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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erstellen einer Gründung im Erdboden sowie eine entsprechende Gründung.
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Ein Bereich, in dem besonders nach Vorrichtungen und Verfahren zum Erstellen von Gründungen gesucht wird, die auf eine technisch sichere und schnelle Weise Gründungen oder Fundamente für Bauwerke erlauben, ist der Offshore-Bereich.
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Bei im Meer errichteten Bauwerken (Offshore-Bauwerken) können unterschiedliche Konstruktionsformen wie z. B. starre Konstruktionen, nachgiebige Konstruktionen und schwimmende Konstruktionen unterschieden werden.
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Der hier behandelte technische Sachverhalt bezieht sich primär auf starre Konstruktionen wie z. B. Stahlplattformen, Hubinseln oder Schwergewichtsplattformen. Insbesondere fallen in diesen Bereich auch sogenannte Turmbauwerke (etwa für Windenergieanlagen), die sich insbesondere durch ihre hohe, schlanke Konstruktion von den vorher genannten Bauweisen unterscheiden.
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Bedingt durch aktuelle Entwicklungen im Bereich der Energieversorgung wie z. B. die Planung und der Bau zusätzlicher, großer Offshore-Windparks kommt dabei insbesondere einer umweltschonenden, sicheren und kostengünstigen Fundamenterstellung eine immense Bedeutung bei der Realisierung der genannten Projekte zu.
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Starre Offshore-Bauwerke müssen auf die eine oder andere Art am Boden verankert werden, um eine ausreichende Stabilität gegen Strömung, Eis- und Wellengang sowie Windeinflüsse sicherzustellen. Bei bekannten Techniken können als Gründungsvarianten die Bauformen Monopile, Tripod, Jacket, Saugrohrgründung und Schwergewichtsfundament unterschieden werden.
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Kennzeichnend für die drei zuerst genannten Varianten ist die Verwendung von einem oder mehreren „Pfählen”, an denen das spätere Bauwerk verankert wird. Durchmesser und Länge dieser Pfähle richten sich nach den konstruktiven Anforderungen sowie den jeweiligen geologischen Bedingungen am Einbringungsort. Gängige Durchmesser liegen etwa zwischen 1,5 m und 5,0 m bei Einbindelängen in den Meeresboden von teilweise mehr als 50 m.
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Eine gängige Arbeitsweise zum Einbringen solcher Pfähle in Lockergesteinsböden (z. B. Sand) ist das sogenannte Rammverfahren. Dabei handelt es sich um ein relativ schnelles und kostengünstiges, jedoch die Umwelt stark belastendes Bauverfahren (Schallemissionen mit Schalldruckpegeln bis zu 200 dB). Des Weiteren ist als nachteilig anzusehen, dass ein Rammvorgang oftmals abgebrochen werden muss, wenn der Pfahl während der Installation auf ein Hindernis trifft (Steinlagen, Blöcke, harte Schichten).
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Alternativ können Pfähle mittels Bohrverfahren in den Meeresboden eingebracht werden, wobei die Pfähle oft erst nach der Fertigstellung des Bohrlochs (das in der Regel im Rotations-Spülbohrverfahren erstellt wird) als Fertigpfähle ins Bohrloch eingebracht werden. Anschließend wird der Ringraum zwischen Pfahlaußenseite und Bohrlochwandung mit einem geeigneten Bindemittel verpresst. Hierdurch wird eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Bohrpfahl und Bohrloch erreicht. Bei einer Abwandlung erfolgt das Bohren durch einen hohlen Pfahl hindurch, der der Bohrfront beim Bohren nach unten folgt, wobei das Bohrinstrument durch den hohlen Pfahl hindurch geborgen wird.
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Die bekannten Bohrverfahren erlauben typischerweise auch eine Gründung in sehr festen Böden oder Böden mit Hinderniseinlagerungen wie Steinen und Blöcken.
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Das bekannte Bohrverfahren hat gegenüber dem bekannten Rammverfahren zwar deutliche ökologische und geologische Vorteile, jedoch ist es wesentlich zeit- und kostenintensiver.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erstellen einer Gründung in Erdboden bereitzustellen, die die Nachteile der bekannten Ansätze vermeiden und insbesondere eine Erstellung einer Gründung im Erdboden erlauben, die die Umwelt nicht übermäßig belastet und die sicher, schnell und kosteneffizient ist. Ziel ist es ferner, eine entsprechende Gründung bereitzustellen.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erstellen einer Gründung in Erdboden, mit einer Bohrvorrichtung, die zur Aufnahme und zum Betrieb mehrerer Bohrstränge, insbesondere zum gleichzeitigen und achsparallelen Betrieb, ausgestaltet ist, und einem Pumpsystem, das zur Zuführung von Bohrflüssigkeit (vor allem zur Lösung von Boden/Bohrklein an der Ortsbrust und zum Austragen von abgebohrtem Material aus dem Bohrloch) für die Bohrstränge und von Fixiermaterial ausgestaltet ist, wobei die Bohrvorrichtung so ausgestaltet ist, dass im Betrieb jeweils ein durch einen Bohrkopf eines der mehreren Bohrstränge bestimmter Bohrbereich mit wenigstem einem Bohrbereich eines benachbarten der mehreren Bohrstränge teilweise überlappt, wobei sich ein durchgängiger, die mehreren Bohrstränge gemeinsam umschließender Zwischenraum zwischen den mehreren Bohrsträngen und dem Erdboden ergibt, und das Pumpsystem zur Zuführung von Fixiermaterial in den Zwischenraum zur Fixierung der mehreren Bohrstränge als Gründung ausgestaltet ist.
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Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erstellen einer Gründung in Erdboden, mit den Schritten: Bohren mit mehreren Bohrsträngen, insbesondere gleichzeitiges und achsparalleles Bohren, wobei jeweils ein durch einen Bohrkopf eines der mehreren Bohrstränge bestimmter Bohrbereich mit wenigstem einem Bohrbereich eines benachbarten der mehreren Bohrstränge teilweise überlappt, wobei sich ein durchgängiger, die mehreren Bohrstränge gemeinsam umschließender Zwischenraum zwischen den mehreren Bohrsträngen und dem Erdboden ergibt, Zuführen von Fixiermaterial in den Zwischenraum, und Fixieren der mehreren Bohrstränge mit dem Fixiermaterial zur Erstellung der Gründung, wobei die Erstellung der Gründung bevorzugt eine Trennung einer zum Betrieb der Bohrstränge genutzten Bohrvorrichtung von den Bohrsträngen umfasst.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Gründung im Erdboden, wobei die Gründung mehrere Bohrstränge umfasst, die durch Bohren mit den mehreren Bohrsträngen in den Erdboden eingebracht sind, und eine Fixierung, die die Bohrstränge im Erdboden fixiert, wobei das Bohren so erfolgt ist, dass ein von einen Bohrkopf eines der mehreren Bohrstränge bestimmter Bohrbereich mit wenigstem einem Bohrbereich eines benachbarten der mehreren Bohrstränge teilweise überlappt und sich ein durchgängiger, die mehreren Bohrstränge gemeinsam umschließender Zwischenraum zwischen den mehreren Bohrsträngen und dem Erdboden ergibt, wobei die Fixierung den Zwischenraum zumindest teilweise ausfüllt.
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Das Überlappen der Bohrbereiche kann in vorteilhafter Weise durch eine vertikal gestaffelte Anordnung der Bohrköpfe erreichen werden, wobei allerdings auch andere Ansätze zum Erreichen eines Überlappens nicht ausgeschlossen sind. Eine weitere Möglichkeit besteht beispielsweise darin, die Bohrköpfe so auszugestalten, dass der Bohrkopf nicht den gesamten Bohrbereich ausfüllt (z. B. könnte der Bohrkopf im Wesentlichen nur als Halbkreis ausgeführt sein, so dass ein Bohren mit benachbarten Bohrköpfen, die entsprechend so aufeinander abgestimmt sind, dass ein Bohrkopf jeweils in den vom benachbarten Bohrkopf nicht ausgefüllten Teil des benachbarten Bohrbereichs eingreift, ebenfalls zu einem Überlappen führt.
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Das Umschließen der Bohrstränge durch den Zwischenraum ist so zu verstehen, dass der Zwischenraum, der einerseits durch die Bohrstränge und andererseits durch die Außenwände des Bohrlochs (das sich aus mehreren, überlappenden Teilbohrlöchern ergibt) begrenzt wird, die Bohrstränge insofern direkt umfasst. Aus einer anderen Betrachtungsweise erstrecken sich die Bohrstränge in dem bzw. durch den Zwischenraum, der bei dieser Betrachtungsweise nur durch die Außenwände des Bohrlochs (das sich aus mehreren, überlappenden Teilbohrlöchern ergibt) definiert ist. Bei dieser anderen Betrachtungsweise ist der Hinweis, dass beispielsweise Fixiermaterial den Innenraum ausfüllt, so zu verstehen, dass das Fixiermaterial den Teil des Zwischenraums ausfüllt, der nicht bereits von den Bohrsträngen ausgefüllt wird (wobei typischerweise allerdings im jeweiligen Inneren der Bohrstränge infolge einer Zufuhr des Fixiermaterials durch die Bohrstränge hindurch ebenfalls Fixiermaterial vorliegen wird). Bei dieser Betrachtungsweise kann zudem gesagt werden, dass der Zwischenraum (bzw. das darin eingebrachte Fixiermaterial) benachbarte Bohrstränge miteinander verbindet.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird anstelle des schallintensiven Rammens ein Bohrverfahren eingesetzt, wobei der Bohrvorgang durch bevorzugt ringförmig angeordnete, achsparallele Bohrstränge mit einem jeweils relativ sehr kleinen Bohrkopf (im Vergleich zum Durchmesser der Gründung) in einem Arbeitsgang erfolgt und die Bohrstränge nach Erreichen der Zieltiefe in den umgebenden Boden einbetoniert werden. Der im Inneren des Ringbohrers befindliche Boden verbleibt dabei an Ort und Stelle. Durch den aktiven Bohrvorgang können harte bis sehr harte Bodenformationen ebenso bewältigt werden wie einzelne Hindernisse im Gründungsbereich.
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Die Vorteile der vorliegenden Erfindung liegen insbesondere bei den Aspekten Ökologie (minimale Geräuschemissionen bei der Bauwerkserstellung, minimaler Bodenaustausch/Bodenaushub erforderlich), Sicherheit & Risiko (effektive Bewältigung von Hindernissen, für den Offshore-Bereich reduziertes Ausführungsrisiko durch kurze Verweilzeiten), Technik (optimale Einbindung des Bauwerks in den Boden, einfache Anpassung des Verfahrens an unterschiedliche Durchmesser und Tiefen) und Kosten (hohe Arbeitsgeschwindigkeit mit kurzen Verweildauern, insb. offshore, „Recycling” von Bohrgestänge, die z. B. Gas- oder Öl-Bohrbetrieb nicht mehr einsetzbar wären).
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Merkmale vorteilhafter Ausführungsformen sind insbesondere in den Unteransprüchen definiert. Die für jeweils einen Aspekt der Erfindung beschriebenen besonderen Ausführungsformen oder Ausführungsbeispiele sind ebenso als Ausführungsformen oder Ausführungsbeispiele für andere Aspekte der Erfindung anzusehen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung ein Führungselement zur relativen Beabstandung und Führung der Bohrstränge auf, wobei das Führungselement bevorzugt im Betrieb im Zwischenraum angeordnet wird, insbesondere im Bereich der Bohrköpfe der Bohrstränge.
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Das Führungselement dient dazu, die Bohrstränge zu führen und insbesondere ein gewolltes relatives Auseinanderlaufen der Bohrstränge bzw. Bohrköpfe zu vermeiden, so dass sich in kontrollierter Weise der Zwischenraum durch die Überlappung der Bohrbereiche der Bohrköpfe ergibt.
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Die Bohrstränge können mit Aufnahmen (z. B. in Form von Halteringen) versehen sein, auf die sich das Führungselement legen bzw. abstützen kann, wobei zudem die Gewichtskraft des Führungselements mit auf die Bohrstränge und damit auf die Bohrköpfe einwirkt. Das Führungselement kann auch auf den (insbesondere oberen) Bohrköpfen aufliegen, bevorzugt allerdings mit einem reibungsminderten Zwischenelement, z. B. aus Teflon.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Bohrvorrichtung zu einem gegenläufigen Antrieb von Bohrsträngen ausgestaltet, insbesondere zu einem gegenläufigen Antrieb jeweils benachbarter Bohrstränge.
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Werden insbesondere benachbarte Bohrstränge jeweils gegenläufig betrieben, gleichen sich beim Bohren auftretende Drehmomente im Grunde aus, so dass sich aus der Anordnung mit den mehreren Bohrsträngen im Wesentlichen kein Gesamtdrehmoment ergibt, dass von der Bohrrichtung aufzunehmen wäre.
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Bohrstränge, die typischerweise für ein rechtsdrehendes Bohren ausgelegt sind, könnten sich möglicherweise bei einem gegenläufigen, also hier linksdrehenden Bohren in den Verbindungen lösen, so dass eine erhöhte Ausfallsicherheit gegeben ist, wenn die Bohrstränge gegen ein Lösen aufgrund eines gegenläufigen Betriebs gesichert werden, insbesondere durch Verschweißen oder Verkleben.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung eine Andruckvorrichtung zur Bewirkung einer zusätzlich zur Schwerkraft auf die Bohrstränge wirkenden Andruckkraft auf.
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Die Bohrvorrichtung und die Bohrstränge selbst (einschließlich der Bohrköpfe und ggf. dem Führungselement) bewirken durch ihre Gewichtskraft einen Andruck auf die Ortsbrust der Bohrköpfe. Vor allem wenn es sich bei den Bohrsträngen und Bohrköpfe um konventionelle Bohrstränge und Bohrköpfe aus dem Öl- und Gasbereich (die in vorteilhafterweise Weise für die erfindungsgemäße Gründung eingesetzt werden können, nachdem sie aus dem normalen Betrieb ausgesondert wurden) handelt, ist es möglich, dass die ohnehin aufgebrachte Gewichtskraft für eine gewünschte Bohrleistung nicht ausreicht. Im Unterwasser-Einsatz ergibt sich zudem noch eine Verringerung der Last durch den Auftrieb im Wasser. Um beispielsweise den Faustwert von 5 kN pro Zoll Bohrkopfdurchmesser zu erreichen (bei 60 Bohrern á 12'' Durchmesser ergeben sich immerhin 3.600 kN), kann es daher vorteilhaft sein, eine Andruckvorrichtung vorzusehen, um die Bohrleistung zu verbessern.
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Vorteilhafterweise kann die Andruckvorrichtung auf ein Rohr aus miteinander zug- und druckfest verbundenen Rohrelementen (siehe z. B.
DE 10 2005 021 216 A1 ) einwirken, das wiederum auf die Bohrvorrichtung drückt, die den Druck auf die Bohrköpfe über die Bohrstränge weiterleitet. In diesem Rohr können vorteilhafter Weise die zum Betrieb der Bohrvorrichtung und des Pumpsystems vorgesehenen Versorgungsleitungen geführt werden, die insbesondere im Offshore-Bereich durch das Rohr vor einer Einwirkung des Meeres geschützt werden.
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Die Andruckvorrichtung kann beispielsweise als Klemme mit Druckzylindern (siehe
EP 2 013 438 B1 ) oder in Form eines „Kettenlaufwerks” ausgelegt sein. Insbesondere die Klemme kann hier zudem als Drehmomentbremse ausgelegt sein, um eventuell doch beim Bohren auftretenden Drehmomente aufzunehmen.
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Wie schon zuvor ausgeführt, kann die vorliegende Erfindung besonders vorteilhaft im Offshore-Bereich, also für eine Gründung im Meeres- oder Seeboden, eingesetzt werden. Die Erfindung ist allerdings nicht auf den Offshore-Bereich begrenzt und kann auch an Land eingesetzt werden.
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In einer Weiterbildung der obigen Ausführungsform der Erfindung weist das Pumpsystem eine Pumpeinheit zur Zuführung von Umgebungswasser als Bohrflüssigkeit auf, wobei die Pumpeinheit bevorzugt eine oder mehrere Pumpen für die Zuführung von Umgebungswasser als Bohrflüssigkeit umfasst, die am Meeres- oder Seeboden einsetzbar sind.
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Meer- bzw. Seewasser steht bei einer Anwendung im Offshore-Bereich in großer Menge zur Verfügung und kann in einfacher Weise für den Einsatz als Bohrflüssigkeit gewonnen werden.
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In einer weiteren Weiterbildung der genannten Ausführungsform weist das Pumpsystem eine Pumpeinrichtung zur Zuführung einer Suspension, insbesondere einer Bentonit-Suspension, als Bohrflüssigkeit auf, wobei das Pumpsystem bevorzugt ferner eine Aufnahmevorrichtung zur Rückgewinnung von beim Bohren austretender Suspension aufweist und zur Aufbereitung und Wiederverwendung rückgewonnener Suspension ausgestaltet ist.
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Wenn das Meer- bzw. Seewasser nur ungenügende Eigenschaften als Bohrflüssigkeit aufweist, kann dies durch Einsatz einer geeigneten Suspension, wie sie aus anderen Bohrtechniken bekannt ist, verbessert werden, wobei die Suspension in an sich bekannter Weise für eine Aufbereitung wiedergewonnen werden kann.
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In einer weiteren Weiterbildung der genannten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Verteilvorrichtung zur Entfernung von beim Bohren austretendem Bohrklein und/oder Boden, insbesondere unter Nutzung einer von der Verteilvorrichtung erzeugbaren Wasserströmung.
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Die vorliegende Erfindung erlaubt bereits ein Erstellen einer Gründung mit sehr geringem Ausmaß an Bodenaushub. Gerade bei großen Bohrtiefen kann sich allerdings dennoch eine vergleichsweise große Menge an Bohrmaterial ergeben, die sich im Bereich um das bzw. die Bohrlöcher sammeln würde. Um eine derartige Sammlung von Boden und/oder Bohrklein zu vermeiden bzw. zu verringern, kann die Vorrichtung insbesondere mit einer oder mehren Düsen und/oder einem oder mehreren Druckpropeller ausgestattet sein, die eine Strömung des Umgebungswassers erzeugen, mit dem Bohrklein und Boden mitgenommen und verteilt wird. Ein andere Möglichkeit besteht darin, das aus dem Bohrloch austretende Material abzusaugen und an geeigneter Stelle zwischen- oder abzulagern.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Zwischenraum in Aufsicht einen linienförmigen oder sternförmigen Querschnitt auf und/oder umschließt einen Innenbereich, insbesondere in Ringform.
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Bei einem Umschließen eines Innenbereichs durch den Zwischenraum ergibt sich eine Anordnung der im Boden verbleidenden Bohrstränge, die weitgehend einem hohlen Rohr entspricht, das in den Boden eingebracht ist. In dem umschlossenen Innenbereich kann zudem ein weiterer Teil der Gründung vorgesehen sein, so dass ein Zwischenraum als innerer Ring einen ersten Innenbereich umschließt und seinerseits mit einem zweiten Innenbereich von einem weiteren Zwischenraum als äußerem Ring umschlossen wird.
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Bevorzugt erfolgt der Betrieb der Bohrstränge gemäß der vorliegenden Erfindung gleichzeitig. Es ist allerdings auch möglich, dass die Bohrstränge „gruppenweise” betrieben werden, und zwar über zwei oder mehr miteinander verschränkte Teileinheiten der Vorrichtung, so dass der Tiefenunterschied der Bohrköpfe der Gruppen variabel ist. Dies würde ein Bohren mit den „unteren” Bohrköpfen (bei Stillstand der „oberen” Bohrköpfe) und ein damit abwechselndes (oder auch nur folgendes) Bohren mit den „oberen” Bohrköpfen (bei Stillstand der „unteren” Bohrköpfe) ergeben. Der hierzu notwendige apparative Aufwand wäre zwar höher, würde allerdings den Vorteil erlauben, dass bei ansonsten gleicher zur Verfügung stehender Andruckkraft eine höhere Druckkraft pro Bohrkopf erreicht würde (bzw. bei gleicher Druckkraft pro Bohrkopf weniger Gesamtandruck anzusetzen wäre). Hinzu käme ein größerer Aufwand bei der Bohrlochstabilisierung.
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Eine Gründung kann auch durch sequentielles Niederbringen der Bohrstränge erreicht werden, wobei allerdings bei einer solchen Variante neben der größeren Gefahr für die Bohrlochstabilität insbesondere ein deutlich höherer Zeitaufwand auftreten würde.
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Bevorzugt erfolgt der Betrieb der Bohrstränge gemäß der vorliegenden Erfindung achsparallel. Es ist allerdings auch möglich, von einem achsparallelen Bohren abzuweichen. Wenn beispielsweise die jeweiligen Aufnahmen für die Bohrstränge auch für einen separaten Vortrieb der Bohrstränge ausgelegt sind, kann man die Bohrstränge voneinander weg spreizen, bei Bedarf auch soweit, dass die Bohrlöcher am Ende der Vortriebs nicht mehr überlappen. Alternativ kann auch so gebohrt werden, dass die Bohrlöcher aufeinander zu laufen.
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Der Antrieb der Bohrstränge kann in unterschiedlicher Weise erfolgen. Eine Möglichkeit besteht darin, für jeden Bohrstrang einen dedizierten Antrieb vorzusehen, der bevorzugt auch separat steuerbar wäre. Eine andere Möglichkeit besteht darin, einen gemeinsamen Antrieb für mehrere Bohrstränge vorzusehen, also die Antriebskraft, die von dem Antrieb erzeugt wird, über geeignete Mittel an mehrere Bohrstränge übertragen wird. Es ist auch möglich, einen gemeinsamen Antrieb für alle beteiligten Bohrstränge zusammen vorzusehen. Kombinationen oder Zwischenstufen zwischen den Extremen des dedizierten Antriebs und des gemeinsamen Antriebs sind möglich.
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Die vorliegende Erfindung kann besonders vorteilhaft in einer Schluff-Sand-Geologie eingesetzt werden, wobei Hindernisse durchbohrt werden können und auch härtere Schichten keine wesentlichen Probleme erwarten lassen.
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Im Folgenden werden einzelne Aspekte und vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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2 schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen von Bohrstrang- bzw. Bohrkopfanordnungen für Ausführungsbeispiele der Erfindung,
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3 eine schematische Darstellung eines Ablaufs eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
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4 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Gründung im Querschnitt und in Aufsicht.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1.
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Die Vorrichtung 1 zum Erstellen einer Gründung umfasst eine Arbeitsplattform 22 in Form eines Jack-Up. Die Arbeitsplattform 22 weist eine Hebevorrichtung 19, eine Antriebseinheit 23, eine Steuereinheit 24 und eine Pumpeinrichtung 15 auf. Die Pumpeinrichtung 15 ist Teil eines Pumpsystems 4. Die Hebevorrichtung 19 hält ein Ende eines Schub- und Zugrohrs 20, an dessen anderem Ende eine Bohrvorrichtung 2 angeordnet ist. Das Schub- und Zugrohr 20 ist mit einer Andruckvorrichtung 12 gekoppelt, so dass die Andruckvorrichtung 12 über das Schub- und Zugrohr 20 Druck auf die Bohrvorrichtung 2 ausüben kann. Die Bohrvorrichtung 2 wird über Versorgungsleitungen 21 von der Antriebseinheit 23 und der Pumpeinrichtung 15 versorgt. Die Bohrvorrichtung 2 befindet sich unter Wasser 14 und ist zudem mit einer Pumpeinheit 13 versehen. Die Bohrvorrichtung 2 weist mehrere Bohrstränge 3 auf, die jeweils einen Bohrkopf 5 aufweisen. Die Bohrstränge sind achsparallel angeordnet und zwar so, dass sich die Bohrbereiche 6 der Bohrköpfe 5 überlappen, wobei die Bohrköpfe 5 zueinander vertikal versetzt angeordnet sind. Die Anordnung der Bohrstränge 3 und der Bohrköpfe 5 erlaubt ein Bohren in den Erdboden 8 in einer solchen Weise, dass sich ein Zwischenraum 7 ergibt, der durchgehend die Bohrstränge 3 im Erdboden 8 umschließt. Im unteren Bereich der Bohrstränge 3 befindet sich zudem ein Führungselement 11, das einen vorbestimmten Abstand und eine vorbestimmte Anordnung der Bohrstränge 3 sicherstellt. Das Pumpsystem 4 mit der Pumpeinrichtung 15 ist dazu ausgestaltet, eine Suspension von Bentonit in Meerwasser 14 durch die Bohrstränge 3 und die Bohrköpfe 5 und damit in den und durch den Zwischenraum 7 zu pumpen. Am Ausgang des Bohrlochs befindet sich eine Aufnahmevorrichtung 16, die im Rahmen des Pumpsystems 4 dazu dient, aus dem Bohrloch austretende Suspension aufzunehmen und einer Aufbereitung zuzuführen, so dass die Suspension wiederverwendet werden kann. Alternativ oder ergänzend zu dem Suspensionsbetrieb kann die Pumpeinheit 13 dazu eingesetzt werden, Umgebungswasser 14 als Bohrflüssigkeit in die Bohrstränge 3 zu pumpen. Die Bohrvorrichtung 2 weist ferner Druckpropeller 17 als Verteilvorrichtungen 17 auf, die Bohrmaterial, das beim Bohren aus dem Bohrloch austritt, aus dem Bereich des Bohrlochs durch eine von ihnen erzeugte Wasserströmung entfernen.
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2 zeigt schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen von Bohrstrang- bzw. Bohrkopfanordnungen für Ausführungsbeispiele der Erfindung.
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2a zeigt eine ringförmige Anordnung von Bohrsträngen bzw. -köpfen, die in einem Zwischenraum 7 resultiert, der einen Durchmesser von ca. 2 m unter Einsatz von 24 Bohrköpfen mit einem jeweiligen Durchmesser von 300 mm aufweist. Der Zwischenraum 7 umschließt hier einen Innenbereich 18.
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2b zeigt eine andere ringförmige Anordnung von Bohrsträngen bzw. -köpfen, die in einem Zwischenraum 7 resultiert, der einen Durchmesser von ca. 6 m unter Einsatz von 60 Bohrköpfen mit einem jeweiligen Durchmesser von 300 mm aufweist. Der Zwischenraum 7 umschließt hier ebenfalls einen Innenbereich 18.
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2c zeigt eine Kombination der Anordnungen, die in den 2a und 2b gezeigt sind, womit sich ein innerer Zwischenraum 7 und ein äußerer Zwischenraum 7 ergeben.
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2d zeigt eine sternförmige Anordnung, die sich aus einer Kombination von 6 Bohrstranggruppen, in denen jeweils 8 Bohrstränge linienförmig nebeneinander angeordnet sind.
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2e zeigt eine Darstellung zur Illustration des Überlappens von Bohrbereichen 6 benachbarter Bohrköpfe. Der jeweilig zu einem Bohrstrang 3 bzw. dem entsprechenden Bohrkopf (hier nicht gezeigt) gehörige Bohrbereich 6 ergibt sich in einfachster Weise durch die Bohrfläche des Bohrkopfs. Eine einfache Möglichkeit, überlappende Bohrbereiche 6 mit herkömmlichen Bohrköpfen zu erreichen besteht darin, die Bohrköpfe in vertikaler Richtung gegeneinander zu versetzen, wobei auf einen ausreichenden Abstand des Bohrkopfrandes zum benachbarten Bohrstrang 3 zu achten ist. 2e zeigt zudem das Führungselement 11, mit dem die Bohrstränge zueinander ausgerichtet gehalten werden.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufs eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens 100.
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In einem ersten Schritt erfolgt ein Bohren 101 mit mehreren Bohrsträngen.
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Von einem Hebegerät auf einer Arbeitsplattform wird eine Bohrvorrichtung z. B. an einem Stahlseil (alternativ können auch andere Arten zum Tragen/Ablassen der Bohrvorrichtung genutzt werden, z. B. per Bohrstange o. ä.) herabgelassen. An der Bohrvorrichtung ist ein ringförmiger Bohrpfahl befestigt. Der Bohrpfahl besteht aus ringförmig angeordneten, achsparallel angeordneten Bohrsträngen, an deren unterem Ende sich jeweils ein Bohrkopf befindet. Die Bohrvorrichtung ist über ein Versorgungsbündel mit einer Energie- und Steuereinheit auf der Arbeitsplattform verbunden. Zusätzlich befindet sich auf der Arbeitsplattform noch eine Misch- und Pumpeinheit.
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Die Bohrvorrichtung umfasst Bohrstrangantriebe, Klemmvorrichtungen (und/oder Verschraubvorrichtungen), Drehwirbel und Zuleitungen zusammen. Beispielsweise kann jeder Bohrstrang jeweils über einen eigenen Bohrstrangantrieb, eine eigene Klemmvorrichtung, einen eigenen Drehwirbel und eine eigene Zuleitung verfügen, wobei allerdings auch mehrere Bohrstränge zusammengefasst sein können. Sämtliche Energie- und Steuerleitungen der Bohrstrangantriebe und der Klemmvorrichtungen sowie sämtliche Zuleitungen sind mit dem zentral angeordneten Versorgungsbündel verbunden.
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Im unteren Bereich der Bohrstränge ist eine Ringführung vorgesehen. Diese umfasst und fixiert die Bohrstränge in der vorgesehenen, ringförmigen Anordnung und erzeugt zusätzliche Andruckkraft auf die Bohrköpfe.
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Kurz bevor die Bohrköpfe am unteren Ende der Bohrstränge den Meeresboden erreichen, werden die Bohrstrangantriebe eingeschaltet. Dabei ist bevorzugt vorgesehen, jeweils benachbarte Bohrstränge gegenläufig zu drehen, damit beim Bohrvorgang entstehende Drehmomente sich nahezu ausgleichen können und damit keine signifikanten Drehbewegungen/-momente auf die Bohrvorrichtung übertragen werden.
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Gleichzeitig mit den Bohrstrangantrieben werden die Pumpen in der Misch- und Pumpeinheit auf der Arbeitsplattform in Gang gesetzt. In einer bevorzugten Variante wird als Medium Meerwasser entnommen und den Saugtanks in der Misch- und Pumpeinheit zugeführt. Dieses Meerwasser wird nun von den Pumpen der Misch- und Pumpstation durch eine entsprechende (Schlauch)-Leitung innerhalb des Versorgungsbündels zu den Zuleitungen der Bohrvorrichtung und dort weiter durch die Drehwirbel und ggf. die Bohrstrangantriebe in die Bohrstränge und schließlich zu den Bohrköpfen gepumpt. An den Bohrköpfen tritt das Meerwasser aus und löst dort – zusammen mit der mechanischen Lösearbeit der Bohrköpfe – den anstehenden Boden. Das mit Boden vermischte Meerwasser fließt nun im Ringraum zwischen den Bohrsträngen und dem Bohrloch zum Meeresboden. Dort vermischt sich das mit Boden beladene Meerwasser mit dem Meerwasser in der Umgebung der Bohrvorrichtung und durch die Meeresströmung wird der Boden fortgetragen und lagert sich im weiteren Umfeld der Bohrvorrichtung ab. In einer bevorzugten Ausführung wird dieser Vorgang durch entsprechend angeordnete Propeller auf der Bohrvorrichtung zusätzlich unterstützt.
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Der Bohrvorgang 101 wird solange fortgesetzt, bis die Bohrköpfe ihre vorgesehene Endposition im Boden erreicht haben. Nun werden die Bohrstrangantriebe abgeschaltet, so dass die Rotation der Bohrstränge aufhört.
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Etwa gleichzeitig wird den Pumpen in der Misch- und Pumpeinheit anstelle des Meerwassers eine geeignete Suspension zugeführt (z. B. Dämmer), womit der Schritt des Zuführens 102 von Fixiermaterial begonnen wird. Die Suspension wird nun von den Pumpen der Misch- und Pumpstation durch eine entsprechende (Schlauch)-Leitung innerhalb des Versorgungsbündels zu den Zuleitungen der Bohrvorrichtung und dort weiter durch die Drehwirbel und ggf. die Bohrstrangantriebe in die Bohrstränge und schließlich zu den Bohrköpfen gepumpt. An den Bohrköpfen tritt die Suspension in den Ringraum ein und fließt dort weiter nach oben bis sie schließlich am Meeresboden austritt. Nun wird der Pumpvorgang eingestellt.
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Parallel zu dem beginnenden Aushärten 103 der Suspension werden die Bohrstrangantriebe mittels der Klemmvorrichtungen von den Bohrsträngen getrennt (Schritt 104) und die Bohrvorrichtung sodann von dem Hebegerät auf der Arbeitsplattform etwas angehoben und, soweit nötig, zusätzlich etwas seitlich versetzt. Dann kann durch erneutes Verpumpen von Meerwasser die noch in der entsprechenden (Schlauch)-Leitung innerhalb des Versorgungsbündels sowie den Zuleitungen und den Drehwirbel der Bohrvorrichtung befindliche Suspension verdrängt werden, so dass es hier zu keinem Aushärteprozess und in der Folge zu Verstopfern kommen kann.
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Die im Ringraum befindliche Suspension härtet mit der Zeit (z. B. binnen weniger Stunden) aus und verbindet die Bohrstränge dann fest mit dem umgebenden Boden (Schritt 103).
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Nachdem dies geschehen ist, kann an den aus dem Meeresboden ragenden, oberen Enden der Bohrstränge eine entsprechende Anschlussvorrichtung angebracht werden (Schritt 105). Diese Anschlussvorrichtung wird später mit Teilen bzw. dem Ganzen des zu errichtenden Offshore-Bauwerks verbunden.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Gründung 10 im Querschnitt (4a) und in Aufsicht (4b). Die Gründung 10 umfasst mehrere Bohrstränge 3, die jeweils mit ihrem Bohrkopf 5 in den Boden 8 eingebracht sind. Das Einbringen ist so erfolgt, dass sich ein die Bohrstränge 3 gemeinsam umschließender Zwischenraum 7 ergeben hat, wobei dieser Zwischenraum 7 hier ringförmig ausgeführt ist und einen Innenbereich 18 umschließt. Der Zwischenraum 7 ist mit einem Fixiermaterial 9 gefüllt, dass nach einem Aushärten die Bohrstränge 3 im Boden 8 derart verankert, dass sich die Gründung 10 ergibt. In 4a sind zudem im Querschnitt Teile des Führungselements 11 dargestellt, die hier die Bohrstränge 3 umschließen. In 4b ist anstelle eines Bohrstrangs 3 und des entsprechenden Teils des Zwischenraum 7 bzw. der Fixierung 9 der Bohrbereich 6 des entsprechendes Bohrkopfes (nicht dargestellt) veranschaulicht, wobei zudem das Überlappen mit benachbarten Bohrbereichen (nicht dargestellt) erkennbar ist.
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Im Folgenden wird ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Erstellen einer Gründung skizziert.
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Mehrere Bohrstränge werden ringförmig angeordnet und von einem Hebegerät in den Baugrund abgelassen, wobei die Drehrichtung benachbarter Bohrstränge gegenläufig angeordnet ist (zum Drehmomentausgleich) und die Ringgestalt durch einen möglichst weit unten angeordneten Führungsring fixiert wird. Die Schnittflächen der Bohrmeißel überlagern sich dabei, so dass ein „durchgängiger” Ringspalt hergestellt wird.
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Bohrgestänge und Bohrköpfe entstammen der Öl- und Gasindustrie (z. B. 5''-Gestänge, 12.1/4'' Meißel), wobei sämtliche Teile kostengünstig als „Schrottware” bezogen werden können. Bohrgestänge und Meißel verbleiben im Baugrund und bilden gewissermaßen das Skelett der Gründung.
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Als Bohrflüssigkeit wird Seewasser vorgesehen, wobei die Zuführung über jeden einzelnen Bohrstrang erfolgt. Die Pumpen selbst werden direkt am oberen Ende der Bohrstränge angeordnet. Die Pumprate wird dabei so hoch gewählt, dass die Sinkgeschwindigkeit des Bohrkleins übertroffen wird.
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Nach dem Abbohren des Ringbohrers wird Dämmer durch die Bohrstränge gepumpt und füllt den Ringraum sowie die Bohrstränge komplett aus. Anschließend werden die Bohrantriebe von den Bohrsträngen entkoppelt und geborgen.
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An den Köpfen der Bohrstränge wird eine Verbindungsplatte zum Offshore-Bauwerk angebracht.
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Eine Vorrichtung zur Ausführung des obigen Ausführungsbeispiels kann beispielsweise wie Folgt ausgestaltet sein: Auf einer Arbeitsplattform (z. B. eine Hubinsel oder ein Jack-up) befinden sich ein Hebegerät, Energiecontainer, ein Steuercontainer und ein Dämmertank mit Dämmerpumpen. Das Hebegerät hält Verbindungsrohre, durch welche Energie- und Steuerkabel sowie eine Dämmerleitung zu einem Bohrdeck geführt werden. Eine mit der Arbeitsplattform verbundene Schubvorrichtung drückt oder zieht die Verbindungsrohre und übt dadurch für den Bohrvorgang vorgesehene Zusatzkräfte über das Bohrdeck auf die Bohrgestänge und die Bohrköpfe aus. Ein Führungsring fixiert die Bohrgestänge und sorgt zusätzlich für Andruckkraft auf die Bohrköpfe.
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Für eine Implementierung kann abgeschätzt werden, dass Tiefen der Gründung (ab Boden) von 10 bis 100 m ohne weiteres für Durchmesser von 1 bis 5 m (oder mehr) möglich sind. Als Bohrgeschwindigkeit ist ca. 1 m/min unabhängig vom Durchmesser der Gründung realistisch, wobei für die Verdämmdauer je nach Pumpenkapazität 5 min angenommen werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung zum Erstellen einer Gründung
- 2
- Bohrvorrichtung
- 3
- Bohrstrang
- 4
- Pumpsystem
- 5
- Bohrkopf
- 6
- Bohrbereich
- 7
- Zwischenraum
- 8
- Erdboden
- 9
- Fixiermaterial
- 10
- Gründung
- 11
- Führungselement
- 12
- Andruckvorrichtung
- 13
- Pumpeinheit
- 14
- Umgebungswasser
- 15
- Pumpeinrichtung
- 16
- Aufnahmevorrichtung
- 17
- Verteilvorrichtung
- 18
- Innenbereich
- 19
- Hebevorrichtung
- 20
- Schub- und Zug-Rohr
- 21
- Versorgungsleitungen
- 22
- Arbeitsplattform
- 23
- Antriebseinheit
- 24
- Steuereinheit
- 100
- Verfahren zum Erstellen einer Gründung
- 101
- Bohren
- 102
- Zuführen von Fixiermaterial
- 103
- Fixieren
- 104
- Trennen
- 105
- Anbringen einer Endplatte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005021216 A1 [0029]
- EP 2013438 B1 [0030]
