DE102017005548A1

DE102017005548A1 - Bohrkopf

Info

Publication number: DE102017005548A1
Application number: DE102017005548.3A
Authority: DE
Inventors: Viktor Alexander Hartung
Original assignee: HOCHSCHULE BOCHUM
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2017-06-13
Filing date: 2017-06-13
Publication date: 2018-12-13

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Bohrkopf zur Einbringung von Bohrungen in Erdreich umfassend ein Bohrkopfgehäuse, eine an deren unterem Ende angeordnete Bohrkrone (8) und einen an deren oberem Ende angeordneten Verbindungsbereich zur Verbindung mit einem Bohrgestänge, wobei der Verbindungsbereich eine Einlassöffnung (1) für unter Druck stehende Spülflüssigkeit und die Bohrkrone (8) wenigstens eine Auslassöffnung (4, 5) für unter Druck stehende Spülflüssigkeit aufweist und im Bohrkopfgehäuse ein Schlagkolben (6) angeordnet ist, der in wechselbaren hydraulischen Schaltzuständen aus entgegengesetzten Richtungen mit durch Spülflüssigkeit in sich gegenüberliegenden Schlagkolbenräumen (19, 20) erzeugbaren Druck gegen die Bohrkrone (8) beschleunigbar und von dieser wieder abhebbar ist, wobei in dem Bohrkopfgehäuse eine Ventilanordnung (12, 18) vorgesehen ist, mit der die wechselnden hydraulischen Schaltzustände erzeugbar sind, wobei die Ventilanordnung (12, 18) wenigstens zwei Ventilstellglieder (12, 18) aufweist und jedes Ventilstellglied (12, 18) relativ zu einem anderen entlang einer, insbesondere auf einer für alle Ventilstellglieder (12, 18) gemeinsamen Achse verschieblich ist und jedes Ventilstellglied (12, 18) durch axiale, insbesondere axial stirnseitige Druckbeaufschlagung mit Spülflüssigkeit zwischen zwei axialen Stellpositionen umsteuerbar ist und die Wandungen der Ventilstellglieder (12, 18) jeweils, bevorzugt in zumindest radialer Richtung, von mit Spülflüssigkeit beaufschlagbaren Ventil-Steuerkanälen (34,....,39) durchdrungen sind, wobei durch axiale Umsteuerung der Ventilstellglieder (12, 18) wenigstens drei, bevorzugt vier verschiedene radiale Gegenüberlagen von Ventil-Steuerkanälen (34,....,39) erzeugbar sind und mit jeder Gegenüberlage ein bestimmter, insbesondere ein jeweils anderer hydraulischer Schaltzustand erzeugbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Bohrkopf zur Einbringung von Bohrungen in Erdreich umfassend ein Bohrkopfgehäuse, eine an deren unterem Ende angeordnete Bohrkrone und einen an deren oberem Ende angeordneten Verbindungsbereich zur Verbindung mit einem Bohrgestänge, wobei der Verbindungsbereich eine Einlassöffnung für unter Druck stehende Spülflüssigkeit und die Bohrkrone wenigstens eine Auslassöffnung für unter Druck stehende Spülflüssigkeit aufweist und dem Bohrkopfgehäuse ein Schlagkolben angeordnet ist, der in wechselbaren hydraulischen Schaltzuständen aus entgegengesetzten Richtungen mit Spülflüssigkeit in sich gegenüber liegenden Schlagkolbenräumen erzeugbaren Druck gegen die Bohrkrone beschleunigbar und von dieser wieder abhebbar ist, wobei in dem Bohrgehäuse eine Ventilanordnung vorgesehen ist, mit der die wechselnden hydraulischen Schaltzustände erzeugbar sind.
Unter einer unter Druck stehenden Spülflüssigkeit wird verstanden, dass es sich um eine Flüssigkeit handelt, z.B. Wasser mit Spülungszusätzen, welches gefiltert und bevorzugt im Kreislauf aufbereitet wurde oder Klarwasser, die einen solchen Druck aufweist, dass diese Flüssigkeit unter Einwirkung des Tiefendruckes aus der Bohrkrone zum Zweck der Spülung austritt und weiterhin der Druck genügend hoch ist, die Bewegung des Schlagkolbens zu initiieren. Auf die absolute Druckhöhe kommt es hierbei bei der Erfindung nicht an, der typische benötigte Arbeitsdruck am Werkzeug liegt jedoch im Bereich von 50 bis 100 bar. Die Spülflüssigkeit kann durch ein, insbesondere oberirdisch betriebenes Pumpenaggregat unter Druck gesetzt sein. Bevorzugt wird ein Arbeitsdruck gewählt, der höher ist als der hydrostatische Druck, der am Ende der Bohrkrone vorliegt.
Bei Bohrköpfen dieser Art ist es üblicherweise vorgesehen durch ein Bohrgestänge, an welchem der Bohrkopf befestigbar ist, Spülflüssigkeit zum Bohrkopf zuzuführen, wobei das Bohrgestänge die die Spülflüssigkeit führende Leitung bildet und gleichzeitig vorgesehen ist, den Bohrkopf drehend anzutreiben. Die Spülflüssigkeit tritt durch die genannte Einlassöffnung am oberen Verbindungsbereich des Bohrkopfes in diesen ein und an der Bohrkrone am unteren Ende des Bohrkopfes, insbesondere auch gesteuert durch die Ventilanordnung, aus um üblicherweise das Bohrloch auszuspülen oder auch Flüssigkeitsstrahlen zu erzeugen, die selbst materialabtragend wirken können oder zumindest das Entfernen des durch den Bohrkopf gelösten Bohrgutes unterstützen.
Bei den bereits im Stand der Technik bekannten Ausführungen solcher Bohrköpfe mit Schlagkolben ist weiterhin die mit der Spülflüssigkeit erzeugte hydraulische Energie durch die Ventilanordnung im Bohrkopf insoweit nutzbar gemacht, als dass durch die Spülflüssigkeit und den mit dieser ausgeübten hydraulischen Druck der Schlagkolben im Bohrkopf auf die Bohrkrone beschleunigbar und wieder von dieser abhebbar ist, wofür mit der Ventilanordnung wechselnde hydraulische Schaltzustände erzeugt werden, die das Beschleunigen auf die Bohrkrone und das Wiederabheben von der Bohrkrone bewirken.
Hierbei kann die Ausgestaltung so sein, dass bei konstant anliegendem Spüldruck die Ventilanordnung zwischen den hydraulischen Schaltzuständen selbsttätig umschaltend arbeitet, das heißt wiederholend die Beschleunigung des Schlagkolbens auf die Bohrkrone und das wieder Abheben bewirkt. Üblicherweise weisen demnach Ventilanordnungen bei den im Stand der Technik bekannten Bohrköpfen genau zwei wechselbare hydraulische Schaltzustände auf, mit denen genau dieses Beschleunigen und wieder Abheben erzeugt werden kann.
Besonders beim Durchführen von Bohrungen in einem harten Gestein kann so ein hämmerndes Bohrverfahren realisiert werden, mit dem durch Impulsübertragung zwischen Bohrkrone und Gestein die Energie auch schlagend in das Gestein und nicht nur rotierend eingetragen wird, um so einen entsprechenden Abtrag zu bewirken.
Problematisch ist hierbei prinzipbedingt, dass die Spülflüssigkeit inkompressibel ist und deswegen beim Umsteuern zwischen den verschiedenen Schaltzuständen keinerlei Dämpfung vorliegt, somit also durch das Aufprägen einer Volumenstromänderung auf die inkompressible und massenträge Spülflüssigkeit hohe Druckspitzen entstehen, die auch zur Zerstörung des Bohrkopfes führen können. Unter einem Umsteuern zwischen verschiedenen Schaltzuständen wird dabei verstanden, dass die Ventilanordnung gesteuert von einem Schaltzustand in einen anderen wechselt.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung die hydraulische Energie der Spülflüssigkeit in eine Schlagbewegung umzuwandeln unter Verringerung der dabei entstehenden Druckspitzen.
Diese Aufgabe wird gemäß einem Aspekt der Erfindung dadurch gelöst, dass die Ventilanordnung wenigstens zwei Ventilstellglieder aufweist und jedes Ventilstellglied relativ zu einem anderen entlang einer für alle Ventilstellglieder gemeinsamen Achsrichtung, besonders bevorzugt auf einer für alle Ventilstellglieder gemeinsamen Achse verschieblich ist und jedes Ventilstellglied durch axiale, insbesondere axial stirnseitige Druckbeaufschlagung mit Spülflüssigkeit zwischen zwei axialen Stellpositionen umsteuerbar ist und die Wandung der Ventilstellglieder jeweils, bevorzugt in zumindest radialer Richtung, von mit Spülflüssigkeit beaufschlagbaren Ventil-Steuerkanälen durchdrungen ist, wobei durch axiale Umsteuerung der Ventilstellglieder wenigstens drei, bevorzugt vier verschiedene radiale Gegenüberlagen von Ventil-Steuerkanälen erzeugbar sind und mit jeder Gegenüberlage ein bestimmter, insbesondere jeweils ein anderer hydraulischer Schaltzustand erzeugbar ist.
Die axiale, insbesondere stirnseitige Druckbeaufschlagung eines jeweiligen Ventilstellgliedes kann dadurch erfolgen, dass eine axiale, insbesondere stirnseitige Fläche eines jeden Ventilstellgliedes eine Ventilkolbenfläche ausbildet, an welcher der Druck der Spülflüssigkeit wirkt. Die Ventilstellglieder bewegen sich somit zwischen wenigstens zwei sich gegenüberliegenden Ventilkolbenräumen hin und her. Bevorzugt ist die Bewegungsrichtung der Ventilstellglieder in der axialen Richtung des Bohrkopfes, also auch mit der Bohrrichtung übereinstimmend. Die genannte radiale Richtung ist eine Richtung senkrecht zur Bohrrichtung, bzw. Bohrkopf-Längsrichtung.
Hierbei kann die Erfindung genauso wie der Stand der Technik vorsehen, dass die Ventilanordnung eingerichtet ist bei anliegendem hydraulischen Druck, der durch die Spülflüssigkeit erzeugt oder zumindest übertragen ist, automatisch umschaltend zu sein zwischen den verschiedenen möglichen Schaltzuständen, sodass diese verschiedenen Schaltzustände nacheinander und wiederkehrend erzeugbar sind.
Die Erfindung kann hier bevorzugt vorsehen, die Umschaltung der Schaltzustände in Abhängigkeit der Bewegung des Schlagkolbens, insbesondere in Abhängigkeit von während der Bewegung eingenommenen axialen Positionen des Schlagkolbens vorzunehmen. Hierfür kann der Schlagkolben, insbesondere mit seiner radial außen liegenden Mantelfläche, Steuerkanäle öffnen und schließen, die eine Druckbeaufschlagung und Druckentlastung der Ventilkolbenräume der Ventilstellglieder bewirken. Solche Steuerkanäle können in der den Schlagkolben umgebenden Zylinderfläche liegen und mit Spülflüssigkeit beaufschlagt, bzw. beaufschlagbar sein.
Im wesentlichen Unterschied zum Stand der Technik werden mit einer solchen Anordnung nicht lediglich zwei hydraulische Zustände erzeugt, sondern mindestens drei, bevorzugt genau vier, ggfs. auch mehr als vier Schaltzustände.
So kann ergänzend zu einem typischen Schaltzustand, mit dem eine auf den Schlagkolben wirkende Kraft in Richtung zur Bohrkrone erzeugt wird und ergänzend zu einem typischen Schaltzustand, mit dem ein Abheben des Schlagkolbens nach einem durchgeführten Schlag von der Bohrkrone bewirkt wird auch mindestens ein weiterer Schaltzustand erzeugt werden, insbesondere ein solcher, mit dem kein abruptes Umschalten bewirkt wird zwischen der Kraft beziehungsweise dem Druck, mit dem das Abheben bewirkt wird und der Kraft beziehungsweise dem Druck mit dem das Beschleunigen auf die Bohrkrone bewirkt wird. Bevorzugt ist einer von den wenigstens drei, bevorzugt vier hydraulischen Schaltzuständen vorgesehen, um eine gedämpfte Bewegung des Schlagkolbens zwischen den beiden vorgenannten Zuständen zumindest zeitweise zu erzielen. In einer solchen gedämpften Bewegung soll bevorzugt die absolute Größe der Volumenstromänderung, die auf die Spülflüssigkeit durch die Schaltzustandsänderung aufgeprägt wird, begrenzt werden.
Die Erfindung sieht dies bevorzugt dadurch vor, dass der Schlagkolbenraum, mit dem der Schlagkolben bei Druckbeaufschlagung in Richtung zur Bohrkrone beschleunigt werden kann, nicht nur in einem Schaltzustand zur Umgebung des Bohrkopfes druckentlastet werden kann und in einer weiteren Schaltstufe mit maximalem zur Verfügung stehenden Spüldruck beaufschlagt werden kann, sondern dass in einem weiteren Schaltzustand ein Druckniveau an diesen Schlagkolbenraum geschaltet werden kann, das geringer ist als der maximale Spüldruck, insbesondere zumindest 30 % geringer.
Durch die Verwendung von wenigstens zwei Ventilstellgliedern, von denen jedes zwischen zwei axialen Stellpositionen innerhalb des Bohrkopfes beweglich ist, kann erzielt werden, dass bei Einsatz von genau zwei Ventilstellgliedern insgesamt vier verschiedene mögliche Stellpositionen der Ventilanordnung erzielbar sind, wobei mit jeder Stellposition beispielsweise ein hydraulischer Schaltzustand erzeugt werden kann. Gegebenenfalls kann es hier auch vorgesehen sein, in einer Stellposition einen Zustand zu erzeugen, der identisch ist zu einem Schaltzustand in einer anderen Position oder einen Zustand, in dem keinerlei Änderung des Systems bewirkt wird, somit also ein Zustand, der zwar einer bestimmten Stellposition entspricht, aber keine hydraulisch ändernde Wirkung erzielt.
So können bei Einsatz von zwei Ventilstellgliedern in der Ventilanordnung somit maximal vier aber auch weniger Schaltzustände erzielt werden und bei Einsatz von mehr als zwei Ventilstellgliedern, allgemein bei N Ventilstellgliedern demnach maximal 2^N verschiedene Schaltzustände. So kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, wenigstens einen, gegebenenfalls auch mehr als einen Schaltzustand vorzusehen, um eine Umsteuerung zwischen der abhebenden Kraft und der auf die Bohrkrone beschleunigenden Kraft unter Wirkung wenigstens eines eine Dämpfung der Schlagkolbenbewegung bewirkenden Schaltzustandes vorzunehmen.
Die Ventilstellglieder sind gemäß der Erfindung zumindest entlang einer für alle Ventilstellglieder gemeinsamen Achsrichtung verschieblich, was bedeuten kann, dass die Ventilstellglieder zumindest alle parallel verschoben werden, die jeweils für ein Ventilstellglied individuelle Achse jedoch unterschiedlich sein kann. Besonders bevorzugt sind die Ventilstellglieder so angeordnet, dass sie alle auf einer gemeinsamen Achse verschieblich sind, das heißt die Verschiebeachse ist für jedes Ventilstellglied gleich.
Die Erfindung kann hier vorsehen, dass in der Ventilanordnung die wenigstens zwei, insbesondere genau zwei Ventilstellglieder aneinander kontaktierend entlang gleiten und nebeneinander oder besonders bevorzugt ineinander liegend ausgebildet sind. Bei einer besonders bevorzugten Ineinanderanordnung kann die Ventilanordnung wenigstens ein äußeres und wenigstens ein inneres Ventilstellglied aufweisen, wobei die Ventilstellglieder koaxial ineinander angeordnet sind. Hier erfolgt die Verschiebung sodann auf einer gemeinsamen Mittenachse.
Besonders bevorzugt ist jedes der Ventilstellglieder bei einer solchen Anordnung jeweils hohlzylindrisch ausgebildet und weist die eingangs genannten Ventilsteuerkanäle innerhalb seiner jeweiligen Zylinderwandung auf. Die koaxial ineinander liegende Ausbildung der Ventilstellglieder ist hier besonders vorteilhaft, da die Ventilstellglieder hierdurch gegenseitige Führungen ausbilden und bei Ausübung von axialen durch die Spülflüssigkeit bewirkten Stellkräften, die bevorzugt auf axiale Stirnflächen der jeweiligen Ventilstellglieder wirken keinerlei Kippmomente entstehen. Zur Erzeugung von Stell- und oder Haltekräften können an den Ventilstellgliedern an den in axialer Richtung gegenüberliegenden Seiten verschiedenen Ventilkolbenflächen ausgebildet sein, wobei eine der Ventilkolbenflächen dazu dient, eine Kraft auszuüben, um das Ventilstellglied in seiner Position zu verstellen und eine andere dazu dient, lediglich eine, insbesondere geringere Kraft auszuüben, mittels welcher die erreichten Stellposition erhalten bleibt, z.B. nach einem Abschalten der Verstell-Kraft.
Bei der darüber hinaus weiterhin bevorzugten hohlzylindrischen Ausgestaltung der jeweiligen Ventilstellglieder und insbesondere auch des innersten Ventilstellgliedes erschließt sich weiterhin die Möglichkeit, an der Steuerung teilnehmende Komponenten des Bohrkopfes beziehungsweise der Ventilanordnung im Inneren des am weitesten innenliegenden Ventilstellgliedes anzuordnen, beispielsweise einen oder mehrere Kanäle zur Führung von Spülflüssigkeit. So besteht hierdurch auch die Möglichkeit die Spülflüssigkeit nicht nur radial außenliegend an die Ventilanordnung heranzuführen, sondern auch aus dem Inneren heraus.
Die Erfindung kann auch vorsehen, den Schlagkolben als hohle Hülse, insbesondere hohlzylindrische oder zumindest abschnittsweise hohlzylindrische Hülse auszubilden. So kann zum einen ebenso im Inneren des Schlagkolbens eine Führung von Komponenten, wie z.B. Spülflüssigkeit führenden Kanälen erfolgen. Ebenso können sodann die um den Schlagkolben angeordneten oberen und unteren Schlagkolbenräume ringförmig sein. Der Schlagkolben kann dabei auf einer zentrisch darin angeordneten Führung hin und her, bzw. auf- und abgleiten, wobei auch durch die Führung Kanäle für Spülflüssigkeit gelegt sein können, insbesondere solche Kanäle, welche die Spülflüssigkeit zur Bohrkrone führen, um die Flüssigkeit dort austreten zu lassen.
In einer bevorzugten Ausführung des Bohrkopfes kann die Erfindung vorsehen, dass das Bohrkopfgehäuse eine Druckspitzenkompensationsvorrichtung aufweist, mittels der Druckspitzen zumindest verringerbar sind, welche durch Volumenstromänderungen in der zugeführten Spülflüssigkeit entstehen, insbesondere in Abhängigkeit von Schaltzustandsänderungen.
Gemäß einer möglichen Ausführung kann der Bohrkopf wenigstens zwei in Strömungsrichtung hintereinander liegende Gehäuse-Elemente umfassen, die lösbar miteinander verbunden sind, wobei ein stromabwärts liegendes Element die Bohrkrone und den Schlagkolben umfasst und in einem stromaufwärts liegenden Element die Druckspitzenkompensationsvorrichtung angeordnet ist. Die Spülflüssigkeit wird bevorzugt durch das in Strömungsrichtung zuerst folgende also obere Gehäuseelement hindurch in das in Strömungsrichtung nachfolgende, also untere Gehäuseelement überführt wird. Dies hat den Vorteil, dass die Druckspitzenkompensationsvorrichtung auf verschiedene Arten ausgebildet sein kann und wahlweise eine von mehreren möglichen Druckspitzenkompensationsvorrichtungen mit einem weiteren die Krone aufweisenden Gehäuseelement verbunden werden kann. Ebenso kann eine gegebene Druckspitzenkompensationsvorrichtung auf diese Weise mit wahlweise verschiedenen Arten von Bohrkronen betrieben werden.
In einer Ausführung kann die Erfindung vorsehen, dass die Druckspitzenkompensationsvorrichtung einen Verdrängungsraum umfasst, in dem eine von der Spülflüssigkeit umgebene komprimierbare Gasblase angeordnet ist.
Eine solche Gasblase kann zum Beispiel durch ein von einer flexiblen Membran umschlossenes Gasvolumen ausgebildet sein. In einer möglichen und bevorzugten Ausführung kann die Membran der Gasblase innenseitig vom Gas beaufschlagt und außenseitig von der Spülflüssigkeit beaufschlagt sein, die sich im Verdrängungsraum befindet. Z.B. kann die Gasblase zentrisch im Verdrängungsraum angeordnet sein. Ein solcher Verdrängungsraum muss lediglich fluidtechnisch in Kommunikationsverbindung stehen mit der Einlassöffnung für die Spülflüssigkeit, bevorzugt permanent, also in jedem der möglichen Schaltzustände der Ventilanordnung. Sofern eine Druckspitze bei einer Schaltzustandsänderung entsteht kann diese zu einer Kompression der Gasblase führen und so abgebaut werden. Mit fortschreitende Kompression wird somit Bewegungsenergie des Schlagkolbens in der Gasblase gespeichert und der Schlagkolben verlangsamt sich, ist also in seiner Bewegung gedämpft.
Bevorzugt erfolgt eine weitere Steuerung der Ventilanordnung so, dass bei der nachfolgenden Expansion der Gasblase die von der Gasblase verdrängte Spülflüssigkeit in denjenigen oberen Schlagkolbenraum fließen kann, welcher dazu dient, den Schlagkolben in Richtung Bohrkrone zu beschleunigen. So kann aus der Druckspitze gespeicherte Energie direkt rückgewonnen werden.
In einer anderen Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass die Druckspitzenkompensationsvorrichtung eine Düsenanordnung mit wenigstens einer Düse, bevorzugt mehr als zwei hintereinander geschalteten Düsen umfasst, über welche die Einlassöffnung für Spülflüssigkeit mit einem Auslasskanal, verbunden ist, über welchen Spülflüssigkeit in die äußere Umgebung des Bohrkopfes permanent geleitet ist, insbesondere wobei der Auslasskanal an der Bohrkrone angeordnet ist, besonders bevorzugt, wobei dieser Auslasskanal an der Bohrkrone ein Auslasskanal mit dem geringeren Querschnitt von zwei Auslasskanälen ist. Durch diese Düsenanordnung wird zwar das maximal erzielbare Druckniveau wegen der permanenten Verbindung zur Umgebung der Bohrkopfes verringert, diese Verbindung bewirkt jedoch, dass eine auftretende Druckspitze hierüber abgebaut wird. So senkt zwar diese Ausführung die gesamte Energieeffizienz der Bohrvorrichtung, ist jedoch einfach zu realisieren und wartungsarm, insbesondere da diese Ausführung keinerlei bewegte Elemente aufweist.
Mit beiden Ausführungsmöglichkeiten wird somit erzielt, dass demnach das Umschalten zwischen der Abhebebewegung und einer Beschleunigung des Schlagkolbens in Richtung zur Bohrkrone nicht abrupt erfolgt, sondern eine gedämpfte Bewegung ist, bei welcher der Schlagkolben gebremst wird, einen Totpunkt einer Bewegung durchläuft und anschließend wieder beschleunigt wird in Richtung zur Bohrkrone.
Dies hilft Druckspitzen zu vermeiden und somit insgesamt die Lebensdauer einer erfindungsgemäßen Bohrkrone zu erhöhen.
Insbesondere durch die Druckspitzenkompensationsvorrichtung ist es nun möglich, mit vier Schaltzuständen auch gedämpfte Umkehrbewegungen zu realisieren, bei denen nicht die gesamte hydraulische Energie auf den Schlagkolben geleitet wird.
Bei diesen Umkehrbewegungen liegen parallel zur Druckversorgung entweder die Gasblase oder die Düsen der Druckspitzenkompensationsvorrichtung, die den Druckabbau ermöglichen und einen dauerhaft durchgängigen Weg der Hydraulikflüssigkeit aufzeigen.
Die 4 Zustände sind:

1. Schlagkolben kurz vor und nach Aufprall nach oben umkehren (beide Ventilstellglieder sind bevorzugt in der unteren Stellposition)
2. Schlagkolben anheben (inneres Ventilstellglied ist bevorzugt oben, äußeres Ventilstellglied bevorzugt unten)
3. Schlagkolbenbewegung abbremsen und umkehren (Beide Ventilstellglieder sind bevorzugt oben)
4. Schlagkolben nach unten beschleunigen (äußeres Ventilstellglied ist bevorzugt oben, inneres Ventilstellglied bevorzugt unten)

Diese Schaltungsfolge verhindert nun, dass die volle Druckversorgung durch die Spülflüssigkeit auf den sich in gegen die Spülflüssigkeit bewegenden Schlagkolben geschaltet wird. Die Relativposition der Ventile zueinander wird bevorzugt genutzt, um Auslasskanäle für diesen Vorgang am Bohrkopf zu öffnen. In axialer Bewegungsrichtung um den Schlagkolben herum sind bei der Erfindung in an sich bekannter Weise ein oberer und ein unterer Schlagkolbenraum angeordnet, wobei der obere Schlagkolbenraum beispielsweise direkt angrenzend an die obere axiale Stirnfläche, z.B. Ringstirnfläche des Schlagkolbens ausgebildet ist und wobei der untere Kolbenraum beispielsweise als Ringraum seitlich um den Kolben herum ausgebildet ist, um die untere axiale Stirnfläche zur Impulsübertragung zu nutzen. Hier ist jedoch auch eine grundsätzlich andere mechanische Ausbildung des unteren oder oberen Schlagkolbenraumes unter Nutzung der Erfindung möglich. Wesentlich ist hierbei nur, dass der Druck in den beiden Schlagkolbenräumen auf Schlagkolbenflächen wirkt, deren Normalenvektoren entgegengesetzt sind.
In den jeweiligen Schlagkolbenräumen müssen durch die Ventilanordnung unterschiedliche Druckniveaus geschaltet werden, beispielsweise ein hohes Druckniveau im oberen Schlagkolbenraum, um diesen auf die Bohrkrone zu beschleunigen zu können, wobei sodann gleichzeitig der untere Schlagkolbenraum auf ein geringes Druckniveau geschaltet wird, sodass durch die Druckdifferenz zwischen den Schlagkolbenräumen die Abwärtsbewegung des Schlagkolbens in Richtung zur Bohrkrone bewirkbar ist, bevorzugt bei gleichzeitiger Verdrängung von Spülflüssigkeit aus dem unteren Schlagkolbenraum, bevorzugt in Richtung zur Umgebung. Das geringere Druckniveau wird also bevorzugt dadurch erzeugt, dass der untere Schlagkolbenraum zur äußeren Umgebung des Bohrkopfes geschaltet wird.
Bei der Abhebebewegung des Schlagkolbens sind die Druckniveaus vertauscht, wobei sodann die Spülflüssigkeit die aus dem oberen Schlagkolbenraum auf ein geringeres Druckniveau geschaltet ist, vorzugsweise in Richtung zur äußeren Umgebung verschoben wird.
Die genannten hohen und niedrigen Druckniveaus unterscheiden sich in der wirksamen absoluten Druckgröße insoweit, als dass das hohe Druckniveau höher ist als das geringe Druckniveau und dementsprechend das geringe Druckniveau geringer ist als das hohe. Auf die exakt absoluten Größenwerte kommt es dabei für die Wirkung der Erfindung nicht an. Es kann hier auch mehrere geringe und hohe Druckniveaus geben. Wesentlich ist, dass zwischen einem hohen und einem geringen Druckniveau eine Druckdifferenz herrscht, die eine genügend große Kraft zur Bewegung des Schlagkolbens erzeugt.
Die Erfindung kann in weiterhin bevorzugter Ausgestaltung vorsehen, dass die Bohrkrone einen ersten und einen zweiten Auslasskanal aufweist durch welche Spülflüssigkeit aus dem Bohrkopf zur äußeren Umgebung ablassbar ist, zum Beispiel zum Bohrlochgrund hin, wobei der erste Auslasskanal einen größeren Querschnitt aufweist als der zweite Auslasskanal und der obere, insbesondere auch der untere Schlagkolbenraum über die Ventilanordnung wahlweise hydraulisch an den ersten oder an den zweiten Auslasskanal schaltbar sind zur Erzeugung eines niedrigen Druckniveaus im jeweiligen Schlagkolbenraum, wenn dieser Schlagkolbenraum an den ersten, insbesondere größeren Auslasskanal geschaltet ist und zur Erzeugung eines hohen Druckniveaus, wenn der Schlagkolbenraum an den zweiten Auslasskanal geschaltet ist. Da auch im Fall der Schaltung des Schlagkolbenraumes an den zweiten, insbesondere im Querschnitt kleineren Auslasskanal ein Druckabbau zur Umgebung hin stattfindet ist auch das so erzeugte hohe Druckniveau kleiner als das maximal mögliche Druckniveau, wenn die Spülflüssigkeit durch keinerlei Kanal nach außen abgeleitet wird oder in der einen Ausführung der Druckspitzenkompensation permanent durch die Düsen abgeleitet ist.
Gemäß der Erfindung werden somit im Wesentlichen zumindest drei Druckniveaus bereitgestellt die wahlweise an zumindest den oberen, ggfs. auch unteren Schlagkolbenraum des Schlagkolbens geschaltet werden können, nämlich

1) geringes Druckniveau, bei Schaltung der Spülflüssigkeit über den im Querschnitt größeren Auslasskanal zur Umgebung
2) Hohes Druckniveau, bei Schaltung der Spülflüssigkeit über den im Querschnitt kleineren Auslasskanal zur Umgebung,
3) Maximal mögliches Druckniveau, wenn die Spülflüssigkeit nicht oder nur über die Düsen der Druckspitzenkompensationsvorrichtung zur Umgebung geschaltet sind.

Gleiches kann für die Ventilkolbenräume der Ventilstellglieder gelten. Insbesondere ist bei Aufschaltung eines jeweiligen Kolbenraumes (von Schlagkolben oder Ventilstellglied) auf den Auslasskanal mit großen Querschnitt nicht nur das Druckniveau gering, sondern Spülflüssigkeit kann zur Umgebung hin und aus dem Kolbenraum heraus verdrängt werden. Die beiden genannten Auslasskanäle, die bevorzugt in der Bohrkrone angeordnet sind, sind weiter bevorzugt mit Kanälen verbunden, welche durch den inneren hohlen Bereich des hülsenförmigen Schlagkolbens und/oder der hülsenförmigen hohlen Ventilstellglieder führen.
Demnach wird je nachdem, ob die Spülflüssigkeit auf den Auslasskanal mit dem größeren oder kleineren Querschnitt geschaltet wird ein mehr oder weniger großer Druckabfall erzeugt, wobei die Druckdifferenz zwischen den beiden möglichen Druckabfällen die jeweils auf den Schlagkolben wirkende antreibende Kraft erzeugt, die je nach wirkender Richtung zwischen dem oberen und unteren Schlagkolbenraum ein Beschleunigen des Schlagkolbens auf die Bohrkrone oder das Abheben des Schlagkolbens von der Bohrkrone bewirkt. In gleicher Weise können die Ventilstellglieder bewegt werden.
Die Erfindung kann hier vorsehen, dass in den gleichzeitigen oberen Positionen der Ventilstellglieder, insbesondere der genau zwei Ventilstellglieder und in den gleichzeitigen unteren Positionen der Ventilstellglieder, insbesondere der genau zwei Ventilstellglieder die Einlassöffnung der Spülflüssigkeit hydraulisch zumindest an den zweiten Auslasskanal angeschlossen ist.
Es können dennoch durch die Ventilanordnung 4 Schaltzustände erzeugt sein, z.B. auch einer, der am Schlagkolben keine Richtungsumkehr oder Beschleunigung bewirkt, durch den aber ein Ventilstellglied umgesteuert wird.
Die Erfindung kann in weiterer Ausführung vorsehen, dass das Volumen einer ggfs. zur Druckspitzenkompensation vorgesehenen Gasblase durch gesteuertes Ablassen von Fluid aus der Gasblase oder Zufügung von Fluid in die Gasblase gegen eine tiefenabhängige Kompression/Expansion kompensiert ist.
Diese Ausführung bietet die Möglichkeit das Gasvolumen innerhalb der Gasblase gegen äußere Druckeinflüsse zu kompensieren, die sich durch unterschiedliche Tiefen des Bohrkopfes ergeben, in denen sich dieser während eines Bohrvorganges befindet.
So bewirkt der Druckanstieg bei zunehmender Tiefe beispielsweise, dass das Volumen der Gasblase bereits durch den hydrostatischen Tiefendruck reduziert wird, sodass tiefenabhängig hierdurch demnach auch die Dämpfung der Schlagkolbenbewegung geändert wird, sofern die Gasblase gegen diesen Einfluss nicht erfindungsgemäß kompensiert wäre.
Beispielsweise kann es hier vorgesehen sein, dass das Bohrkopfgehäuse oder ein darüber liegender Strangteil des Bohrgestänges ein Gasreservoir aufweist, aus welchem mit zunehmender Tiefe der Bohrkrone Gas in die Gasblase einleitbar ist. Wird demnach das Volumen mit zunehmender Tiefe aufgrund des wirkenden hydrostatischen Druckes komprimiert, so kann durch Einleiten von Gas in die Gasblase das Volumen wiederum vergrößert werden. Insbesondere kann die Erfindung vorsehen, dass trotz zunehmender Tiefe der Gasdruck gleichbleibt.
Die Erfindung kann in einer Weiterbildung dieser Ausführung vorsehen, dass in der Gasblase eine Flüssigkeitsblase angeordnet ist, aus welcher mit zunehmender Tiefe der Bohrkrone Flüssigkeit ablassbar ist. Insbesondere kann das Ablassen zur Umgebung des Bohrkopfes hin erfolgen. Die Flüssigkeit in der Flüssigkeitsblase ist inkompressibel, sodass sich deren Volumen durch zunehmenden Druck bei fortschreitender Bohrtiefe nicht ändert, jedoch das Volumen der Gasblase sich verringert. Durch ein Ablassen von Flüssigkeit aus der Flüssigkeitsblase nimmt deren Volumen ab und somit das insgesamt für das Gas innerhalb der Gasblase zur Verfügung stehende Volumen zu, sodass auch hierdurch eine Einflussnahme auf die Dämpfungseigenschaften der Gasblase möglich sind. Insbesondere kann es auch hier vorgesehen sein, dass Volumen der Gasblase mit zunehmender Tiefe zu erhöhen.
Es kann hier ebenso vorgesehen sein, dass die genannte Flüssigkeitsblase auch zur Auffüllung mit Spülflüssigkeit an einen Spülflüssigkeit führenden Kanal zumindest zeitweise anschaltbar ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert.
Jede der 1 bis 15 zeigt dabei dieselbe Ausführung der Erfindung und der darin eingesetzten Ventilanordnung in verschiedenen Bewegungspositionen des Schlagkolbens und verschiedenen Schaltstufen.
Der in allen Figuren dargestellte Bohrkopf umfasst eine Ventilanordnung mit zwei Ventilstellgliedern 12 und 18, die hohlzylindrisch ausgebildet sind und koaxial ineinander angeordnet sind, sodass die innere Zylindermantelfläche des Ventilstellgliedes 12 auf der äußeren Mantelfläche des Ventilstellgliedes 18 gleitet. 1 zeigt den erfindungsgemäßen Bohrkopf kurz nach dem Aufprall des Schlagkolbens 6 auf der Bohrkrone 8. Das äußere Ventilstellglied 12 und das innere Ventilstellglied 18 befinden sich in der unteren Position. Der erfindungsgemäße erste Schaltzustand ist eingenommen.
Durch die Position, die die Ventilstellglieder 12 und 18 zueinander einnehmen, ist der Druckverteileinstich 37 über die Verbindung 39 im Inneren des Ventilstellglieds 18 über den Kanal 3 zu den Flüssigkeitsdüsen 4 an der Bohrkrone 8 verbunden. Diese Düsen 4 bilden einen von zwei Auslasskanälen, nämlich hier den mit dem geringeren Querschnitt.
Die untere Endlage des äußeren Ventilstellgliedes 12 verbindet über den Druckverteileinstich 37 die Druckversorgung durch die Einlassöffnung 1 über den Kanal 9 zum unteren Schlagkolbenraum 20.
Der obere Schlagkolbenraum 19 ist über den Kanal 2 über den Entlastungsverteileinstich 38 des äußeren Ventilstellglieds 12 über den Kanal 10 zu der großen Auslassöffnung 5 an der Bohrkrone 8 verbunden. Diese große Auslassöffnung ist die Mündungsöffnung zur äußeren Umgebung des im Querschnitt größeren Auslasskanals.
Somit herrscht im unteren Schlagkolbenraum 20 ein höherer Druck als im oberen Schlagkolbenraum 19, was zu einer Aufwärtsbewegung des Schlagkolbens 6 führt. Das äußere Ventilstellglied 12 wird durch den Hilfs-Haltekanal 32, welcher über den Kanal 9 mit dem unteren Schlagkolbenraum verbunden ist, unten gehalten. Der höhere Druck ist kleiner als der im Gesamtsystem maximal mögliche Druck.
Der Schlagkolben wird durch seine Aufwärtsbewegung eine Verbindung zwischen dem Kanal 11 und dem unteren Schlagkolbenraum 20 öffnen, was in 2 dargestellt ist. Kanal 11 ist mit dem unteren Ventilkolbenraum 24 des inneren Ventilstellgliedes 18 verbunden, der nun unter Druck steht. Der obere Ventilkolbenraum 26 des inneren Ventilstellgliedes 18 ist durch den Kanal 63 mit dem oberen Schlagkolbenraum 19 des Schlagkolbens 6 verbunden, in dem ein niedrigerer Druck herrscht. Dies führt zu einer Aufwärtsbewegung des inneren Ventilstellgliedes 18. Das äußere Ventilstellglied 12 kann hier nicht durch Reibung oder ähnliches nach oben mitgerissen werden, da der obere Ventilkolbenraum des äußeren Ventilstellgliedes 12 nur mit Kanal 14 verbunden ist, welcher in diesem Zustand vom Schlagkolben 6 verschlossen ist.
3 zeigt das Ende der Aufwärtsbewegung des inneren Ventilstellgliedes 18. Der zweite Schaltzustand ist nun erreicht.
Die Verbindung des Druckverteileinstichs 37 zu den Flüssigkeitsdüsen 4 über Kanal 3 ist nun geschlossen. Der volle Versorgungsdruck, d.h. maximal möglicher Druck wird nun auf den unteren Schlagkolbenraum 20 geleitet, um den Schlagkolben mit mehr Kraft anzuheben. Der obere Entlastungsdurchgang 34 im inneren Ventilstellglied 18 ist nun durch das Erreichen der oberen Endlage über den Kanal 10 mit der großen Auslassöffnung 5 an der Bohrkrone 8 verbunden.
Bei fortschreitender Aufwärtsbewegung des Schlagkolbens wie in 4 dargestellt, wird der Kanal 13 zum unteren Schlagkolbenraum 20 freigegeben, sodass der untere Ventilkolbenraum 25 des äußeren Ventilstellglieds 12 unter demselben Druck steht, wie der untere Schlagkolbenraum 20. Durch die Verbindung zur großen Auslassöffnung 5 des oberen Ventilkolbenraumes 23 des äußeren Ventilstellgliedes 12 kann das äußere Ventilstellglied nun nach oben bewegt werden, wie in 5 dargestellt.
Die wirksamen Kreisringflächen am äußeren Ventilstellglied 12, auf die die Hilfs-Haltekanäle 32 und 33 wirken, sind kleiner als die Stirnflächen des Ventilstellgliedes 12, weshalb das Ventilstellglied entgegen der Haltekraft, die von Hilfs-Haltekanal 32 aufgebracht wird, nach oben bewegt werden kann.
Durch die Aufwärtsbewegung des äußeren Ventilstellgliedes 18 wird nun der Entlastungsverteileinstich 38 und der Druckverteileinstich 37 bewegt. Dies schaltet den unteren Schlagkolbenraum 20 zur großen Auslassöffnung 5 an der Bohrkrone 8 durch und die Druckversorgung über die Einlassöffnung 1 auf den oberen Schlagkolbenraum 19. Dadurch wird Kanal 13 während der Bewegung drucklos, sodass die Kraft für die Bewegung des Ventils fehlt.
Eine Verbindung des oberen Schlagkolbenraumes 19 über den Hilfs-Haltekanal 33 zu einer weiteren Kreisringfläche am äußeren Ventilstellglied 18 übernimmt nun den Antrieb des äußeren Ventilstellgliedes sobald der obere Schlagkolbenraum unter Druck steht, um die Bewegung fortzusetzen.
Der Übergang des Schaltens während der Aufwärtsbewegung ist in 6 dargestellt. Hier wird deutlich, dass nun die Spülflüssigkeit, welches durch die Schlagkolbenbewegung aufgrund der Trägheit weiterhin in ursprünglicher Richtung bewegt wird, sich entgegen der nun wirksamen Drücke bewegt. Um eine dadurch resultierende Druckspitze zu vermeiden, wird durch die Ventilbewegung auch wieder der Druckverteileinstich 37 durch die Düsenschaltverbindung 39 auf die Flüssigkeitsdüsen 4 verbunden.
In 7 befindet sich das äußere Ventilstellglied 12 fast am Ende der Bewegung, dem Druck von der Druckversorgung wirkt nun der Fluss aus dem oberen Schlagkolbenraum 19 entgegen, dieser Überdruck kann nun durch die Flüssigkeitsdüsen 4 abgebaut werden.
Die Ventilbewegung wird in diesem Moment durch die Hilfseinrichtung mit dem Hilfs-Haltekanal 33 fortgesetzt. In 8 hat das äußere Ventilstellglied 12 die Endlage erreicht, es wird durch den Hilfs-Haltekanal 33, welcher durch die Verbindung über den Druckverteileinstich 37 von Kanal 2 zur Einlassöffnung 1 unter Druck steht, in oberer Lage gehalten. Der dritte Schaltzustand ist hiermit erreicht.
Durch den im oberen Schlagkolbenraum 19 höheren Druck als im unteren Schlagkolbenraum 20, aber nicht maximal möglichen Druck, wird der Schlagkolben 6 nun kontrolliert abgebremst, bis er den oberen Totpunkt wie in 9 dargestellt erreicht.
Um hier einen Druckstoß zu reduzieren sieht die Erfindung die zuvor beschriebene Druckspitzenkompensationsvorrichtung gemäß erster oder zweiter Ausführung vor. Diese wird in nachfolgenden Figuren gezeigt.
Der Schlagkolben 6 wird von dem anstehenden Druck nun nach unten zur Bohrkrone 8 hin beschleunigt, dies ist in 10 dargestellt.
Während der Abwärtsbewegung des Schlagkolbens 6 gemäß 11 wird der Kanal 63 freigegeben, welcher mit dem oberen Ventilkolbenraum 26 des inneren Ventilstellgliedes 18 verbunden ist und eine Verbindung zum oberen Schlagkolbenraum 19 herstellt. Da der untere Ventilkolbenraum 24 des inneren Ventilstellgliedes 18 mit dem unteren Schlagkolbenraum 20 verbunden ist, welcher einen geringeren Druck aufweist, wird das innere Ventilstellglied 18 nun nach unten bewegt.
In 12 hat das innere Ventilstellglied 18 nun seine untere Endlage erreicht, wodurch die Verbindung zu den Flüssigkeitsdüsen 4 über die Düsenschaltverbindung 39 unterbrochen wurde. Der vierte Schaltzustand ist erreicht.
Der volle maximale Druck steht nun zur Verfügung, um den Schlagkolben 6 weiter zur Bohrkrone 8 zu beschleunigen. Der untere Entlastungsdurchgang 35 verbindet in der Endlage den unteren Ventilkolbenraum 25 des äußeren Ventilstellgliedes 12 mit der großen Auslassöffnung zur Umgebung.
Kurz vor Aufprall des Schlagkolbens 6 auf der Bohrkrone 8 gibt der Schlagkolben den Kanal 14 frei, welcher den oberen Ventilkolbenraum 23 des äußeren Ventilstellgliedes 12 mit dem Druck im oberen Schlagkolbenraum 19 verbindet. Dies ist in 13 dargestellt.
Das Ventil wird vom Hilfs-Haltekanal 33 bisher oben gehalten, da die wirksamen Flächen des oberen und unteren Ventilkolbenraumes jedoch größer sind, wird das äußere Ventilstellglied 12 nun nach unten bewegt. Dies führt wieder zum Umschalten der Druck- und Entlastungsseite zum oberen und unteren Schlagkolbenraum. Während der Abwärtsbewegung wird der Druck im oberen Schlagkolbenraum 19 durch den Schaltvorgang abfallen und im unteren Schlagkolbenraum 20 aufgebaut, sodass auch hier wieder der obere Hilfs-Haltekanal 32 die Bewegung fortsetzt und das Ventil anschließend in der unteren Position hält.
In 14 ist außerdem eine ungünstige Bremsbewegung des Schlagkolbens durch die Hydraulik dargestellt, die möglichst kurz gehalten werden muss, um möglichst viel der Bewegungsenergie für den Aufprall zu nutzen. Auch hier wird wieder ein hydraulischer Druckstoß vermieden, indem über die Düsenschaltverbindung 39 die Druckversorgung auf die Flüssigkeitsdüsen 4 in der Bohrkrone geleitet wird. Nach dem Aufprall wird der Schlagkolben wie in 1 beschrieben angehoben, der Prozess beginnt erneut.
Die Figuren verdeutlichen, dass jede der möglichen Schaltstufen, die durch die verschiedenen axialen Stellpositionen der beiden Ventilstellglieder erzeugt wird, dadurch eingenommen wird, dass während der Bewegung des Schlagkolbens Steuerkanäle freigegeben oder geschlossen werden, so dass durch die Bewegung des Schlagkolbens eine nacheinander folgende Druckbeaufschlagung der oberen und unteren Ventilkolbenräume der inneren und äußeren Ventilstellglieder erfolgt, so dass automatisiert durch die Bewegung des Schlagkolbens das Umsteuern der Ventilanordnung in ihren vier Schaltzuständen erfolgt. Dabei sieht die Erfindung bevorzugt vor, dass durch die Druckbeaufschlagung der Ventilkolbenräume der Ventilstellglieder zu einer Zeit immer nur eines der beiden Ventilstellglieder verschoben wird, jedoch nie beide gleichzeitig.
In 15 ist das Abschalten der Schlagvorrichtung dargestellt. Wird die Bohrkrone aus dem Gehäuse wie dargestellt herausgezogen, kann der Schlagkolben weiter in Richtung Bohrkrone bewegt werden und es werden über Kanal 40 die kleine Auslassöffnung mit den Düsen 4, mit der großen Auslassöffnung 5, sowie mit dem oberen Schlagkolbenraum 19 verbunden. Das Erzeugen eines Druckniveaus wie in 1 dargestellt zum Anheben des Schlagkolbens ist nun nicht mehr möglich. Insbesondere wird dieser Zustand dazu verwendet, das Bohrloch ohne Verwendung des Bohrhammers zu spülen.
Die 16 zeigt eine erste Möglichkeit eine Druckspitzenkompensation im erfindungsgemäßen Bohrkopf zu erzielen. Hier ist erkennbar, dass die Einlassöffnung 1 über die Düsenanordnung 64 mit hier vier in Serie geschalteten Düsen permanent über den Kanal 65 zu den Düsen 4 und somit dem in Querschnitt geringeren Auslasskanal verbunden ist. Spülflüssigkeit wird somit permanent in jeder Schaltstufe zur Umgebung abgeleitet, insbesondere jedoch mittels eines hohen Strömungswiderstandes, um den maximal möglichen Druck nicht zu sehr zu verringern. Durch diese permanente Verbind können auftretende Druckspitzen zur Umgebung hin reduziert werden. Hier ist gezeigt, dass die Düsen 64 am oberen Ende des Bohrkopfes in diese integriert sind.
Demgegenüber zeigt 17 eine andere Ausbildung der Druckspitzenkompensationsvorrichtung. Hier ist der erfindungsgemäße Bohrkopf mit einem zwei-elementigen Gehäuse ausgestattet. Im unteren stromabwärts liegenden Gehäuse ist die Bohrkrone und der Schlagkolben, sowie die Ventilanordnung integriert.
Im oberen stromaufwärts liegenden Gehäuseelement ist eine Gasblase 17 angeordnet. Diese ist durch eine Gummimembran 60 umschlossen und hier von einem Gitter 54 umschlossen. Die Gasblase 17 ist direkt in den Verbindungsweg integriert, über welchen Spülflüssigkeit vom Einlass 41 des oberen Elementes zum Einlass 56 des unteren Elementes geführt ist. Somit wirkt die Gasblase permanent und kann Druckspitzen abfangen, wie es vorangehend beschrieben wurde.
Zur Tiefenkompensation ist im Inneren der Gasblase eine Flüssigkeitsblase 55 angeordnet, aus der bei einer Druckerhöhung aufgrund Kompression der Gasblase bei zunehmender Tiefe Flüssigkeit automatisiert abgelassen wird.
Die weiteren Details werden anhand der 18 erläutert, welche lediglich das obere Element der 17 zeigt.
Die im unteren Teil des stromaufwärts liegenden oberen Gehäuseelementes angeordnete Gasblase 17, die mit einer Gummimembran 60 von der Spülflüssigkeit im Raum getrennt ist, kann bei einer Druckerhöhung um ein Kompressionsvolumen komprimiert werden. Die Gasblase 17 kann sich in der Gummimembran 60 maximal bis zum Gitter 54 ausdehnen und so auf einen Gasvordruck vorkomprimiert werden, insbesondere welcher über dem Druck der Spülflüssigkeit im umgebenden Raum 61 liegt.
Innerhalb der Gasblase 17 befindet sich eine Flüssigkeitsblase 55. Diese Flüssigkeitsblase umfasst eine Gummimembran, die mit einer Flüssigkeit gefüllt werden kann.
Die Druckspitzenkompensationsvorrichtung im oberen Element ist mit einem Gastank oder Gasreservoir 30 ausgestattet, in das ein Gas mit hohem Druck vor Verwendung durch einen Einfüllstutzen 53 eingefüllt werden kann. Der Druck kann beispielsweise bei großen Tiefen etwa 600 bar betragen. Das Gasreservoir muss auf einen solchen Druck gefüllt werden, sodass auch in großen Tiefen (bei denen vorteilhafterweise auch die Temperatur steigt und so auch der Druck im erwärmten Gasreservoir steigt) der Gasdruck höher, bevorzugt wesentlich höher ist als der Umgebungsdruck.
Es wird nun im Folgenden die Funktion erklärt, die sich bei steigendem Umgebungsdruck bei steigender Tiefe ergibt.
Es ist Voraussetzung, dass ein Nachsetzen von Bohrstangen erfolgt, bei dem der Arbeitsdruck im gesamten Bohrkopf kurzzeitig gleich dem Umgebungsdruck außerhalb des Bohrkopfes ist.
Die Mindestgasvordruckregeleinrichtung 29 ist über den Kanal 57 mit der Öffnung 52 an der Umgebung angeschlossen. Der Mindestgasvordruckregler umfasst zwei Vordruckregler 42 und 43, die den hohen Druck bei geringen Tiefen zum eigentlichen Mindestgasvordruckregler 44 reduzieren. Die Regelorgane umfassen Kolben, die auf der einen Seite mit Kanal 57 mit dem Umgebungsdruck p0 verbunden sind und eine Feder auf derselben Seite haben, die auch auf diese Fläche drückt.
Die andere Seite des Kolbens ist mit dem Ausgang des Regelorgans verbunden. Ein solcher Druckminderer reduziert den Druck auf einen bestimmten Druck über dem Umgebungsdruck p0. Durch den Stößel, der das Ventil über dem Kolben anhebt, bleibt allerdings eine Regeldifferenz, die sich durch die Verwendung mehrerer Druckstufen vernachlässigbar klein halten lässt. Beispielsweise würde der erste Vordruckregler 42 den Druck auf p0+250 bar regeln, der Vordruckregler 43 den Druck auf p0+10 bar.
Steigt nun durch den hydrostatischen Druck in der Tiefe der Umgebungsdruck p0 auf über 250 bar, so wird Vordruckregler 42 nicht mehr schließen und inaktiv. Dies ist gewünscht. Vordruckregler 43 regelt dann weiterhin auf p0+10 bar. Der Mindestgasvordruckregler 44 ist nun über Kanal 58 mit der Gasblase 17 verbunden. Durch die Feder im Mindestgasvordruckregler 44 und die Kolbenfläche lässt sich so ein Vordruck des Gaspolsters 17 einstellen, mit dem das Gaspolster 17 gegen das Gitter 54 gedrückt wird.
Bei sinkendem Umgebungsdruck muss der Gasvordruck reduziert werden. Im Betrieb wird nun das Gaspolster zusammengedrückt, weshalb im Betrieb der Druck regelmäßig über dem Höchstgasvordruck liegt. Der Höchstgasvordruckregler 27 umfasst einen Druckregelventil 49, dessen Rückseite mit Kanal 57 zur Umgebung an p0 verbunden ist. Der Höchstgasvordruck kann über die Ventilfläche und die Federkonstante eingestellt werden.
Bei zu hohem Gasdruck kann so das Gas in den Ringraum außerhalb des Werkzeuges abgelassen werden. Der Haltekolben 48 ist auf der oberen Seite über Kanal 62 mit der Druckversorgung des Werkzeugs verbunden. Die Unterseite des Haltekolbens ist ebenfalls über Kanal 57 mit der Umgebung verbunden. Bei Betrieb, bei dem auch die Kompression des Gaspolsters erfolgt und keine Höchstgasvordruckregelung erfolgen soll, drückt der Haltekolben 48 durch den Arbeitsdruck im Werkzeug das Druckregelventil 49 nun zusätzlich nach unten, wodurch das Regelventil 49 geschlossen bleibt. Eine Höchstgasvordruckregelung greift so nur ein, wenn das Werkzeug nicht in Betrieb ist.
Wurde über die Mindestgasvordruckregeleinrichtung 29 Gas zugeführt, um die steigende Tiefe zu kompensieren, muss dennoch das Volumen der Gasblase 17 vergrößert werden, um die gewünschte Zuordnung von Kompressionsvolumen und Druckerhöhung konstant zu halten. Ist das Volumen der Gasblase 17 zu klein, steigt der Gasdruck bei der Kompression um dasselbe Volumen. Die messbaren Druckspitzen werden so größer. Es wird nun bei solchen zu hohen Druckspitzen, die auf ein zu kleines Gasvolumen hinweisen, die Flüssigkeit in der Flüssigkeitsblase 55 durch den Flüssigkeitsmaximaldruckregler 51 bei Auftreten einer zu hohen Druckerhöhung über den Kanal 57 in den Ringraum durch Öffnung 52 abgelassen. Somit steht der Gasblase 17 mehr Volumen zur Verfügung. Der fehlende Druck des Gases wird nach der nächsten erfolgten Kompression automatisch von der Mindestgasvordruckregeleinrichtung 29 ausgeglichen. Der Flüssigkeitsmaximaldruckregler 51 ist ein Druckregelventil, dessen Druck zum Öffnen durch Federkonstante und Ventilfläche festgelegt werden kann.
Es ist ebenfalls ein Sicherheitsventil 50 vorhanden, welches den Gasdruck in der Gasblase 17 generell zum Umgebungsdruck p0 begrenzen soll. Der Flüssigkeitsmaximaldruckregler 51 ist auf einen niedrigeren Druck eingestellt, sodass erst die Flüssigkeit aus der Flüssigkeitsblase gedrückt wird, bevor Sicherheitsventil 50 öffnet.
Durch Haftreibung oder Undichtigkeiten kann nie garantiert werden, dass die exakte richtige Menge an Flüssigkeit abgelassen wurde und bei sinkendem Umgebungsdruck p0 muss auch Flüssigkeit in die Flüssigkeitsblase 55 nachgeführt werden, um das Gasvolumen wieder zu verkleinern.
Hierzu pumpt Pumpe 28 ein Flüssigkeitsvolumen aus dem Arbeitsmedium in die Flüssigkeitsblase. Die Pumpe umfasst zwei Rückschlagventile 46 und 47 und einen federrückgestellten Pumpenkolben 45. Die Oberseite ist mit der Druckversorgung verbunden, die Unterseite mit dem Umgebungsdruck. Beim Einschalten des Werkzeuges, also steigendem Arbeitsdruck, wird der Kolben nach unten gedrückt und schiebt ein Volumen am unteren Ende des Stößels durch das Rückschlagventil 46 in die Flüssigkeitsblase. Beim Abschalten des Werkzeuges wird der Kolben 45 über eine Feder zurückgestellt, das Ventil 47 füllt das Volumen unterhalb des Stößels wieder mit Flüssigkeit aus dem Arbeitsmedium. Bei steigender Tiefe wird dieses Volumen wieder durch Flüssigkeitsmaximaldruckregler 51 in die Umgebung abgelassen.

Claims

Bohrkopf zur Einbringung von Bohrungen in Erdreich umfassend ein Bohrkopfgehäuse, eine an deren unterem Ende angeordnete Bohrkrone (8) und einen an deren oberem Ende angeordneten Verbindungsbereich zur Verbindung mit einem Bohrgestänge, wobei der Verbindungsbereich eine Einlassöffnung (1) für unter Druck stehende Spülflüssigkeit und die Bohrkrone (8) wenigstens eine Auslassöffnung (4, 5) für unter Druck stehende Spülflüssigkeit aufweist und im Bohrkopfgehäuse ein Schlagkolben (6) angeordnet ist, der in wechselbaren hydraulischen Schaltzuständen aus entgegengesetzten Richtungen mit durch Spülflüssigkeit in sich gegenüberliegenden Schlagkolbenräumen (19, 20) erzeugbaren Druck gegen die Bohrkrone (8) beschleunigbar und von dieser wieder abhebbar ist, wobei in dem Bohrkopfgehäuse eine Ventilanordnung (12, 18) vorgesehen ist, mit der die wechselnden hydraulischen Schaltzustände erzeugbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilanordnung (12, 18) wenigstens zwei Ventilstellglieder (12, 18) aufweist und jedes Ventilstellglied (12, 18) relativ zu einem anderen entlang einer, insbesondere auf einer für alle Ventilstellglieder (12, 18) gemeinsamen Achse verschieblich ist und jedes Ventilstellglied (12, 18) durch axiale, insbesondere axial stirnseitige Druckbeaufschlagung mit Spülflüssigkeit zwischen zwei axialen Stellpositionen umsteuerbar ist und die Wandungen der Ventilstellglieder (12, 18) jeweils, bevorzugt in zumindest radialer Richtung, von mit Spülflüssigkeit beaufschlagbaren Ventil-Steuerkanälen (34,....,39) durchdrungen sind, wobei durch axiale Umsteuerung der Ventilstellglieder (12, 18) wenigstens drei, bevorzugt vier verschiedene radiale Gegenüberlagen von Ventil-Steuerkanälen (34,....,39) erzeugbar sind und mit jeder Gegenüberlage ein bestimmter, insbesondere ein jeweils anderer hydraulischer Schaltzustand erzeugbar ist.
Bohrkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei, insbesondere genau zwei Ventilstellglieder (12, 18) aneinander kontaktierend entlanggleitend und nebeneinander oder ineinander ausgebildet sind, insbesondere bei einer Ineinander-Anordnung durch wenigstens ein äußeres (12) und wenigstens ein inneres Ventilstellglied (18) ausgebildet sind, insbesondere durch ein jeweils hohlzylindrisches Ventilstellglied (12, 18) wobei die Ventilstellglieder (12, 18) koaxial ineinander angeordnet sind.
Bohrkopf nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bohrkopfgehäuse eine Druckspitzenkompensationsvorrichtung (17/61, 64) aufweist, mittels der Druckspitzen zumindest verringerbar sind, welche durch Volumenstromänderungen in der zugeführten Spülflüssigkeit entstehen, insbesondere in Abhängigkeit von Schaltzustandsänderungen der Ventilanordnung (12, 18).
Bohrkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass er wenigstens zwei in Strömungsrichtung hintereinander liegende Elemente umfasst, die lösbar miteinander verbunden sind, wobei ein stromabwärts liegendes Element die Bohrkrone (8) und den Schlagkolben (6) umfasst und in einem stromaufwärts liegenden Element die Druckspitzenkompensationsvorrichtung (17/61, 64) angeordnet ist.
Bohrkopf nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckspitzenkompensationsvorrichtung (17/61) einen Verdrängungsraum (61) umfasst, in dem eine von der Spülflüssigkeit umgebene komprimierbare Gasblase (17) angeordnet ist.
Bohrkopf nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckspitzenkompensationsvorrichtung (64) eine Düsenanordnung mit wenigstens einer Düse (64) umfasst, über welche die Einlassöffnung (1) für Spülflüssigkeit mit einem Auslasskanal (4) verbunden ist, über welchen Spülflüssigkeit in die äußere Umgebung des Bohrkopfes permanent geleitet ist, insbesondere wobei der Auslasskanal (4) an der Bohrkrone (8) angeordnet ist, besonders bevorzugt, wobei dieser Auslasskanal (4) an der Bohrkrone ein Auslasskanal (4) mit dem geringeren Querschnitt von zwei Auslasskanälen (4, 5) ist.
Bohrkopf nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrkrone (8) einen ersten und einen zweiten Auslasskanal (4, 5) aufweist, durch welche Spülflüssigkeit aus dem Bohrkopf zur äußeren Umgebung auslassbar ist, wobei der erste Auslasskanal (5) einen größeren Querschnitt aufweist, als der zweite Auslasskanal (4) und der obere und untere Schlagkolbenraum (19 20) über die Ventilanordnung (12, 18) wahlweise hydraulisch an den ersten oder zweiten Auslasskanal (4, 5) schaltbar sind zur Erzeugung eines niedrigen Druckniveaus im jeweiligen Schlagkolbenraum (19, 20), wenn der Kolbenraum (19, 20) an den ersten Auslasskanal (5) geschaltet ist und zur Erzeugung eines hohen Druckniveaus, wenn der Schlagkolbenraum (19, 20) an den zweiten Auslasskanal (4) geschaltet ist.
Bohrkopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der gleichzeitigen oberen Position beider Ventilstellglieder (12, 18) und in der gleichzeitigen unteren Position beider Ventilstellglieder (12, 18) die Einlassöffnung (1) der Spülflüssigkeit hydraulisch zumindest an den zweiten Auslasskanal (4) angeschlossen ist und/oder in der oberen Position des inneren Ventilstellgliedes (18) und unteren Position des äußeren Ventilstellgliedes (12) die Spülflüssigkeit auf den unteren Schlagkolbenraum (20) geschaltet ist und/oder in der unteren Position des inneren Ventilstellgliedes (18) und oberen Position des äußeren Ventilstellgliedes (12) die Spülflüssigkeit auf den oberen Schlagkolbenraum (19) geschaltet ist.
Bohrkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der Gasblase (17) durch gesteuertes Ablassen von Fluid oder gesteuertes Zufügen von Fluid gegen eine tiefenabhängige Kompression / Expansion kompensiert ist.
Bohrkopf nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bohrkopfgehäuse ein Gasreservoir (30) aufweist, aus welchem mit zunehmender Tiefe der Bohrkrone Gas in die Gasblase (17) einleitbar ist.
Bohrkopf nach einem der vorherigen Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Gasblase (17) eine Flüssigkeitsblase (55) angeordnet ist, aus welcher mit zunehmender Tiefe der Bohrkrone Flüssigkeit ablassbar ist, insbesondere zur äußeren Umgebung des Bohrkopfes abgebbar ist.
Bohrkopf nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsblase (55) zur Auffüllung mit Spülflüssigkeit an einen Spülflüssigkeit führenden Kanal anschaltbar ist.