DE1608268B2 - Gesteinsbohrwerkzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gesteinsbohrwerkzeug für Bohrungen mit Flüssigkeitsumlauf, das an einen Bohrstrang anschließbar ist und einen Bohrkopf mit mindestens einer Stirnfläche zum Abtragen der Bohrlochsohle und mit Einrichtungen zum Erzeugen eines Unterdrucks in der Bohrflüssigkeit aufweist. Es ist bekannt, für Gesteinsbohrungen Werkzeuge zu verwenden, die Elemente aufweisen, die die Bohrlochsohle angreifen. Dabei fließt durch eine Bohrsäule eine Spülflüssigkeit, die direkt oberhalb der Bohrlochsohle austritt und dann in einem ringförmigen Raum zwischen der Bohrsäule und der Bohrlochwandung aufsteigt. Diese Spülflüssigkeit nimmt den Abraum mit, der sich an der Bohrlochsohle bildet. Die Abführung des Abraumes nach oben durch die Spülflüssigkeit ist dabei aber praktisch unzureichend, und die Bohrlochzone bleibt von viel Abraum bedeckt, der die Arbeit des Werkzeugs stört.

Zum nächstkommenden Stand der Technik ist die USA.-Patentschrift 2072627 zu nennen, die ein Bohrwerkzeug betrifft, bei dem in unmittelbarer Nachbarschaft des Werkzeugs die Verwirbelung der Bohrflüssigkeit im Bohrloch erhöht werden soll, um so im Bereich der Bohrlochsohle zu bewirken, daß dort der Flüssigkeitsausstoß größer ist als der Ausstoß an Flüssigkeit, der in der Bohrsäule zirkuliert. Dabei wird ein Flüssigkeitsstrahl verwendet, der die Flüssigkeit im gebohrten Loch bewegt. Es soll das Ausfließen der Flüssigkeit einen Unterdruck bewirken und ein Teil der mit Abraum beladenen Flüssigkeit im Ringraum zur Bohrlochsohle im Kreislauf zurückgeführt werden. Diese bekannte Anordnung verbessert zwar die Arbeitsweise der bis dahin bekannten Werkzeuge an der Bohrlochsohle, jedoch ist auch diese Technik des nächstkommenden Standes der Technik noch in erheblichem Umfang verbesserungsbedürftig.

Da die Energie zur Bewegung der mit Abraum beladenen Flüssigkeit, die das Tiefste des Loches füllt, notwendigerweise von der Strömung der Hauptflüssigkeit geliefert wird, erfolgt keine merklich bessere Reinigung der Bohrlochsohle. Das Aufwirbeln der mit Abraum beladenen Flüssigkeit hat zur Folge, daß viel Abraum nicht abgeführt wird, sondern im Bereich des Werkzeugs verbleibt; es ergibt sich notwendigerweise ein weiteres Zerbrechen dieses Abraumes, wodurch der Wirkungsgrad des Werkzeugs beeinträchtigt wird. Ein weiterer Nachteil des Standes der Technik liegt darin, daß der Fluß der Spülflüssigkeit, die mit Abraum nicht beladen ist, durch diejenige Flüssigkeit gebremst wird, die das Tiefste des Loches füllt, womit ein großer Teil der Energie verlorengeht. Insbesondere schafft die Flüssigkeit einen bedeutenden hydrostatischen Druck im Bereich der Bohrlochsohle, der höher ist als der hydrostatische Druck, der in der gebohrten Schicht herrscht, was zur Folge hat, daß das Gestein zusammengedrückt wird, wodurch das Eindringen des Werkzeugs erschwert wird.

Zum weiteren Stand der Technik ist neben der be-

reits genannten USA.-Patentschrift 2072627 noch die USA.-Patentschrift 2849214 zu nennen, für die grundsätzlich die gleiche Betrachtung gilt.

Demgegenüber liegt nun vorliegender Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein solches Gesteinsbohrwerkzeug zu schaffen, das bewirken kann, daß der hydrostatische Druck unmittelbar über der Bohrlochsohle höchstens gleich dem dort herrschenden hydrostatischen Druck im Gestein oder sogar geringer

Die Aufgabe wird bei einem Gesteinsbohrwerkzeug der eingangs genannten Gattung dadurch gelöst, daß das Werkzeug mindestens einen Kanal für die Aufwärtsführung des Bohrkleins, welcher die Stirnfläche mit einer die Unterdruckzone bildenden Ringkammer verbindet, und mindestens einen Kanal zum Abführen der Bohrflüssigkeit aufweist, welcher die Ringkammer mit einem Ringraum zwischen der Bohrlochwand und dem Bohrstrang verbindet und oberhalb des Bohrkopfes mit wenigstens einer Öffnung in den Ringraum mündet, wobei Längskanäle und/oder Radialkanäle am Umfang bzw. der Stirnfläche des Bohrkopfes vorgesehen sind, durch welche ein begrenzter Teil der Bohrflüssigkeit entlang der Bohrlochwandung zur Bohrlochsohle hin bzw. entlang der Bohrlochsohle geführt ist.

Durch dieses neue Gesteinsbohrwerkzeug wird der technische Fortschritt erreicht, daß man einmal wünschenswerterweise ein Zusammendrücken des Gesteins vermeidet und daß man zum anderen gleichzeitig eine sprunghaft gesteigerte Austragung des Abraums, der sich auf der Bohrlochsohle bildet, bewirkt. Es handelt sich hier beim Erfindungsgegenstand am die Ausnutzung eines Ansaugphänomens und nicht mehr um die Benutzung eines Fegeeffekts oder eines Umlaufs einer Speiseflüssigkeit.

Neben dem bereits dargelegten Fortschrittsmerkmal der sprunghaften Erhöhung des Wirkungsgrades bestehen weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Gesteinsbohrwerkzeugs einmal darin, daß die Vorschubgeschwindigkeit erhöht, und zum anderen die Lebensdauer des Werkzeugs wesentlich verlängert wird.

Das Wesen vorliegender Erfindung wird im folgenden an Hand von zwei Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen weiterhin erläutert:

Fig. 1 zeigt sehr schematisch einen Aufriß des gesamten Bohrwerkzeugs;

Fig. IA zeigt die Ansicht des in Fig. 1 dargestellten Bohrwerkzeugs von unten;

Fig. 2 zeigt einen Aufriß einer weiteren Ausführungsform eines Bohrwerkzeugs.

Gemäß Fig. 1,1A und 2 besitzt das Bohrwerkzeug einen massiven Bohrkopf 2. Der obere Teil des Bohrwerkzeugs ist mit der Bohrsäule 1 verbunden und weist eine Düse 3 auf, die über die Bohrsäule 1 in Pfeilrichtung mit Bohrflüssigkeit versorgt wird. Die Düse 3 wirkt mit einem Venturi-Rohr 4 zusammen, das in ihrer Verlängerung montiert ist und einen Unterdruck in der Ringkammer 5 hervorruft. Zunächst wird die Ausführungsform der Fig. 1 und IA erläutert:

Mehrere Kanäle 6 für die Abführung der Bohrflüssigkeit und des Bohrkleins, das von der Bohrflüssigkeit in den Ringraum 7 außerhalb der Bohrsäule mitgerissen wird, erhalten die Bohrflüssigkeit über das Venturi-Rohr 4 und sind mit Öffnungen 6a versehen, die (hinsichtlich des Werkzeugvorschubs) hinter den Arbeitszonen angebracht sind.

Kanäle 10,10a für die Aufwärtsführung des Bohrkleins von der Bohrlochsohle weg münden in die Ringkammer 5, in welcher ein Unterdruck heryorgerufen wird; sie öffnen sich nahe an der Bohrsohle in einem zentralen Abführloch 11 und mehreren Abführzwischenlöchern 12.

Die mit der Bohrlochsohle in Berührung stehenden Arbeitszonen bilden bei diesem Ausführungsbeispiel ίο zwei ringförmige Flächen oder Kränze 8, 9, welche durch Radialelemente 13 verbunden sind.

Ein Teil des gesamten Bohrflüssigkeitsstroms, der aus den Öffnungen 6a der Abfuhrkanäle 6 zum Ringraum 7 fließt, kann abwärts fließen, wie durch Pfeilrichtung angezeigt ist; er gelangt bis in die Arbeitszonen und bewirkt deren Spülung, indem er den Rillen oder Längskanälen 14 folgt, die an der Peripherie des Bohrkopfes 2 angebracht sind, sowie den Rillen bzw. Radialkanälen oder Kanälen 15,16 mit radialer Komponente, welche die Flächen 8 und 9 durchqueren.

Bei dieser Art der Ausführung der Erfindung wird die Bohrflüssigkeitsmenge, die von den Öffnungen 6a der Abführkanäle 6 zu der Aufwärtsführung des dem Bohrklein dienenden Kanälen 10, 10a fließt, durch den geringen Querschnitt des freien Ringraums zwischen der Seitenwand 14α des Bohrkopfes 2 und der seitlichen Wand des Bohrlochs begrenzt; insbesondere auch durch die breite Berührungsfläche der Arbeitszonen mit der Bohrlochsohle entlang des Strömungswegs der Flüssigkeit, die entlang der Bohrlochsohle zu den Abführlöchern 11 und 12 fließt.

Anzahl und Querschnitt der Längskanäle 14 und der Radialkanäle 15 und 16, die in den Arbeitszonen vorgesehen sind, werden bemessen abhängig von
l.der Flüssigkeitsmenge, die zwischen den Öffnungen 6a und den Abführlöchern 11 und 12 fließen muß, um die Bohrlochsohle zu spülen, sowie

2. dem Druckabfall, welcher in den Arbeitszonen gegenüber dem von der Bohrflüssigkeit im Ringraum 7 des Bohrlochs auf der Höhe der Öffnungen 6a geschaffenen hydraulischen Drucks bestehen soll.

Eventuell kann man die Spülflüssigkeit der Bohrlochsohle unmittelbar über Spüllöcher zuführen, die in den Arbeitsflächen oder von diesen leicht zurückgesetzt (von der Bohrlochsohle hinweg) vorgesehen sind, wobei diese Spüllöcher von den Kanälen 6 gespeist werden.

Es wird dann erforderlich sein, diese Spüllöcher von den Abführlöchern 11 und 12 durch Arbeitsflächen zu trennen, die eine ausreichend große Berührungsfläche mit der Bohrlochsohle haben müssen, um zwischen den Spüllöchern und den Abführlöchern einen Druckverlust der Spülflüssigkeit hervorzurufen, der dem Druckabfall entspricht, der in den Arbeitszonen gegenüber dem hydraulischen Druck in den Abführkanälen 6 aufrechterhalten werden soll. Die Flüssigkeitszufuhr zu diesen Spülöffnungen in der Nähe der Bohrlochsohle kann durch' Spülkanäle erfolgen, die mit Vorrichtungen zur Begrenzung des Spülflüssigkeitsstromes versehen sind, wie etwa Drosseln oder kalibrierte Öffnungen. Die Öffnungen, über welche die Spülflüssigkeit den Spülkanälen zugeführt wird, sind mit Schutzgittern ausgestattet, um das Rückspülen von Bohrklein gegen die Bohrlochsohle zu verhindern, wenn dieses durch die der Aufwärtsführung des Bohrkleins dienenden Kanäle 10 und 10a bis in die

Unterdruckzone und von dort durch das Venturi-Rohr bis zu den Zufuhröffnungen der Spülkanäle geführt wird.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Bohrkopf 2 massiv und von im wesentlichen zylindrischer Form.

Es kann jedoch im Rahmen der Erfindung auch ein Bohrwerkzeug anderer Form verwendet werden, insbesondere ein Reibbohrer oder ein Bohrmeißel mit massivem Kopf aus mehreren selbständigen Radialelementen, indem man in oder nahe bei den Angriffsflächen Kanäle zur Aufwärtsführung des Bohrkleins durch Ansaugen münden läßt, wie die Kanäle 10 und 10a in Fig. 1, die von den Zuflußöffnungen der Bohrflüssigkeit getrennt sind, und zwar durch Berührungs- oder Abschlußflächen am Bohrwerkzeugkopf gegen die Bohrlochsohle und/oder die Bohrlochwand, wodurch der Flüssigkeitsstrom zu den der Aufwärtsführung des Bohrkleins dienenden Kanälen begrenzt wird.

Diese Berührungsflächen können wiederum durch die Angriffsflächen gebildet werden, welche die Ansauglöcher der der Aufwärtsführung des Bohrkleins dienenden Kanäle umgeben, oder aber auch eigene Abschlußteile, die am Bohrkopf zwischen der (oder den) Zufuhröffnung(en) für die Bohrflüssigkeit einerseits und der (oder den) Ansaugöffnung(en) andererseits angebracht werden.

Die in F i g. 1 dargestellte Ausführungsform der Erfindung hat zwar gegenüber den bekannten Bohrvorrichtungen die einleitend erwähnten Vorteile, doch kann zuweilen unter bestimmten Bodenverhältnissen das Problem der Abführung von Bohrteilchen usw.

auftreten, wenn diese sich in dem Ringraum oberhalb des Bohrwerkzeugs ansammeln und wenn deren Abmessungen zu groß sind, als daß sie in die Unterdruckzone(n) an der Bohrlochsohle angesaugt oder rückgesaugt werden können.

Dieses Problem läßt sich dadurch lösen, daß die Bohrlochsohle mit frischer Flüssigkeit (ohne Beimischung von Bohrklein) unter Verwendung eines Abzweiges (bypass) gespült wird, wodurch ein Teil des durch den Bohrstrang fließenden Flüssigkeitsstroms unmittelbar auf die Bohrlochsohle gelangt.

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Bohrvorrichtung unter Anwendung einer solchen Verzweigungsleitung.

Bei dieser Ausführungsform wird die Bohrlochsohle nicht durch die Kanäle 14 durch Ansaugen von Bohrflüssigkeit gespült, welche aus dem Ringraum 7 oberhalb des Werkzeugs kommt und Bohrklein mitführt, sondern durch Ansaugen von Bohrflüssigkeit oberhalb der Unterdruckzone in der Ringkammer 5, also durch Ansaugen bohrkleinfreier Flüssigkeit. Diese Flüssigkeit kann z.B. aus der Düse 3 durch die Kanäle 17 entnommen werden, die in öffnungen 17a an der Seitenwand 14a des Bohrkopfes ausmünden, und zwar stets gegen diese Wand zurückversetzt. Bei dieser Ausführungsart können die vertikalen Kanäle 14 in ihrem oberen Teil, im wesentlichen auf der Höhe der öffnungen 17a, unterbrochen sein. Die Spülkanäle 17 können auch auf der Höhe der Bohrlochsohle ausmünden (wobei dann die Kanäle 14 wegfallen können), und die Begrenzungsvorrichtungen für diese durchströmende Flüssigkeitsmenge können an diesen Kanälen selbst angebracht sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Gesteinsbohrwerkzeug für Bohrungen mit Flüssigkeitsumlauf, das an einen Bohrstrang anschließbar ist und einen Bohrkopf mit mindestens einer Stirnfläche zum Abtragen der Bohrlochsohle und mit Einrichtungen zum Erzeugen eines Unterdrucks in der Bohrflüssigkeit aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug mindestens einen Kanal (10, 10a) für die Aufwärtsführung des Bohrkleins, welcher die Stirnfläche mit einer die Unterdruckzone bildenden Ringkammer (5) verbindet, und mindestens einen Kanal (6) zum Abführen der Bohrflüssigkeit aufweist, welcher die Ringkammer (5) mit dem Ringraum (7) zwischen Bohrlochwand und Bohrstrang (1) verbindet und oberhalb des Bohrkopfes (2) mit wenigstens einer öffnung (6a) in den Ringraum (7) mündet, wobei Längskanäle (14) und/ oder Radialkanäle (15, 16) am Umfang bzw. in der Stirnfläche des Bohrkopfes (2) vorgesehen sind, durch welche ein begrenzter Teil der Bohrflüssigkeit entlang der Bohrlochwandung zur Bohrlochsohle hin bzw. entlang der Bohrlochsohle geführt ist.

2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es mindestens einen Spülkanal (17) für die Arbeitszonen des Bohrkopfes (2) umfaßt, wobei die Flüssigkeit oberhalb des Niveaus der Ringkammer (5) entnehmbar ist und der Spülkanal (17) außerhalb der Arbeitszonen mündet, und daß Vorrichtungen zur Begrenzung des Flüssigkeitsstroms zwischen dem Kanal (17) und den Arbeitszonen vorhanden sind.

3. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnung (6a) des Abzugskanals in Richtung des Werkzeugvorschubs gesehen hinter den Arbeitszonen angeordnet ist und daß die Vorrichtung zur Begrenzung des Bohrflüssigkeitsstroms eine Seitenwand (14a) des Werkzeugkopfes mit der Bohrlochwand bildet, die vor der öffnung (6a) des Abzugskanals für die Bohrflüssigkeit angeordnet ist.

4. Werkzeug nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spülkanal (17) mindestens eine öffnung (17a) an der Seitenwand (14a) des Werkzeugkopfes aufweist.

5. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnung (6a) des Abzugskanals von Abführlöchern (11, 12) für den Abraum getrennt ist, die ihrerseits mit den Aufsaugkanälen (10, 10a) in Verbindung stehen.

6. Werkzeug nach Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitszonen des Bohrkopfes (2) mindestens einen ringförmigen Kranz (8, 9) aufweisen, der zu der Achse des Geräts konzentrisch angeordnet ist.

7. Werkzeug nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitszonen ein Element (13) aufweisen, das zu der Achse des Geräts radial angeordnet ist.

8. Werkzeug nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitszonen des Bohrkopfes (2) mit Radialkanälen (16) für den Durchgang des Abraums versehen sind.

9. Werkzeug nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Unterdrucks eine Düse (3) vorgesehen ist, die mit der Bohrflüssigkeit beaufschlagbar ist und in einem Venturi-Rohr mündet, wobei die Aufsaugkanäle (10,10a) für den Abraum mit dem Venturi-Rohr (4) in Verbindung stehen.