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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Spülbohren
von Brunnenbohrungen in Böden
insbesondere mit einem erheblichen Anteil schluffigen Materials,
bei dem ein Bohrloch mittels eines an einem Bohrstrang hängenden
Bohrkopfs unter Bildung einer Bohrlochwand bis in eine vorgesehene
Tiefe gebohrt wird und dabei das beim Bohren entstehende Bohrklein
mittels einer Spülflüssigkeit
aus dem Bohrloch herausgespült
wird. Die Erfindung betrifft des weiteren eine Vorrichtung zum Spülbohren
von Brunnenbohrungen unter Bildung eines Bohrlochs mit Bohrlochwand
in Böden
insbesondere mit einem erheblichen Anteil schluffigen Materials,
mit einem an einem Bohrstrang hängenden
Bohrkopf, der mittels eines Antriebs in Drehbewegung versetzbar
ist und untenseitig wenigstens ein Räumwerkzeug aufweist, sowie
mit einer Spüleinrichtung.
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Zum Herstellen von Brunnenbohrungen
ist es seit langem bekannt, das Spülbohrverfahren anzuwenden.
Dabei wird ein an einem Bohrgestänge hängender
Bohrkopf in Drehbewegung versetzt und bis zu der vorgesehenen Tiefe
niederge bracht. Das dabei entstehende Bohrklein wird aus dem Bereich der
Bohrlochsohle herausgespült
und gelangt auf diese Weise an die Oberfläche. Hierzu ist eine Spüleinrichtung
vorgesehen, die eine Spülpumpe
oder eine Lufthebeeinrichtung und eine das Bohrgestänge durchdringende
Spülleitung
aufweist, welche von der Spülpumpe über das
Bohrgestänge
bis zum Bohrmeißel
reicht. Für
das Bohren wird das Bohrloch mit Wasser gefüllt. Das Ausspülen des
Bohrkleins kann dann auf zweierlei Weise geschehen, nämlich zum einen
durch Zuführung
von Spülflüssigkeit über die Spülleitung
und Austritt im Bereich des Bohrkopfs, so daß das Bohrklein außenseitig
am Bohrkopf vorbei nach oben geschwemmt wird, oder durch Absaugen der
im Bohrloch befindlichen Flüssigkeit
aus dem Bereich der Bohrlochsohle durch die Spülleitung nach oben.
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Die Herstellung von Brunnenbohrungen
in Böden,
die Lagen aus schluffigem Material haben, wie beispielsweise im
Bereich des Braunkohletagebaus, ist mit erheblichen Schwierigkeiten
verbunden. Das feine Material – hierbei
kann es sich auch um Braunkohle handeln – läßt sich nicht vollständig entfernen.
Es infiltriert in die sauberen porösen Sandschichten ein und verstopft
die dort vorhandenen Poren. Es bildet sich ein Filterkuchen, der
die Ergiebigkeit des Brunnens erheblich herabgesetzt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren bereitzustellen, mit dem sich auch beim Durchbohren von
Lagen schluffigen Materials eine hohe Ergiebigkeit des Brunnens
erzielen läßt. Eine zweite
Aufgabe besteht dar in, eine für
die Durchführung
des Verfahrens geeignete Vorrichtung vorzusehen.
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Die erste Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Spülbohrverfahren
angewandt wird, wobei erfindungsgemäß die Bohrlochwand beim Anheben
des Bohrkopfs über
einen bestimmten Höhenbereich
abgeschält
wird – also
der Durchmesser des Bohrlochs in diesem Bereich vergrößert wird – und dabei
das Bohrklein ebenfalls herausgespült wird. Grundgedanke der Erfindung
ist es also, die Bohrlochwand in einem bestimmten Höhenbereich
von einer Schicht zu befreien, in die möglicherweise feines Material eingedrungen
ist oder auf der sich solches Material als Filterkuchen abgelagert
hat, wobei das abgeschälte
Bohrklein herausgespült
wird. Auf diese Weise entsteht eine filterkuchenfreie und saubere
Bohrlochwand, so daß der
Brunnen größtmöglichen
Wasserzufluß und
damit eine hohe Ergiebigkeit hat.
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Grundsätzlich besteht die Möglichkeit,
daß die
Bohrlochwand über
ihre gesamte Höhe
abgeschält
wird. Dies wäre
jedoch nur in Ausnahmefällen sinnvoll.
Gerade bei tiefen Bohrungen reicht es aus, daß der Höhenbereich nahe der vorgesehenen
Tiefe beginnt und nach oben hin begrenzt ist. Der Höhenbereich
kann beispielsweise eine Höhe
von 10 m haben, wenn das Bohrloch 60 m tief ist. Das Abschälen der
Bohrlochwand geschieht zweckmäßigerweise mittels
des Bohrkopfs, der hierzu ausfahrbare Rückräumwerkzeuge hat.
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Als besonders günstig hat es sich erwiesen, daß das Bohrklein
beim Bohren des Bohrlochs und beim Abschälen der Bohrlochwand mittels
indirektem Spülbohren
entfernt wird. Dabei sollte das Bohrklein beim Abschälen unmittelbar
unterhalb seiner Entstehung hochgespült werden, so daß sich nicht
erneut ein Filterkuchen an der Bohrlochwand bilden kann. Die Wirksamkeit
des erfindungsgemäßen Verfahrens wird
noch dadurch verbessert, daß nach
dem Bohrvorgang und vor dem Schälvorgang
die im Bohrloch befindliche Flüssigkeit
durch feststoffreies Wasser ersetzt wird.
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Die sich auf die Vorrichtung beziehende, zweite
Aufgabe wird dadurch gelöst,
daß eine
Rückräumeinrichtung
zum Abschälen
der Bohrlochwand beim Ausfahren des Bohrkopfs vorgesehen ist, die wenigstens
ein am Bohrkopf angeordnetes Rückräumwerkzeug
aufweist, das aus einer eingefahrenen Endposition in eine über den
bohrwirksamen Durchmesser des Bohrkopfs radial vorstehende, ausgefahrene
Endposition und zurück
bewegbar ist, wobei für
diese Bewegungen eine von außerhalb
des Bohrlochs beeinflußbare
Betätigungseinrichtung
vorgesehen ist. Grundgedanke der Erfindung ist es also, am Bohrkopf
wenigstens ein, vorzugsweise mehrere, über den Umfang verteilte Rückräumwerkzeuge
vorzusehen, die aus einer eingefahrenen in eine ausgefahrene Endposition
radial nach außen
bewegt werden können
und dabei über
den bohrwirksamen Durchmesser – hiermit
ist der Durchmesser gemeint, der beim Bohren der Brunnenbohrung
mit Hilfe des Bohrkopfs entsteht – vorsteht. Die Rückräumwerkzeuge
vergrößern den
Durchmesser des Bohrlochs und schälen damit die Bohrlochwand
entspre chend der Durchmesservergrößerung ab, wenn der Bohrkopf
beim Anheben in Drehbewegung versetzt wird.
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Die Spüleinrichtung weist vorteilhafterweise eine
Saugpumpe oder eine Lufthebeeinrichtung auf, mittels der die Spülflüssigkeit
vom Bohrmeißel über die
Spülleitung
absaugbar bzw. austragbar ist. Dabei ist der Bohrstrang in an sich
bekannter Weise als die Spülleitung
beinhaltendes Bohrgestänge
ausgebildet.
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Für
die Betätigung
des bzw. der Rückräumwerkzeuge
stehen verschiedene Möglichkeiten
zur Verfügung.
So ist es nicht ausgeschlossen, daß die Betätigung über in dem Bohrkopf eingebaute
Hydraulikaktuatoren oder mittels elektrischem Antrieb vorgenommen
wird. Dies wäre
jedoch mit einem erheblichen technischen Aufwand verbunden. Zudem besteht
die Forderung, daß die
Betätigungseinrichtung
gegenüber
den rauhen Bedingungen beim Brunnenbohren unempfindlich sein muß. Hierfür eignen
sich insbesondere rein mechanische Betätigungseinrichtungen.
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Bei einer solchen mechanischen Ausführungsform
weist die Betätigungseinrichtung
einen Betätigungsstempel
auf, der in dem Bohrmeißel
axial beweglich ist und dabei mit dem bzw. den Rückräumwerkzeug(en) derart kinematisch
zusammenwirkt, daß eine
Axialbewegung des Betätigungsstempels
in zumindest eine Richtung eine Radialbewegung des bzw. der Rückräumwerkzeuge(s)
von einer Endposition in die andere bewirkt. Dabei ergibt sich eine
besonders einfache konstruktive Ausbildung, wenn Betätigungsstempel
und Rückräumwerkzeug über Anlageflächen aneinander
liegen.
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In Ausgestaltung. des Grundgedankens
der mechanischen Betätigung
ist vorgeschlagen, daß Betätigungsstempel
und Rückräumwerkzeug(e)
derart kinematisch zusammenwirken, daß der Betätigungsstempel durch Axialbewegung
in nur eine Richtung auf das bzw. die Rückräumwerkzeug(e) einwirkt und
für eine
Rückbewegung
des bzw. der Rückräumwerkzeuge(s)
eine Rückstelleinrichtung,
beispielsweise in Form einer Federeinrichtung, vorgesehen ist. Dabei
ist es zweckmäßig, wenn
die Rückstelleinrichtung
in Richtung von der ausgefahrenen in die eingefahrene Endposition
wirkt.
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Alternativ dazu ist vorgeschlagen,
daß Betätigungsstempel
und Rückräumwerkzeuge
derart kinematisch zusammenwirken, daß der Betätigungsstempel durch Axialbewegung
in eine Richtung das bzw. die Rückräumwerzeug(e)
radial nach außen und
in die andere Richtung radial nach innen bewegt, das bzw. die Rückräumwerkzeug(e)
also in beiden Richtungen von dem Betätigungsstempel aktiv bewegt
werden. Dabei sollte die eine Axialbewegung nach unten und die andere
nach oben gerichtet sein. Damit das bzw. die Rückräumwerkzeug(e) in der eingefahrenen
Stellung zuverlässig
gehalten werden – und
zwar auch dann, wenn der Betätigungsstempel nicht
mehr auf das bzw. die Rückräumwerkzeug(e) einwirkt
-, sollte eine Rasteinrichtung vorgesehen sein, mit der das bzw.
die Rückräumwerkzeug(e)
in der eingefahrenen Endposition verrasten.
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In besonders bevorzugter Ausführung hat der
Betätigungsstempel
eine solche Formgebung und ein solches Gewicht, daß er über die
vom Bohrgestänge
gebildete Spülleitung
bis in den Bohrkopf nur mittels Gravitation einfahrbar ist und hierdurch derart
in Einwirkung mit dem bzw. den Rückräumwerkzeug(en)
kommt, daß es
bzw. sie sich aus der eingefahrenen in die ausgefahrene Endposition
bewegt bzw. bewegen. Nach diesem Vorschlag wird der Betätigungsstempel
erst dann dem Bohrkopf zugeführt,
wenn der Bohrkopf die vorgesehene Tiefe erreicht hat. Dabei wird
er in der Spülleitung
und in dem Bohrkopf so geführt,
daß er
in der richtigen Stellung in den Bohrkopf einfährt und dort das bzw. die Rückräumwerkzeug(e)
entsprechend betätigt.
Um den Betätigungsstempel
nach Beendigung des Abschälens der
Bohrlochwand wieder aus dem Bohrkopf entfernen zu können, ist
vorgesehen, daß die
Betätigungseinrichtung
ein Fangseil mit einem endseitigen Fangkopf aufweist und daß der Betätigungsstempel
vorzugsweise obenseitig einen komplementären Fangkkopf hat, wobei das
Fangseil mit dem Fangkopf nach Beendigung des Abschälens der
Bohrlochwand in die Spülleitung
so weit absenkbar ist, daß die
beiden Fangköpfe
selbsttätig
so in Eingriff kommen, daß der Betätigungsstempel
aus dem Bohrkopf nach oben gezogen werden kann.
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In der Zeichnung ist die Erfindung
anhand eines Ausführungsbeispiels
näher veranschaulicht.
Es zeigen:
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1 einen
Vertikalschnitt durch ein Bohrloch und einen darin eingeführten Bohrlochkopf
beim Abschälen
der Bohrlochwand des Bohrlochs;
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2 einen
Vertikalschnitt durch das Bohrkopfgehäuse des in 1 dargestellten Bohrmeißels mit
Rückräumwerkzeugen
in der eingefahrenen Position;
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3 die
Darstellung gemäß 2 mit Rückräumwerkzeugen in der ausgefahrenen
Stellung und
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4 einen
Querschnitt durch das Bohrkopfgehäuse gemäß 3.
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1 zeigt
den unteren Teil einer Brunnenbohrung 1 – allerdings
ohne Bohrlochsohle – mit
einem Bohrloch 2, das von einer Bohrlochwand 3 umgeben
ist. Die Bohrlochwand 3 bildet die Grenze zwischen dem
Bohrloch 2 und dem angrenzenden Bodenmaterial 4.
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Im Bohrloch 2 befindet sich
ein insgesamt mit 5 bezeichneter Bohrkopf mit einem zylindrischen Bohrkopfgehäuse 6,
an dessen oberen Ende ein Kupplungsrohr 7 anschließt. Das
Kupplungsrohr 7 ist mit dem nach oben gehenden, hier nicht
dargestellten Bohrgestänge
verbunden, an dem der Bohrkopf 5 angeschraubt ist. Auf
der Unterseite des Bohrkopfgehäuses 6 sind
drei Bohrwerkzeuge 8, 9 angebracht, die stufenförmig gestaltet
sind und über
den Durchmesser des Bohrkopfgehäuses 6 nach
außen
verstehend. Sie weisen gestuft angeordnete Räumkanten – beispielhaft mit 10 bezeichnet – auf. Die
Bohrwerkzeuge 8, 9 dienen dem Bohren der Brunnenbohrung 1 bis
zur vorgesehenen Tiefe.
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Wie in Kombination mit 4 zu sehen ist, sind in
dem Bohrkopfgehäuse 6 drei
Rückräumwerkzeuge 11,
12, 13 um horizontale Achsen schwenkbar gelagert. In 1 ist nur das Rückräumwerkzeug 11 zu
erkennen. Die Rückräumwerkzeuge 11, 12, 13 sind
jeweils von einem Paar Führungsleisten 17, 18 bzw. 19,
20 bzw. 21, 22 über
deren gesamten vertikalen Länge
eingefaßt
und geführt.
Die Führungsleisten 17, 18 bzw. 19,
20 bzw. 21, 22 bilden zwischen sich Schlitze, durch
die die Rückräumwerkzeuge, 11, 12, 13 fassen.
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Die Rückräumwerkzeuge 11, 12, 13 sind identisch
ausgebildet, gleich angeordnet und über den Umfang gleichmäßig verteilt.
Sie weisen einen sich über
die Achsen 14, 15, 16 nach oben erstreckenden
Hebelarm 23 auf, der in einem nach innen gerichteten, abgerundeten
Kopf 24 endet. Unterhalb der Achsen 14, 15, 16 setzen
sich die Rückräumwerkzeuge 11, 12, 13 in
einem Werkzeugträger 25 fort,
von dem im unteren Bereich ein Räummeißel 26, 27, 28 ( 4) vorspringt.
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Die nach innen gerichteten Stirnseiten 30, 31, 32 der
Rückräumwerkzeuge 11, 12, 13 sind
in besonderer Weise profiliert. Von dem abgerundeten Kopf 24 haben
sie eine nach außen
gerichtete Schrägfläche 33,
an die sich eine erste Vertikalfläche 34 anschließt. Sie
endet in einer horizontalen Stufe 35. Von dort setzen sich
die Stirnseiten 30, 31, 32 in einer zweiten
Vertikalfläche 36 fort,
die dann weiter unten in eine nach außen gerichtete Schrägfläche 37, übergeht.
Die vorstehende Beschreibung bezieht sich auf die Stellung der Rückräumwerkzeuge 11, 12, 13,
wie sie sich aus den 1 und 3 ergibt.
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In dem Bohrkopfgehäuse 6 befindet
sich konzentrisch zu diesem ein Betätigungsstempel 38 kreisrunden
Querschnitts. Er weißt
obenseitig einen Fangkopf 39 auf und ist in besonderer
Weise profiliert, um mit den Stirnseiten 30, 31, 32 der
Rückräumwerkzeuge 11, 12, 13 kinematisch
zusammenzuwirken.
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Der obere Bereich wird von einem
ersten zylindrischen Abschnitt 40 gebildet, an den sich
eine konische Verjüngung 41 und
daran ein zweiter zylindrischer Abschnitt 42 anschließen, dessen
Durchmesser erheblich kleiner ist als der des ersten zylindrischen
Abschnitts 40. An dem unteren Ende des zweiten zylindrischen
Abschnitts 42 ist eine kegelstumpfförmige Verbreiterung 43 angeformt.
Deren untere Durchmesser ist größer als
ein sich daran anschließender
dritter zylindrischer Abschnitt 44, so daß zwischen
beiden ein ringförmiger
Absatz 45 gebildet wird. Der Betätigungsstempel 38 endet
in einem langgestreckten, sich nach unten verjüngenden Konusabschnitt 46.
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Das Bohrkopfgehäuse 6 weist untenseitig und
obenseitig jeweils eine Öffnung 47, 48 auf. Über diese Öffnungen 47, 48,
das Kupplungsrohr 7 und das daran gekuppelte, hohle Bohrgestänge kann
das Wasser aus dem Bohrloch 2 entsprechend den eingezeichneten
Pfeilen angesaugt und nach oben aus dem Bohrloch 2 herausgesaugt
werden. Hierzu ist außerhalb
des Bohrlochs 2 eine Saugpumpe oder eine Lufthebeeinrichtung
vorgesehen. Das Bohren des Bohrlochs 2 mit Hilfe des Bohrkopfes 5 geschieht wie
folgt.
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Zunächst wird das Bohrloch 2 in üblicher Weise
mit den Bohrwerkzeugen 8, 9 des Bohrkopfes 5 gebohrt.
Dabei befindet sich der Betätigungsstempel 38 noch
außerhalb
des Bohrlochs 2. Die Rückräumwerkzeuge 11, 12, 13 nehmen
die in der in 2 gezeigte
Stellung ein, in der die Räummeißel 26, 27, 28 nicht über die
Führungsleisten 17, 18 bzw. 19,
20 bzw. 21, 22 vorstehen. Die Führungsleisten 17, 18 bzw. 19,
20 bzw. 21, 22 halten den Bohrkopf 5 koaxial
zum Bohrloch 2, indem sie sich an der Bohrlochwand 3 abstützen. Die
Rückräumwerkzeuge 11, 12, 13 werden
in der eingefahrenen Endposition (2)
durch eine hier nicht näher
dargestellte Rasteinrichtung im Bereich ihrer Köpfe 24 in der in 2 gezeigten Endposition
festgehalten, so daß sie
durch die Drehbewegung des Bohrkopfs 5 nicht aus dieser Endposition
herausschwenken können.
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Das durch die Bohrwerkzeuge 8, 9 abgetragene
Bohrklein wird durch den Flüssigkeitsstrom über das
Innere des Bohrgehäuses 6,
das Kupplungsrohr 7 und das anschließende Kupplungsgestänge nach
außen
herausgespült,
wobei von oben in gleichem Maße
Wasser in das Bohrloch 2 nachgefüllt wird. Die Strömungsrichtung
ergibt sich aus den in 1 eingezeichneten
Pfeilen. Beim Bohren des Bohr lochs 2 wird also mit dem
indirektem Spülverfahren
bzw. dem Lufthebeverfahren gearbeitet, um das Bohrklein zu entfernen.
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Ist die vorgesehene Tiefe erreicht,
wird der Bohrvorgang unterbrochen. Das im Bohrloch 2 befindliche
Wasser wird abgesaugt und durch klares Wasser ersetzt. Gleichzeitig
oder danach wird der Betätigungsstempel 38 von
oben in das Bohrgestänge
eingeworfen. Aufgrund seines Gewichts gleitet er in dem Bohrgestänge nach
unten und tritt über
die obere Öffnung 48 in
das Bohrkopfgehäuse 6 ein.
Diese Situation ist in 2 dargestellt.
Da die Verbreiterung 43 gerade an den Köpfen 24 der oberen
Hebelarme 23 der Rückräumwerkzeuge 11, 12, 13 vorbei gleiten
kann, bewegt sich der Betätigungsstempel 38 weiter
nach unten. Dabei kommt der Konusabschnitt 46 mit der zweiten
Vertikalfläche 36 und
der Schrägfläche 37 in
Eingriff und verschwenkt die Rückräumwerkzeuge 11, 12, 13 derart,
daß die
Werkzeugträger 25 und
damit die Räummeißel 26, 27, 28 nach
außen schwenken.
Sie erreichen die ausgefahrene Endposition, wenn der Absatz 45 auf
die Stufe 35 auftrifft. Diese Situation ist in 3 gezeigt. Die Räummeißel 26, 27, 28 ragen
dann über
die äußeren Stirnseiten der
Führungsleisten 17, 18, 19, 20, 21, 22 hinaus, und
zwar soweit, daß sie
radial über
die Bohrwerkzeuge 8, 9 vorstehen, wie aus 1 zu ersehen ist. Der Bohrkopf 5 ist
jetzt für
die Vergrößerung des Durchmessers
des Bohrlochs 2 bereit.
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Im Anschluß daran wird die indirekte
Spülung
wieder in Gang gesetzt und der Bohrkopf 5 über das
Bohrgestänge
erneut in Drehbewegung versetzt. Gleichzeitig wird der Bohrkopf 5 über das
Bohrgestänge
angehoben. All dies bewirkt, daß die Räummeißel 26, 27, 28 den
Durchmesser des Bohrlochs 2 nach oben hin vergrößern, so
daß eine
Bohrlocherweiterung 49 entsteht. Dabei wird die Bohrlochwand 3 in
diesem Bereich von Filterkuchen und ggf. von einer Schicht befreit,
die durch schluffige Anteile oberflächlich verstopft worden ist.
Das dabei entstehende Bohrklein – beispielhaft mit 50 bezeichnet – wird durch
die indirekte Spülung
unmittelbar unterhalb der Räummeißel 26, 27, 28 über die
untere Öffnung 47 in
das Bohrkopfgehäuse 6 eingesaugt
und über
das Bohrgestänge
nach oben mit dem Wasser abgesaugt. Auf diese Weise erhält die Bohrlochwand 3 im
Bereich der Bohrlochwand-erweiterung 49 wieder eine hohe
Porosität,
die eine größtmögliche Ergiebigkeit
des Brunnens gewährleistet.
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Nach einer gewissen Strecke, beispielsweise
10 m, wird der Rückräumvorgang
abgebrochen. Die Bewegung des Bohrkopfs 5 in Umfangsrichtung und
in Richtung nach oben wird angehalten. Dann wird von außen in das
Bohrgestänge
ein Fangseil mit einem untenseitig anhängenden Fangkopf eingeführt. Der
Fangkopf setzt auf dem komplementär ausgebildeten Fangkopf 39 des
Betätigungsstempels 38 auf.
Die beiden Fangköpfe 39 verrasten
automatisch. Dann wird das Fangseil wieder hochgezogen und nimmt
dabei den Betätigungsstempel 38 mit.
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Beim Anheben des Betätigungsstempels 38 kommen
die Räumwerkzeuge 11, 12, 13 wieder
frei. Die Verbreiterung 43 kommt in Eingriff mit den Schrägflächen 37 unterhalb
der Köpfe 24 und
verschwenkt diese radial nach außen. Diese Situation ist in
der Abfolge von 3 nach 2 zu sehen. In 2 befindet sich die Verbreiterung 43 auf
Höhe des
Kopfes 24. In dieser Position ist die eingefahrene Endposition
wieder erreicht, und der Kopf 24 verrastet mit den ihn
einfassenden Führungsleisten 17, 18. Entsprechendes
gilt für
die zwei anderen Rückräumwerkzeuge 12, 13.
Nach dem vollständigen
Herausheben des Betätigungsstempels 38 aus
dem Bohrgestänge
wird der Bohrkopf 5 aus dem Bohrloch 2 herausgehoben.
Damit ist der Bohrvorgang befindet.