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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bohren eines Bohrloches in eine geologische Formation und ein Bohrgerät zu Durchführung des Verfahrens.
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Aus der
DE 60 2004 011 775 T2 ist beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung einer Erdwärmesonde bekannt. Das Verfahren umfasst folgende Schritte. A) Bohren eines Bohrloches in den Boden unter Verwendung eines Schallbohrkopfes, wobei der Schallbohrkopf ein mit ihm verbundenes Futterrohr aufweist, wobei ein Bohrschuh mit einem unteren Ende des Futterrohres verbunden ist, so dass eine Bewegung (Schwingungsbewegung, Auf- und Abwärts-Hubbewegungen und/oder Schwingungsbewegung und Drehung) des Futterrohres durch den Schallbohrkopf das Bohrloch durch den Boden bohrt. B) Pumpen einer Mischung aus Wasser und einem Bohrfluid nach unten in das Futterrohr während des Bohrens, durch ein unteres Ende des Futterrohres nach außen und in einem ringförmigen Raum zwischen einer inneren Oberfläche des Bohrloches und einer äußeren Oberfläche des Gehäuses nach oben zur Erdoberfläche, so dass gebohrtes Material vom Bohrloch zur Erdoberfläche strömt. C) Absenken einer Wärmeaustausch-Rohrschleife als Erdwärmesonde nach unten in das Futterrohr. Bis dahin ist in nachteiliger Weise ein mit einem Futterrohr ausgefüttertes Bohrloch am unteren Ende offen. D) Erst jetzt erfolgt das Einleiten von Vergussmasse in das Futterrohr um die Wärmeaustausch-Rohrschleife, wobei die Vergussmasse eine Menge der Mischung aus Wasser und Bohrfluid aus dem Inneren des Futterrohres verdrängt. E) Schließlich wird das Futterrohr aus dem Bohrloch herausgezogen.
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Auch andere bekannte Methoden zu Aufschlussbohrungen sind dadurch gekennzeichnet, dass eine in ein Bohrloch einzubauende Sonde bis zum Einbau und Verpressen der Sonde „offen” ist. Hier werden folgende Arbeitsschritte durchgeführt. Schritt 1: Vortrieb eines Einfachkernrohres. Schritt 2: Überbohren des Einfachkernrohres mit einer Verrohrung. Wasser kann und wird zumeist zum Freispülen eines Ringraumes eingesetzt. Ein Bodenprobenkern kommt nicht mit der Spülung in Berührung. Schritt 3: Ausbauen oder Ziehen des Einfachkernrohres mit der Bodenprobe, die in einem Liner angeordnet ist. Schritt 4: Nachdem der Bodenprobenkern in dem Liner gewonnen wurde, wird der Vorgang gemäß Schritt 1 wiederholt.
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Der Nachteil dieser beiden beispielhaft genannten aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ist, dass das mit einem Futterrohr ausgefütterte beziehungsweise das mit einem Einfachkernrohr und mit einer Verrohrung versehene Bohrloch am unteren Ende stets offen ist, wodurch Grundwasser oder Bohrgut eindringen kann, wodurch es immer wieder zu Grundwasserschäden und/oder durch Instabilisierung des Bohrgrundes zu Schäden an umliegenden Gebäuden kommt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Einbau einer Sonde, insbesondere einer Erdwärmesonde, anzubieten, das eine sichere Installation der Sonde in instabilen geologischen Formationen ermöglicht. Die Aufgabe der Erfindung besteht ferner darin, ein Bohrgerät zu entwickeln, welches in vorteilhafter Weise zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist.
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Es wird ein Bohrgerät zum Bohren eines Bohrloches in eine geologische Formation in einem Bohrbetrieb ausgebildet, bei dem zumindest zeitweise ein Spülfluid und/oder ein Injektionsfluid zum Einsatz kommt/kommen.
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Das Bohrgerät umfasst ein Pumpenaggregat zum Pumpen des Spülfluids und/oder Injektionsfluids.
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Das Bohrgerät umfasst ferner eine Antriebsvorrichtung mit einem eine Rotations- und/oder Vibrationsbewegung erzeugenden Schalldrehbohrkopf, der mit einem Spannkopf zur Befestigung eines Bohrstranges an dem Schalldrehbohrkopf versehen ist, wobei der Bohrstrang zumindest teilweise einen Hohlraum aufweist, in dem ein Einbau eines Sondenrohres oder einer Sonde S für einen Sondenbetrieb möglich ist.
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Der Bohrstrang seinerseits umfasst mindestens ein Mantelrohr und einen fest mit dem mindestens einen Mantelrohr verbundenen Bohrkopf.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Bohrkopf einen Bohrmeißel und mindestens einen Spül- und Injektionskanal sowie ein Rückschlagventil aufweist.
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In vorteilhafter Weise ist in dem Bohrbetrieb in einer ersten Funktion des Bohrkopfes vorgesehen, dass der Bohrkopf die geologische Formation mittels des Bohrmeißels aufbohrt.
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In vorteilhafter Weise ist in dem Bohrbetrieb in einer zweiten Funktion des Bohrkopfes vorgesehen, dass der Bohrkopf den Spül- und Injektionskanal mittels eines ersten Verschlusselementes des Rückschlagventils ohne Einsatz des Spülfluids und/oder Injektionsfluids in Richtung der geologischen Formation verschlossen hält, wobei das Verschlusselement des Rückschlagventils den Spül- und Injektionskanal des Bohrkopfes bei Einsatz des Spülfluids und/oder Injektionsfluids in Richtung der geologischen Formation öffnet.
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Der Bohrkopf ist somit bifunktional.
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Das Bohrgerät zeichnet sich ferner in einer dritten Funktion dadurch aus, dass das mindestens eine Mantelrohr den Hohlraum bildet, der zur Aufnahme eines Sondenrohres oder einer Sonde S, insbesondere einer Erdwärmesonde dient, wobei das Rückschlagventil den Spül- und Injektionskanal in einem Sondenbetrieb, bei dem sich ein Wärmeenergie übertragendes Fluid in dem Hohlraum des mindestens einen Mantelrohres befindet, mittels des ersten Verschlusselementes in Richtung der geologischen Formation verschlossen hält, und mittels eines zweiten Verschlusselementes eine in dem Hohlraum des mindestens einen Mantelrohres auf seiner Unterseite angeordnete Öffnung geschlossen hält.
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Der Bohrkopf ist somit nicht nur bifunktional, sondern trifunktional.
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In vorteilhafter Weise ist das Bohrgerät ferner zur Durchführung des Verfahrens folgendermaßen ausgebildet. Der Bohrstrang umfasst zumindest eine Bohr-Sonde, die den Bohrkopf mit dem mindestens einen Spül- und Injektionskanal sowie das Rückschlagventil und ein mit dem Bohrkopf verbundenes erstes Mantelrohr umfasst.
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In den meisten Fällen, bei denen große Bohrtiefen erforderlich sind, umfasst der Bohrstrang eine Bohr-Sonde, die den Bohrkopf mit dem mindestens einen Spül- und Injektionskanal sowie das Rückschlagventil und das mit dem Bohrkopf verbundene erste Mantelrohr umfasst, welches zur Erreichung der Bohrtiefen darüber hinaus mit mindestens einem weiteren Mantelrohr verbunden ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die Mantelrohre durch Verschweißen miteinander verbunden, wobei an dem Bohrgerät eine Vorrichtung angeordnet ist, die gleichzeitig als Haltevorrichtung und als Schweißvorrichtung zum Verbinden von mindestens zwei (n-ten) Mantelrohren ausgebildet ist.
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Schließlich weist der Bohrkopf einen größeren Außendurchmesser auf als das Mantelrohr der Bohr-Sonde beziehungsweise die mit der Bohr-Sonde in Verbindung stehenden Mantelrohre, so dass es im Bohrbetrieb um das oder die Mantelrohre herum zur Ausbildung eines Ringraumes kommt. Die Ausgestaltung ist für die Durchführung des Verfahrens von Bedeutung, wie nachfolgend und in der Beschreibung noch näher erläutert wird.
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Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Verfahren zum Bohren eines Bohrloches in eine geologische Formation, bei dem zumindest zeitweise ein unter Druck stehendes Spülfluid und/oder ein Injektionsfluid eingesetzt wird/werden.
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Folgende Verfahrensschritte sind bekannt:
- a): Bohren eines Bohrlochs in einem Bohrbetrieb unter Verwendung mindestens eines mit einem Bohrkopf in Verbindung stehenden Mantelrohres als Bohrstrang, in dem zumindest teilweise ein Hohlraum ausgebildet ist, in dem durch Einbau eines Sondenrohres oder einer Sonde ein Sondenbetrieb ermöglicht wird, wobei der Bohrstrang während des Bohrbetriebes in eine Rotations- und/oder Vibrationsbewegung versetzt wird.
- b): Einbau des Sondenrohres oder der Sonde in dem Hohlraum des Bohrstranges für den Sondenbetrieb.
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In nachteiliger Weise ist, wie zuvor erläutert, der Bohrstrang während des Bohrbetriebes an seinem unteren Ende offen.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in dem ersten Schritt a): während des Bohrbetriebes ein Rückschlagventil einen Spül- und Injektionskanal in dem Bohrkopf mittels eines ersten Verschlusselementes in Richtung der geologischen Formation verschlossen gehalten wird, solange kein Spülfluid und/oder Injektionsfluid eingesetzt wird. Das Rückschlagventil, welches den Spül- und Injektionskanal in dem Bohrkopf freigibt, wird in Richtung der geologischen Formation nur dann geöffnet, wenn das Spülfluid und/oder Injektionsfluid eingesetzt wird. Dadurch ist der Bohrstrang in vorteilhafter Weise stets auf seiner Unterseite geschlossen, so dass kein Grundwasser oder Bohrgut eindringen kann, wodurch es zu keinen Grundwasserschäden und/oder nicht zur Instabilisierung des Bohrgrundes und damit zu keinen Schäden an umliegenden Gebäuden kommt.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem ersten Schritt a): das erste Verschlusselement des Rückschlagventils durch das zum Einsatz gebrachte unter Druck stehende Spülfluid und/oder Injektionsfluid in Richtung der geologischen Formation druckabhängig geöffnet wird und durch eine entgegengesetzt wirkende Kraft eines Federelementes, welches auf das erste Verschlusselement einwirkt, in Richtung der geologischen Formation geschlossen wird, sobald die Kraft des Federelementes größer ist als die durch den Druck des Spülfluids und/oder Injektionsfluids aufgebrachte Kraft.
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Ferner ist in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass ein Außendurchmesser des mindestens einen ersten Mantelrohres der Bohr-Sonde kleiner ausgebildet wird als ein Außendurchmesser des fest mit dem Mantelrohr verbundenen Bohrkopfes, wodurch in dem ersten Schritt a): während des Bohrbetriebes zwischen der geologischen Formation und dem mindestens einen Mantelrohr in Längsrichtung des Bohrstranges gesehen, ein Ringraum gebildet wird, in dem während des Bohrbetriebes gegenüber der geologische Formation Bohrgut verpresst wird.
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Der Ringraum wird in einer ersten Ausführungsvariante, wenn kein Spülfluid und/oder Injektionsfluid eingesetzt wird/werden, ausschließlich mit Bohrgut verpresst. Im Ringraum, um das Mantelrohr der Bohr-Sonde herum, wird ein Verpressring aus Bohrgut gebildet.
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Der Ringraum wird in einer anderen Ausführungsvariante, wenn Spülfluid und/oder Injektionsfluid eingesetztwird/werden, mit einer Mischung aus Bohrgut und Spülfluid und/oder Injektionsfluid verpresst.
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Wird Injektionsfluid verwendet, wird ein Verpressring aus Bohrgut und Injektionsfluid gebildet, so dass um das Mantelrohr der Bohr-Sonde herum in vorteilhafter Weise ein flüssigkeitsdichter Verpressring entsteht.
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Wird Spülfluid und/oder Injektionsfluid verwendet, wird ein Verpressring aus Bohrgut und Spülfluid und/oder Injektionsfluid gebildet, so dass um das Mantelrohr der Bohr-Sonde herum in vorteilhafter Weise ebenfalls ein flüssigkeitsdichter Verpressring entsteht.
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Wird ausschließlich Spülfluid verwendet, wird ein Verpressring aus Bohrgut und Spülfluid gebildet, so dass um das Mantelrohr der Bohr-Sonde herum in vorteilhafter Weise ebenfalls ein Verpressring entsteht, der durch das Spülfluid sicher in Hohlräumen und dergleichen eingespült ist.
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Der jeweilige Verpressring stützt gemeinsam mit dem oder den Mantelrohren in Kombination die außen liegende geologische Formation gegenüber dem Bohrstrang ab und sichert somit das Bohrloch hinsichtlich seiner Stabilität, wobei der in dem Ringraum gebildete Verpressring je nach seiner materialseitigen Ausbildung eine besonders hohe Stabilität erreicht, wenn ausschließlich Injektionsfluid verwendet wird. Hinzu tritt dann in Kombination mit den Mantelrohren des Bohrstrangs oder durch den Verpressring allein die Dichtheit (Abdichtung) des Bohrloches gegenüber Flüssigkeiten.
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In dem zweiten Schritt erfolgt der Einbau des Sondenrohres oder der Sonde in dem Hohlraum des Bohrstranges für den Sondenbetrieb.
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Anschließend wird für den Sondenbetrieb in einem dritten Schritt c) ein Fluid in den Hohlraum des Mantelrohres eingefüllt.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird in einem zwischen dem ersten Schritt a): und dem zweiten Schritt b): stattfindenden Zwischenschritt ab): die auf der Unterseite des Hohlraumes des Mantelrohres angeordnete Öffnung mittels eines zweiten Verschlusselementes oberhalb des Rückschlagventils verschlossen, so dass die Öffnung auf der Unterseite des Hohlraumes im Sondenbetrieb, bei dem sich Wärmeenergie übertragendes Fluid in dem Hohlraum des mindestens einen Mantelrohres befindet, mittels des ersten Verschlusselementes in Richtung der geologischen Formation und mittels des zweiten Verschlusselementes in Richtung des Hohlraumes des Mantelrohres verschlossen wird.
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In den Verfahren nach dem Stand der Technik wurden typischerweise große Drehmomente am Bohrgerät vorgesehen, um ein Bohrloch herstellen zu können, wobei die Reibung durch Teleskopieren der Bohrverrohrung nur schrittweise aufgehoben wird. Die hohen Drehmomente werden jetzt nicht mehr benötigt, da das Bohren gemäß der Erfindung in vorteilhafter Weise mit Unterstützung des Prinzips der Hochfrequenz-Bohrtechnik erfolgt. Die Hochfrequenz-Bohrtechnik ist einfach und effektiv durchführbar. Oszillatoren erzeugen eine vertikale Bewegung des als Bohrstrang ausgebildeten Bohrwerkzeuges in vorgebbaren Vibrationszyklen. Zumeist werden 50 bis 150 Vibrationen pro Sekunde eingestellt, bei denen der Bohrstrang aufschwingt, wodurch die Bohrsonde (aus Bohrkopf und Mantelrohr) und das Bohrgestänge (Mantelrohre), die gemeinsam als Bohrstrang bezeichnet werden, nahezu reibungslos in das Erdreich eindringen, so dass ein Bohrloch entsteht. Die Oberflächen- oder auch Mantelreibung der Außenwandung der Mantelrohre gegenüber der beim Bohren entstehenden Innenwandung der geologischen Formation stellt die größte Herausforderung in den oberflächennahen Lockersedimenten dar, die in vorteilhafter Weise mittels der Hochfrequenz-Bohrtechnik stark reduziert wird.
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Die Bohrwerkzeuge rotieren mit circa 0 bis 150 U/min und die Frequenz der vertikalen Schwingungen beträgt zwischen 30 bis 150 Hz, also 30 bis 150 Zyklen pro Sekunde. Die vertikal gerichteten Hochfrequenzvibrationskräfte betragen dabei circa 10 bis 15 kN. Der Bohrstrang wird durch eine entsprechende Antriebsvorrichtung um seine eigene Längsachse in Rotation und in Schwingung (Vibration in dem genannten Frequenzbereich) versetzt, wobei die Antriebsvorrichtung den Bohrstrang in Schwingungen versetzt, die nach oben und unten entlang der Längsachse des Bohrwerkzeuges gerichtet sind, wobei die Vibrationen dauerhaft oder periodisch stattfinden.
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Wenn die am Bohrstrang entstehenden Schwingungen mit der Formation in Kontakt kommen, wird diese in vorteilhafter Weise in einen nahezu flüssigen Zustand versetzt, wodurch die Mantelreibung des Bohrstranges aus Bohrkopf und Bohrgestänge auf ein Minimum reduziert wird. Der beste Wirkungsgrad wird erzielt, wenn der Bohrstrang in Resonanz gebracht wird.
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Gleichzeitige Rotation und Zugabe von geringen Mengen an Spülfluid (zumeist Wasser) ermöglicht es Gestein und Fels problemlos zu durchörtern. Die durch die Unwucht erzeugte Dynamik ist abhängig von Geschwindigkeit und dem Gewicht der in der Antriebsvorrichtung verwendeten Oszillatoren. Je nach Anwendung können diese Parameter angepasst und verändert werden.
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Das Injektions-Bohr-Sonden-System, kurz IBS-System genannt, garantiert in einem bevorzugten Anwendungsfall einen schnellen und sicheren Einbau einer Erdwärmesonde.
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Bisher wurden Erdwärmesonden in Form U-förmiger PE-Rohre in während des Bohrbetriebes offene Bohrlöcher eingebracht und erst nach oder während des Einbaus der Sonde in diesen offenen Bohrlöchern mit verschiedenen Verpressmaterialien mit dem Untergrund verbunden. Dabei entstehen nicht selten große Baustellen und bei der Herstellung des Bohrloches entstehen wie erläutert oft Flurschäden im Bereich der Bohrstelle. Durch das IBS-System wird sowohl der Aufwand als auch das Risiko beim Einbau einer Sonde um ein Vielfaches reduziert. Die Bezeichnung IBS-System weist bereits auf das Verfahren zum Einbau einer Sonde in einem Bohrloch hin.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:
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1 ein Bohrfahrzeug/Bohrgerät mit einer Bohrvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Bohrverfahrens,
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2 ein Bohrwerkzeug mit einem Sondenhalter und einem Bohrkopf, und
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3A, 3B einen als Bohrwerkzeug dienenden Bohrkopf endseitig des Bohrwerkzeuges gemäß 3A im Bohrbetrieb und gemäß 3B im Sondenbetrieb.
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1 zeigt zunächst ein Bohrgerät 100 in der Art eines Bohrfahrzeuges mit einer Bohrvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Bohrverfahrens.
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Das Bohrgerät 100, welches als Bohrfahrzeug ausgebildet ist, erhöht die Mobilität der Bohrvorrichtung. Ein Bohrfahrzeug kann schnell und kostengünstig an verschiedenen Einsatzorten zur Anwendung gebracht werden.
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Das Bohrfahrzeug 100 umfasst eine Hochdruckpumpe 101 mit einem Mischwerk zur Herstellung eines flüssigen Spül- und/oder Injektionsfluids. Das Bohrfahrzeug 100 umfasst ferner Steuer- und Regelaggregate 102 zur Steuerung und Regelung der Bohrvorrichtung.
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Die Bohrvorrichtung umfasst einen Koaxial-Bohrmast 103, der an seinem unteren Ende einen Mastfuß 104 in der Art einer Haltevorrichtung aufweist, die erfindungsgemäß gleichzeitig als Schweißvorrichtung dient. In dieser Halte- und Schweißvorrichtung 104 wird das Bohrwerkzeug geführt und gehalten und kann durch Verschweißen von Mantelrohren 106-n verlängert werden, wodurch sukzessiv durch mehrmaliges Verlängern des Bohrwerkzeuges eine gewünschte Bohrtiefe erreicht wird.
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Im Ausführungsbeispiel seitlich am Bohrmast 103 ist eine Antriebsvorrichtung 105 angeordnet, die dazu geeignet ist, das Bohrwerkzeug in Rotation zu versetzen und vertikal gerichtete Hochfrequenzvibrationskräfte zu erzeugen.
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Um das Bohrwerkzeug in Rotation und Vibration zu versetzen, sind innerhalb der Antriebsvorrichtung 105 Kraftdrehköpfe oder sogenannte Schalldrehbohrköpfe angeordnet, die es in einer Standard-Ausführung in Abhängigkeit der vorhandenen Geologie und der Bohrdurchmesser erlauben, Bohrlöcher mit Bohrtiefen von bis zu 60 m zu bohren. In Spezialausführungen der Kraftdrehköpfe können größere Kräfte aufgebracht werden, wobei diese Spezialausführungen ferner zusätzlich mit spezieller Dämpfungstechnik ausgestattet sind, so dass in Abhängigkeit der vorhandenen Geologie und der Bohrdurchmesser sogar Bohrtiefen von 80 m und mehr erreicht werden.
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Das Bohrwerkzeug umfasst ein Mantelrohr 106-n mit einem endseitig angeordneten bifunktionalen Bohrkopf 107, der mit mindestens einem Mantelrohr 106-n verbunden ist. Das Mantelrohr 106-n bildet eine äußere Wandung einer Erdwärmesonde S aus. Das Mantelrohr 106-n der Erdwärmesonde S und der trifunktionale Bohrkopf 107 bilden ein trifunktionales Bohrwerkzeug aus.
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Da das trifunktionale Bohrwerkzeug gleichzeitig als Hülle für die Erdwärmesonde S dient, wie nachfolgend noch näher erläutert wird, wird die Kombination aus einem ersten Mantelrohr 106-1 und dem bifunktionalen Bohrkopf 107 zusammengefasst, die als trifunktionale Bohr-Sonde 106-1, 107 bezeichnet wird.
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Die Bifunktionalität des Bohrkopfes 107 wird nachfolgend ebenfalls noch näher erläutert.
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Das Mantelrohr 106 wird in einem Spannkopf 109 gehalten und eingespannt, der unterhalb der Antriebsvorrichtung 105 angeordnet ist. Der Spannkopf 109 überträgt die um die vertikale Achse von dem Kraftdrehkopf erzeugte Rotationsbewegung auf das Mantelrohr 106-n und damit auf den bifunktionalen Bohrkopf 107. Ferner werden über den Spannkopf 109 die in der Antriebsvorrichtung 105 erzeugten vertikal gerichteten Hochfrequenzvibrationskräfte auf das Mantelrohr 106-n und den mit dem Mantelrohr 106-n verbundenen bifunktionalen Bohrkopf 107 übertragen.
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Der Spannkopf 109 erfasst mittels einer speziellen Aufnahme verdrehsicher mindestens ein erstes Mantelrohr 106-1 (n = Anzahl der Mantelrohre), welches hohlzylindrisch ausgebildet ist, wobei in der Regel entsprechend der notwendigen Bohrtiefen mehrere hohlzylindrische Mantelrohre 106-n miteinander verbunden werden.
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Im Ausführungsbeispiel sind beispielsweise drei Mantelrohre 106-1, 106-2, 106-3 miteinander verbunden. Das erste Mantelrohr 106-1 weist an seinem unteren Ende den bifunktionalen Bohrkopf 107 auf. Ein zweites Mantelrohr 106-2 verbindet das erste Mantelrohr 106-1 mit einem dritten Mantelrohr 106-3, welches an seinem oberen Ende über den Spannkopf 109 mit der Antriebsvorrichtung in Verbindung steht.
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Die Verbindungen V-n zwischen den Mantelrohren 106-n erfolgen in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung mittels einer Schweißverbindung. Die beiden dargestellten Verbindungen V-12 und V-23 bilden die Verbindung zwischen dem ersten Mantelrohr 106-1 und dem zweiten Mantelrohr 106-2 und dem zweiten Mantelrohr 106-2 und dem dritten Mantelrohr 106-3; als Schweißverfahren wird das WIG-Orbital-Schweißen vorgeschlagen. Das WIG-Orbital-Schweißen basiert auf dem Wolfram Inert-Gas-Prozess (WIG), der es ermöglicht, Energie und gegebenenfalls Zusatzwerkstoff getrennt voneinander optimal in die Schweißstelle einzubringen. Die hierbei vorzugsweise eingesetzte Pulstechnik erlaubt das kontrollierte Aufschmelzen und Erstarren des Schmelzbades, was eine optimale Kontrolle über den Erfolg des Prozesses in jeder Schweißposition erlaubt. So hergestellte Schweißverbindungen sind unlösbar und stellen die sicherste Verbindung von Rohren und rohrförmigen Formteilen dar.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die dargestellte Haltevorrichtung 104 derart auszubilden, dass sie gleichzeitig als Haltevorrichtung und als Schweißvorrichtung, insbesondere als Schweißvorrichtung für das WIG-Orbital-Schweißen zum Verschweißen der Mantelrohre 106-n dienen kann.
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Um eine genaue und sichere Verbindung von zwei Mantelrohren 106-n sicherzustellen, ist zudem vorgesehen, dass die Mantelrohre 106-n einendseitig mit einer leichten konischen Verjüngung hergestellt und verwendet werden. Bei der Verbindung von zwei Mantelrohren 106-n wird die Verjüngung eines Mantelrohres 106-n in ein nicht verjüngtes Ende eines sich anschließenden Mantelrohres 106-n gesteckt, wodurch sich zwischen den beiden Mantelrohren 106-n eine Art Phase bildet, die nachfolgend verschweißt wird.
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Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, dass innerhalb der Haltevorrichtung 104 vorzugsweise eine Hydraulikpresse angeordnet ist, die das kraftschlüssige Verbinden der Mantelrohre 106-n bewerkstelligt. Durch diese Lösung wird eine noch sicherere und noch genauere Schweißverbindung bewirkt, die vorzugsweise in der gleichzeitig als Schweißvorrichtung ausgebildeten Haltevorrichtung 104 durchgeführt wird.
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Es versteht sich, dass die genannten Schritte zum Verbinden, insbesondere Verschweißen der Mantelrohre 106-n auch unabhängig von der Haltevorrichtung 104 ausgeführt werden.
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In 2 ist beispielhaft eine Verbindung zwischen einem ersten und einem zweiten Mantelrohr 106-1 und 106-2 dargestellt, wobei die beschriebene Verbindung V-n nur anhand des Bezugszeichens V-12 verdeutlicht wird. Am oberen Ende des zweiten Mantelrohres 106-2 ist beispielhaft der Spannkopf 109 dargestellt, mittels dem ein Mantelrohr 106-n mit der Antriebsvorrichtung 105 verbunden wird.
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Am unteren Ende des ersten Mantelrohres 106-1 ist der bifunktionale Bohrkopf 107 angeordnet, wie 2 und 3 in einer vergrößerten Darstellung und die 3A und 3B in einer Zusammenschau zeigen. Die 3A und 3B zeigen die Einzelheit X gemäß 2 in einer Vergrößerung, wobei die 3A den bifunktionalen Bohrkopf 107 im Bohrbetrieb I und die 3B im Sondenbetrieb II zeigt.
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Der bifunktionale Bohrkopf 107 umfasst in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung als Bohrmeißel oder Bohrspitze einen Meißel 107-1, insbesondere einen Warzenmeißel.
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Ferner umfasst der bifunktionale Bohrkopf 107 mindestens einen Spül- beziehungsweise Injektionskanal 107-2, der in Strömungsrichtung gesehen hinter einem Rückschlagventil 107-3 angeordnet ist.
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Die Strömungsrichtung ist in 2 mit einem Pfeil P1 neben dem bifunktionalen Bohrkopf 107 angegeben. Das Rückschlagventil 107-3 umfasst seinerseits ein Federelement 107-31, ein Verschlusselement 107-32 in der Art einer Kugel, einen ersten Sitz 107-33 und einen sich nach unten in Strömungsrichtung P1 verjüngenden Trichter 107-4, der einen zweiten Sitz 107-42 ausbildet.
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Das erste Verschlusselement 107-32 ist für den Bohrbetrieb I von besonderer Bedeutung.
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Der Trichter 107-4 geht an seinem den größten Durchmesser aufweisenden Ende in einen orthogonal zur Längsachse des Mantelrohres 106-n liegenden Boden 107-5 über.
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In 3B ist ein weiteres Verschlusselement 107-41 in der Art einer Kugel dargestellt, das für den Sondenbetrieb II von besonderer Bedeutung ist, wie nachfolgend noch näher erläutert wird.
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Die 3A, 3B verdeutlichen ferner eine Schweißnaht 107-6, über die der bifunktionale Bohrkopf 107 mit dem ersten Mantelrohr 106-1 verbunden ist. Anhand der 3A und 3B wird ferner deutlich, dass der bifunktionale Bohrkopf 107 in einer Länge, die in etwa der Höhe des Trichters 107-4 entspricht, in das erste Mantelrohr 106-1 eingesteckt ist. Dadurch wird eine besonders hohe Stabilität zwischen dem bifunktionalen Bohrkopf 107 und in dem ersten Mantelrohr 106-1 erreicht.
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Außerdem wird anhand der 3A, 3B noch deutlich, dass der bifunktionale Bohrkopf 107 gegenüber dem ersten beziehungsweise dem weiteren Mantelrohr 106-1, 106-n einen etwas größeren Außendurchmesser aufweist, so dass sich oberhalb des Bohrkopfes 107 zwischen Erdreich und Außenfläche der Mantelrohre 106-n ein schmaler Ringraum 108 bildet, der hinsichtlich des Verfahrens von besonderer Bedeutung ist, wie nachfolgend bei der verfahrenstechnischen Erläuterung noch näher erläutert wird.
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Vor der Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird beispielhaft der Aufbau eines Erdreichs gemäß 2 erläutert. Es ist beispielhaft vorgesehen, eine Erdwärmesonde in einer im Erdreich erstellten Bohrung anzuordnen. Das Erdreich weist von oben nach unten gesehen beispielsweise eine erste Schicht aus Mutterboden, eine zweite Schicht aus Lehm, ein erstes Grundwasserstockwerk, einen Grundwasserstauer und ein zweites Grundwasserstockwerk oberhalb einer Schicht aus Geschiebemergel auf. Die Erdwärmesonde soll durch eine entsprechende Bohrung auf eine vorgebbare Tiefe gebracht werden, wobei die Bohrung insbesondere die Grundwasserstockwerke durchörtert, wobei gemäß der Aufgabe vorgesehen ist, dass eine sichere Installation der Erdwärmesonde möglich ist, bei der weder das Grundwasser Schaden nimmt, noch die jeweilige geologische Formation instabil wird.
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In Vorbereitung der Durchführung des Verfahrens wird der Bohrkopf 107, wie erläutert, mit dem unteren Ende des ersten Mantelrohres 106-1 verschweißt. Dadurch bildet sich in dem ersten Mantelrohr 106-1 der Boden 107-5 aus, der als Sondenfuß für das später einzubringende Sondenrohr dient.
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In einem ersten Verfahrensschritt wird die aus dem ersten Mantelrohr 106-1 und dem bifunktionalen Bohrkopf 107 bestehende Bohr-Sonde 106-1, 107 in das Erdreich eingebracht.
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Erfindungsgemäß wird dabei während der Rotationsbewegung der Bohr-Sonde 106-1, 107 die beschriebene Hochfrequenz-Bohrtechnik verwendet. Insbesondere die Hochfrequenz-Bohrtechnik versetzt die Bohr-Sonde 106-1, 107 während des Bohrens in Schwingung, wodurch ein reibungsloser Einbau der Bohr-Sonde 106-1, 107 im Erdreich ermöglicht wird.
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Gleichzeitig ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Bohr-Sonde 106-1, 107 im Erdreich verpresst wird. Das Verpressen erfolgt mithilfe eines Injektionsfluids IF. Als Injektionsfluid IF wird eine dünne Suspension (Gemisch) aus Bentonit und Zement verwendet. Diese dünne Suspension kann zusätzlich mit Polymeren als Additiv versehen sein. Bentonit-Produkte zeichnen sich durch extrem einfache Handhabung aus. Bentonit-Produkte sind als vorgefertigte Mischung erhältlich und zeichnen sich durch optimale Pumpbarkeit, ein hohes Austragsvermögen, geringe Filtrationswerte und eine Basis-Inhibierung aus. Darüber hinaus besteht durch den Polymeranteil für das verwendete Bentonit ein Schutz gegenüber äußeren Einflüssen aus dem Boden oder aus dem Grundwasser.
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Während des Einbringens der Bohr-Sonde 106-1, 107 in das Erdreich befindet sich das Rückschlagventil 107-3 im Bohrbetrieb I. Beim Einführen der Bohr-Sonde 106-1, 107 in das Erdreich wird über die Hochdruckpumpe 101 in dem Mischwerk vorgefertigte Suspension als Injektionsfluid IF zu dem Rückschlagventil 107-3 gepumpt. Durch den dabei erzeugten Druck wird das erste Verschlusselement 107-32 gegen die Vorspannkraft des Federelementes 107-31 aus dem ersten Sitz 107-33 gedrückt, so dass das Injektionsfluid IF durch den Trichter 107-4 zu dem mindestens einen Injektionskanal 107-2 gelangt und aus dem bifunktionalen Bohrkopf 107 austritt. Das Verschlusselement 107-32 öffnet somit druckabhängig den Injektionskanal 107-2. Das Verschlusselement 107-31 liegt im geschlossenen Zustand kraftschlüssig am ersten Sitz 107-33 an. Der erste Sitz 107-33 wird in einer bevorzugten Ausgestaltung formschlüssig ausgebildet, so dass das Verschließen in vorteilhafter Weise nicht nur kraftschlüssig, sondern kraft- und formschlüssig erfolgt.
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Das Injektionsfluid IF gelangt bei dem fortschreitenden Einbringen der Bohr-Sonde 106-1, 107 in den bereits beschriebenen Ringraum 108, der sich zwischen der Außenfläche der Mantelrohre 106-n und dem Erdreich bildet. Durch das Schließen des Ringraumes 108 und gegebenenfalls durch das Schließen von Hohlräumen im Erdreich werden die Mantelrohre 106-n gegenüber dem Erdreich abgedichtet, wodurch eine optimale Anbindung der Mantelrohre 106-n und mithin der in den Mantelrohren 106-n angeordneten Erdwärmesonde S an das Erdreich stattfindet. Da die Mantelrohre 106-1 dauerhaft im Erdreich verbleiben, besteht ein wesentlicher Vorteil darin, dass die Bohrung zu jedem Zeitpunkt verrohrt, also stets gegenüber dem Erdreich abgestützt ist. Dadurch können in vorteilhafter Weise zwischen den beispielhaft genannten Grundwasserstockwerken auch keine hydraulischen Verbindungen entstehen, weshalb keinerlei Gefahr besteht, dass die Grundwasserstockwerke in irgendeiner Weise geschädigt werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch das Einbringen des Injektionsfluids IF gleichzeitig mit dem Eindringen der Bohr-Sonde 106-1, 107 in das Erdreich eine Schmierung der Bohrung stattfindet, wodurch das Einbringen der Bohrung insgesamt erleichtert wird und beispielsweise mit geringerem Energieaufwand und geringerem Zeitaufwand durchführbar ist.
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Dabei kommt hinzu, dass erfindungsgemäß vorgesehen ist, nur eine geringe Menge an Injektionsfluid IF zu verwenden. Die Verwendung einer geringen Menge an Injektionsfluid IF (ca. 1 bis 2 l/pro Minute) ist möglich, da die Bohrung mittels der Hochfrequenz-Bohrtechnik eingebracht wird. Durch diese Kombination wird für eine durchschnittliche Bohrung kein Spülteich, sondern lediglich ein kleines Reservoir für das Injektionsfluid IF von max. 50 l Volumen benötigt. Hierin besteht ein wesentlicher Vorteil zu anderen bekannten Bohr-Verfahren.
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Das Einbringen und Verpressen der Bohr-Sonde 106-1, 107 erfolgt bei höheren Bohrtiefen, indem das erste Mantelrohr 106-1, welches bereits mit dem Bohrkopf 107 verschweißt worden ist, Stück für Stück mit weiteren Mantelrohren 106-2, 106-3 verbunden wird. Der Vorgang wird besonders vorteilhaft automatisiert, wenn diese Verbindung durch das WIG-Orbital-Schweißen innerhalb der Haltevorrichtung 104 erfolgt.
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Sobald die gewünschte Bohrtiefe innerhalb des ersten Verfahrensschrittes erreicht ist, sind die Bohrarbeiten in vorteilhafter Weise bereits abgeschlossen. Der Bohrkopf 107, mit seinem Bohrmeißel 107-1 und dem Rückschlagventil 107-3, verbleibt als verlorenes Bauteil im Erdreich.
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Durch die vorhergehende Beschreibung wird die Bifunktionalität des Bohrkopfes 107 deutlich.
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Die erste Funktion besteht darin, dass der Bohrkopf 107 mittels des Bohrmeißels 107-1 für die eigentliche Bohrarbeit innerhalb des Erdreiches und das Aufbohren des Erdreiches sorgt.
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Die zweite Funktion besteht darin, dass der Bohrkopf 107 mittels des Injektionskanals 107-2 dafür sorgt, dass während der Einbringung der Bohr-Sonde 106-1, 107, also während der Bohrung, Injektionsfluid IF in den Bereich des Bohrkopfes 107 eingebracht werden kann, wodurch die Bohr-Sonde 106-1, 107 durch Ausbildung eines verpressten und ausgehärteten zylindrischen Ringes (Verpressring) innerhalb des Ringraumes 108 verpresst wird.
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Dadurch, dass der bifunktionale Bohrkopf 107 zudem mit dem ersten Mantelrohr 106-1 in Verbindung steht, welches die Außenwandung der Erdwärmesonde S bildet, tritt hinsichtlich der Kombination aus Bohrkopf 107 und Mantelrohr 106-1 eine weitere dritte Funktion hinzu, die darin besteht, dass die Hülle der Erdwärmesonde S in der Art des Mantelrohres 106-1 in einem einzigen Verfahrensschritt bereits im Erdreich an der dafür vorgesehenen Stelle eingebaut ist.
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Vor dem Einbau der Sonde S erfolgt alternativ ein Spülen des Mantelrohres 106-1 mittels einer Spülflüssigkeit SF, die ebenfalls über den Spül-/Injektionskanal 107-2 aus dem Mantelrohr 106-1 ausgetragen wird. Dazu erfolgt innerhalb des Mischwerkes eine Umschaltung auf eine für die Spülung vorgesehene Spülflüssigkeit SF, vorzugsweise Wasser. Es hat sich herausgestellt, dass eine solche Spülung nur dann notwendig ist, wenn die Gefahr besteht, dass sehr feine Bestandteile wie beispielsweise Sand oder dergleichen in den Hohlraum 110 des Mantelrohres 106-1 der Bohr-Sonde 106-1, 107 gelangen können. Zumeist kann auf ein Spülen verzichtet werden.
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Um eine Öffnung der Bohr-Sonde 106-1, 107 endgültig auf ihrer Unterseite zu verschließen, wird vor dem Einbau der Sonde S das zweite Verschlusselement 107-41 verwendet, welches von oben in das Mantelrohr 106-n eingeworfen wird, welches sich automatisch in den zweiten Sitz 107-42 des Trichters 107-4 festsetzt. Hierdurch wird die Öffnung des Mantelrohres 106-1 der Bohr-Sonde 106-1, 107 auf seiner Unterseite geschlossen und das Rückschlagventil 107-3 ist auf seiner Oberseite geschlossen, so dass eine Druckbeaufschlagung des Rückschlagventils 107-3 von oben nicht mehr stattfindet, wodurch sich das Rückschlagventil 107-3 in Richtung der geologischen Formation nicht mehr öffnen kann. Der Spül- und Injektionskanal 107-2 ist dadurch dauerhaft in beide Richtungen geschlossen, so dass sich die Bohr-Sonde 106-1, 107 in einem sicheren Sondenbetrieb II (3B) befindet.
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In die im Erdreich verpresste Bohr-Sonde 106-1, 107 wird abschließend ein dünnes zumeist aus PVC bestehendes Rohr als Koaxialrohr eingeführt, optional wird eine vollständige Koaxialsonde in die Bohr-Sonde 106-1, 107 eingebracht. Bereits zuvor wurden innerhalb des ersten Mantelrohres 106-1 entsprechende Abstandshalter in das erste Mantelrohr 106-1 eingebracht, die für eine Zentrierung des Koaxialrohres beziehungsweise der Koaxialsonde sorgen.
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Zum Betrieb der Bohr-Sonde 106-1, 107 wird Sole in die so eingebrachte Erdwärmesonde S eingeführt, die innerhalb der Mantelrohre 106-n aufsteigt. Dabei kann die Sole einerseits durch die enge Verbindung zu den Mantelrohren 106-n und andererseits durch die enge Verbindung der Mantelrohre 106-n zu dem Erdreich über den Verpressring in gegenüber dem Stand der Technik verbesserter Art und Weise Wärme aufnehmen. Da die Mantelrohre 106-n aus gut Wärme leitendem Stahl hergestellt sind, wird durch dieses vorteilhafte Verfahren auch besonders effizient Wärme aus dem Erdreich an die Sole übertragen. Dadurch steigt schließlich die Effizienz eines an die Erdwärmesonde S angeschlossenen Wärmepumpensystems.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Bohrgerät/Bohrfahrzeug
- 101
- Pumpenaggregat mit Mischwerk
- 102
- Steuer- und Regelaggregate
- 103
- Bohrmast
- 104
- Haltevorrichtung
- 105
- Antriebsvorrichtung
- 106-n
- Mantelrohr (n-tes Mantelrohr)
- 106-1
- erstes Mantelrohr
- 106-2
- zweites Mantelrohr
- 106-3
- drittes Mantelrohr
- 107
- Bohrkopf
- 107-1
- Bohrmeißel
- 107-2
- Spül-/Injektionskanal
- 107-3
- Rückschlagventil
- 107-31
- Federelement
- 107-32
- erstes Verschlusselement
- 107-33
- erster Sitz
- 107-4
- Trichter
- 107-41
- zweites Verschlusselement
- 107-42
- zweiter Sitz
- 107-5
- Boden
- 107-6
- Schweißnaht
- 108
- Ringraum
- 109
- Spannkopf
- 110
- Hohlraum
- V-n
- Verbindungen zwischen den Mantelrohren (n-te Verbindung)
- V-12
- Verbindung zwischen 106-1 und 106-2
- V-23
- Verbindung zwischen 106-2 und 106-3
- I
- Bohrbetrieb
- II
- Sondenbetrieb
- S
- Sonde/Erdwärmesonde
- IF
- Injektionsfluid
- SF
- Spülfluid
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 602004011775 T2 [0002]
