich 62 vorgesehen, welcher mit dem Anschlussteil oder -bereich 40 des Drehantriebs 30 verbindbar und insbesondere in die Aufnahmeöffnung 44 zwischen Bohrgestänge 20 und Hülsenabschnitt 42 einführbar ist. Zur Übertragung eines Drehmoments und einer Vorschubbewegung von dem Anschlussbereich 40 des Drehantriebs 30 auf den Anschlussbereich 62 des Innenteils 60 sind Befestigungselemente 46, beispielsweise Schrauben, insbesondere Konusschrauben, vorgesehen. Die Anschlussbereiche 40 und 62 weisen entsprechende Ausnehmungen 64 für die Befestigungselemente auf. Zur Abdichtung des Innenteils 60 gegenüber dem Bohrgestänge 20 sind ringförmige Dichtelemente 63 zwischen dem Innenteil 60 und dem Bohrgestänge 20 angeordnet.
Der Anschluss 54 für die Fluidabführungseinrichtung 56 ist an dem Außenteil 52 des Auswurfkopfes 50 angeordnet. Über eine Drehmomentstütze 16 kann das Außenteil 52 gegen ein Verdrehen gesichert werden. Die Drehmomentstütze 16 ist an dem Drehantrieb 30, insbesondere an dessen Gehäuse 31, vorzugsweise lösbar, befestigt und mit dem Außenteil 52 des Auswurfkopfes 50 lösbar in Eingriff. Sie umfasst vorzugsweise ein stangenförmiges Element, welches zur Drehsicherung des Außenteils 52 in ein Auge 58 des Außenteils 52 eingeführt werden kann.
Zum Führen des Standrohres 70 ist eine Führungseinrichtung 92 vorgesehen. Die Führungseinrichtung 92 in Form eines Führungsringes ist an einem unteren Bereich des Mastes 12 oder an der Mastbasis 13 befestigt. Des Weiteren ist zum Halten des Standrohres 70 eine Halteeinrichtung 90 in Form einer Klemmeinrichtung vorgesehen. Die Halteeinrichtung 90 ist zwischen einer gelösten Position und einer Halteposition verstellbar.
Eine weitere Halteeinrichtung 80 ist verschiebbar an dem Mast 12 gelagert, um das Bohrgestänge 20 und/oder den Auswurfkopf 50 zu halten. Die Halteeinrichtung 80 kann insbesondere eine Klemmeinrichtung oder eine Klemm- und Brecheinrichtung umfassen, um einzelne Gestängeelemente 22 des Bohrgestänges 20 voneinander zu lösen. Wenn, wie in 5 dargestellt, ein zusätzliches Gestängeelement 22 zwischen dem Auswurfkopf 50 beziehungsweise Standrohr 70 und dem Drehantrieb 30 eingesetzt wird, kann die Halteeinrichtung 80 das im Standrohr 70 hängende Gestängeelement halten und gegen Verlust sichern. Die Halteeinrichtung 80 ist mittels einer Zylinderanordnung 82 an dem Mast 12 verschiebbar gelagert.
Die Halteeinrichtung 80 und/oder die Halteeinrichtung 90 können zur Verstellung zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Stellung eine insbesondere hydraulisch betätigbare Einrichtung aufweisen, beispielsweise einen Betätigungszylinder 84, wie in 9 dargestellt.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend mit Bezug auf die Figuren beschrieben.
Zunächst wird an das rotierende Anschlussteil 40 des Drehantriebs 30 beziehungsweise der Spanneinrichtung 36 über den Auswurfkopf 50 das Standrohr 70 angeschlossen. Das feststehende Außenteil 52 des Auswurfkopfes 50 wird durch die Drehmomentstütze 16, die am feststehenden Teil des Drehantriebs 30 lösbar befestigt ist, gegen Verdrehen gesichert.
Der Auswurfkopf 50 ist lösbar mit dem Verbindungsbereich 72 des Standrohres 70 verbunden, bleibt jedoch während des gesamten Bohrvorganges üblicherweise mit dem Standrohr 70 verbunden.
In einem ersten Schritt werden Bohrgestänge 20 und Standrohr 70 gleichzeitig abgebohrt. Dies erfolgt durch Betrieb des Drehantriebs 30, an welchem gleichzeitig das Bohrgestänge 20 und – über den Auswurfkopf 50 – das Standrohr 70 angeschlossen sind. Das Spülungsfluid gelangt im Ringraum zwischen Bohrgestänge 20 und Standrohr 70 nach oben zurück und durch den Auswurfkopf 50 in die Fluidabführungseinrichtung oder Leitung 56. Die Förderwirkung kann durch Sog einer an die Leitung 56 angeschlossenen Pumpe unterstützt werden.
Sobald das Standrohr 70 komplett abgebohrt ist, wird die Befestigung des Auswurfkopfinnenteils 60 von der Spanneinrichtung 36 gelöst. Die Sicherung des Außenteils 52 des Auswurfkopfes 50 übernimmt die an dem Mast 12 angeordnete Halteeinrichtung 80. Der Bohrvorgang wird bei feststehendem Standrohr 70 fortgesetzt. Während des weiteren Bohrvorgangs umgibt das Standrohr 70 lediglich einen oberen, antriebsseitigen Abschnitt des Bohrgestänges 20.
Der Drehantrieb 30 kann axial entlang des Mastes 12 nach oben verfahren, um ein Bohrgestänge 20 einzubohren, dessen Länge größer ist als der Verfahrweg des Drehantriebs 30 entlang des Mastes 12, oder um zusätzliche Gestängeelemente 22 einzusetzen. Hierzu wird das Spannfutter 38 gelöst, wie in 3 dargestellt.
Durch erneutes Schließen der Spanneinrichtung 36 kann das Abteufen des Bohrgestänges 20 fortgesetzt werden, bis das Bohrgestänge 20 komplett abgeteuft oder die gewünschte Endtiefe erreicht ist.
Falls das Bohrgestänge 20 stückweise nachgesetzt oder geborgen werden muss, kann dies unter Einbeziehung einer höhenverstellbaren Haltevorrichtung 80 erfolgen, so dass das freihängende Bohrgestänge 20 stets gegen Verlust gesichert ist.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren kann somit auf besonders wirtschaftliche Weise bei Verwendung nur eines einzigen Bohrgestänges ein Bohrloch erstellt werden, wobei ein über das Bohrgestänge in das Bohrloch eingeleitetes Fluid gezielt und sicher wieder aus dem Bohrloch abgeleitet werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010010036 B4 [0006]

Claims

Verfahren zum Erstellen eines Bohrloches in einem Boden, bei welchem ein rohrförmiges Bohrgestänge (20) über eine Antriebswelle (34) eines Drehantriebs (30) drehend angetrieben und zum Erstellen des Bohrloches in den Boden eingebracht wird, wobei durch das rohrförmige Bohrgestänge (20) dem Bohrloch ein Fluid zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, – dass ein Standrohr (70) mittels des Drehantriebs (30) des Bohrgestänges (20) in einen oberen Bereich des Bodens drehend eingebracht wird, wobei das Standrohr (70) das Bohrgestänge (20) umgibt und ein Ringraum (76) zwischen dem Bohrgestänge (20) und dem Standrohr (70) gebildet ist, – dass das Standrohr (70) von dem Drehantrieb (30) entkoppelt und mittels einer Halteeinrichtung (90) feststehend fixiert wird, – dass das Bohrgestänge (20) zum Erstellen des Bohrloches durch das feststehende Standrohr (70) hindurch in einen unteren Bereich des Bodens eingebracht wird und – dass aus dem Bohrloch aufsteigendes Fluid über den Ringraum (76) aus dem Bohrloch abgeführt und über einen Auswurfkopf (50) mit einer Auswurföffnung (53) definiert abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass in einem ersten Verfahrensschritt das Standrohr (70) mit dem Drehantrieb (30) verbunden und über die Antriebswelle (34), die das Bohrgestänge (20) antreibt, in den oberen Bereich des Boden eingedreht wird, und dass in einem zweiten Verfahrensschritt der Drehantrieb (30) von dem Standrohr (70) gelöst und das Bohrgestänge (20) mittels des Drehantriebs (30) zum Erstellen des Bohrloches in den unteren Bereich des Bodens eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid während der Erstellung des Bohrloches über das feststehende Standrohr (70) und eine feststehende Auswurföffnung (53) aus dem Bohrloch abgeleitet wird.
Bohrvorrichtung zum Erstellen eines Bohrloches in einem Boden, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit – einem Bohrgestänge (20), welches zum mittigen Zuführen eines Fluids in das Bohrloch rohrförmig ausgebildet ist, und – einem Drehantrieb (30) mit einer Antriebswelle (34) zum drehenden Antreiben des Bohrgestänges (20) zum Erstellen des Bohrloches, dadurch gekennzeichnet, – dass zum definierten Abführen von Fluid aus dem Bohrloch ein Standrohr (70) vorgesehen ist, welches mittels des Drehantriebs (30) des Bohrgestänges (20) in einen oberen Bereich des Bodens, das Bohrgestänge (20) umgebend, drehend einbringbar, von dem Drehantrieb (30) entkoppelbar und mittels einer Halteeinrichtung (90) feststehend fixierbar ist, wobei das Bohrgestänge (20) zum Erstellen des Bohrloches durch das feststehende Standrohr (70) hindurch in einen unteren Bereich des Bodens einbringbar ist, und – dass ein Auswurfkopf (50) mit einer Auswurföffnung (53) zum definierten Ableiten des Fluids aus einem radial zwischen dem Bohrgestänge (20) und dem Standrohr (70) gebildeten Ringraum (76) vorgesehen ist.
Bohrvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Standrohr (70) über die Antriebswelle (34), die das Bohrgestänge (20) antreibt, drehend antreibbar und in den Boden einbringbar ist.
Bohrvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Auswurfkopf (50) ein Innenteil (60) aufweist, welches einerseits mit dem Drehantrieb (30) und andererseits mit dem Standrohr (70) verbindbar und ausgebildet ist, ein Drehmoment des Drehantriebs (30) auf das Standrohr (70) zu übertragen.
Bohrvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehantrieb (30) einen drehbaren Anschlussbereich (40) zum lösbaren Befestigen eines Innenteils (60) des Auswurfkopfes (50) und/oder des Standrohres (70) aufweist.
Bohrvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlussbereich (40) eine Aufnahmehülse (42) umfasst, in welche ein oberer Abschnitt des Auswurfkopfes (50) und/oder des Standrohres (70) axial einführbar ist.
Bohrvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Auswurfkopf (50) ein Außenteil (52) aufweist, welches gegenüber einem Innenteil (60) drehbar gelagert ist und einen Anschluss (54) für eine Fluidabführungseinrichtung (56) aufweist.
Bohrvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehmomentstütze (16) vorgesehen ist, mittels welcher das Außenteil (52) des Auswurfkopfes (50) gegen ein Verdrehen sicherbar ist.
Bohrvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteeinrichtung (90) eine Klemmeinrichtung zum Festklemmen des Standrohres (70) aufweist.
Bohrvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Halteeinrichtung (80) zum Halten des Außenteils (52) des Auswurfkopfes (50) und/oder des Bohrgestänges (20) vorgesehen ist.
Bohrvorrichtung nach Anspruch 12, dass die weitere Halteeinrichtung (80) in einer axialen Richtung des Bohrgestänges (20) verfahrbar ist.
Bohrvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine ringförmige Führungseinrichtung (92) zum Führen des Standrohres (70) vorgesehen ist.
Bohrvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Bohrgestänge (20) als Hochdruckinjektionsgestänge mit einer Düse zum Erzeugen eines Schneidstrahles ausgebildet ist.