DE19749409A1 - Bohrverfahren und Bohrkopf - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein spezielles Bohrverfahren und einen entsprechenden Bohrkopf für die Erstellung von Flach- bzw. Horizontalbohrungen in Sedimenten.

Flachbohrungen sind bekanntlich Bohrungen geringer Teufe bis zu 100 m, welche z. B. für die Grundwassererschließung, für Schußbohrungen bei der Sprengseismik, oder für die Verwendung als Erdsonden bei Wärmepumpenanlagen benötigt werden. Für die Erstellung solcher Bohrungen im nachgiebigen Untergrund stehen eine Reihe von bekannten Bohrver­ fahren zur Verfügung. Das bekannteste ist das gewöhnliche Rotationsbohren, wobei ein Bohrmeißel an einem rotierenden Gestänge vorgetrieben wird. Der Bohrmeißel ist dann nur ein einfacher Stufenmeißel, während für das Bohren z. B. in Gestein ein Rollenmeißel oder eine Diamantbohrkrone benötigt wird.

Das Rotationsbohren hat den Nachteil, daß der Bohrmeißel die durchbohrten Schichten aufreißt und das angetroffene Material in kleinste Fraktionen zerlegt. Zum Abtransport die­ ses Bohrgutes ist ein Medium, z. B. Bohrspülung oder strömende Luft, erforderlich. Das strö­ mende Medium hat gleichzeitig die Aufgabe der Kühlung des Bohrkopfes und unter Um­ ständen einer gewissen Reibungsabsenkung zu übernehmen. Flüssige Bohrspülung besteht in der Regel aus einer Mischung zwischen Wasser und tonigen Mineralien. Diese Mischung ist mehr oder weniger thixotrop eingestellt und hat die Aufgabe, ein Absetzen des Bohr­ gutes im Spülungskreislauf zu unterbinden. Sie bewirkt zugleich eine Art Verschlämmung der Bohrlochwand, welche ein Einbrechen und Nachfallen von Material in die Bohrung hinein verhindern soll.

Obwohl nun z. B. solche Bohrtechniken unter Verwendung von Spülung seit langem einge­ führt und bewährt sind, besteht doch für bestimmte Anwendungen ein gewisses Interesse, ohne derartige Bohrhilfsmittel auszukommen. Generell ist damit nämlich ein größerer Auf­ wand verbunden, welcher sich zwangsläufig in den Bohrmeterkosten niederschlagen muß. Denn neben der Erfordernis, direkt neben der Bohrstelle eine Spülgrube anzulegen, wird noch ein Wasserwagen mit Fahrer und das gesamte Verbrauchsmaterial benötigt. Heute wird in vielen Fällen die Bohrspülung als Sondermüll eingestuft, und muß demzufolge zu hohen Kosten entsorgt werden. Insbesondere bei der Niederbringung von Bohrungen auf bereits begrünten Grundstücken wird es vom Auftraggeber nicht gern gesehen, wenn das Terrain nach Abschluß der Bohrarbeiten als "Schlammwüste" hinterlassen wird.

Aus den genannten Gründen hat es bereits in der Vergangenheit verschiedene Ansätze gegeben, alternative Bohrverfahren und entsprechendes Werkzeug zu entwickeln. So ist ein schlagendes Bohrverfahren bekannt, wobei ein angespitzter Bohrkopf mittels eines elektri­ schen oder mechanischen Antriebs mit axial wirkenden Impulsen beaufschlagt wird. Dabei wird das angetroffene Material zur Seite verdrängt und verdichtet. Es fällt kein Bohrgut an, welches abzutransportieren wäre. Allerdings wird auch das jeweils vor der konischen bzw. abgestuften Stirnfläche des Bohrkopfes befindliche Material verdichtet, so daß der Vortrieb erschwert ist. Wegen der zwischen dem Bohrkopf und dem verdichteten Material auftre­ tenden Reibung nimmt die bei diesem Verfahren ohnehin niedrige Vorschubgeschwindig­ keit zur Tiefe hin parallel zur abnehmenden Nachgiebigkeit des Untergrundes immer mehr ab. Daher lassen sich mit dieser Technik nur extrem flache Bohrungen realisieren, welche außerdem einen recht hohen Zeitaufwand erfordern.

Aus der Deutschen Patentschrift DE 24 39 063 ist ein Bohrverfahren bekannt geworden, welches den oben beschriebenen Nachteil der stirnseitigen Verdichtung abschwächen und damit größere Bohrtiefen ermöglichen soll. Dabei wird das durchteufte Material mittels eines speziellen Bohrkopfs im wesentlichen radial zur Bohrung verdrängt. Der vorgeschla­ gene Bohrkopf besteht aus einer Kolonne von drehbar gelagerten Ringen, welche exzen­ trisch zur Bohrkopfachse und paarweise mit einem gegenseitigen winkelmäßigen Versatz (z. B. von 120°) angeordnet sind. An der Bohrkopfspitze ist ihr Durchmesser relativ klein und nimmt zur nach obertage zeigenden Seite hin in Stufen zu. Die gesamte Kolonne kann dann z. B. aus sechs derartiger Ringe bestehen, von denen der untere als Spitze ausgebildet ist. Aufgrund der exzentrischen Position besteht zwischen den Ringen und der Bohrloch­ wand lediglich ein tangentialer Kontakt mit einer gewissen von der Nachgiebigkeit des Bodenmaterials abhängigen Umschlingung. Wegen der Abwälzung der Ringe auf der Bohrlochwandung tritt während der Bohrkopfrotation Reibung fast nur bezüglich des Vor­ schubs auf. Daher reichen recht kleine Leistungen für den Antrieb aus. Trotzdem sind bei entsprechend kleiner Exzentrizität wegen des dann langen Hebelarms größere Verdrän­ gungskräfte erzielbar.

In der Praxis hat sich leider gezeigt, daß der oben beschriebene Bohrkopf mit einer Reihe von schwer zu beherrschenden Problemen behaftet ist. Die größte Schwierigkeit liegt in der Realisierung einer ausreichend langen Betriebslebensdauer. Im Feldeinsatz ist ein Ausfall der Ringlager nach recht kurzer Einsatzdauer zu beklagen. Diese Ringlager sind zwecks Herabsetzung der Lagerreibung als Wälzlager konzipiert. Wegen des beim Verdichten der Bohrlochwandung auftretenden hohen Druckes wird Bodenmaterial in die zwischen den Ringen vorhandenen Spalten gepreßt und unterwandert dabei die zum Schutz der Wälzla­ ger vorgesehenen Dichtungen. Dabei wird das Eindringen von Schmutz durch die sequen­ tiell auftretenden Druckstöße noch verschlimmert. Auch die beim Bohren unterhalb eines Flüssigkeitspegels auftretenden hydrostatischen Druckunterschiede tragen zum Eintrag von Schmutz bei. Sind erst einmal Verunreinigungen in die Wälzlager eingedrungen, so ist der Totalausfall nur noch eine Frage der Zeit.

Ein weiteres Problem des beschriebenen Bohrkopfes tritt beim Ziehen des Bohrgestänges auf. Wegen des radialen Mehrfachkontaktes der Ringgruppe mit dem größten Durchmes­ ser wird beim Auffahren des Bohrkopfes Bodenmaterial von der Bohrlochwandung ge­ schrappt und auf der oben liegenden Dachfläche angesammelt. In besonders ungünstigen Fällen bildet sich nach wenigen Metern ein Pfropfen, welcher ein Verklemmen des Bohr­ kopfes im Bohrloch zur Folge hat. Es ist dann nur unter größten Schwierigkeiten möglich, den Strang mit dem Bohrkopf zu retten.

Die Deutsche Patentschrift DE 195 30 718 beschreibt ein Bohrverfahren und einen Bohr­ kopf, wobei mittels einer fest mit dem Bohrgestänge verbundenen Platte mit Zähnen die eigentliche Bohrfunktion ausgeübt wird. Der Durchmesser dieser Platte ist mindestens so groß wie der Durchmesser der Bohrung, bzw. geringfügig größer als dieser. Der Platte ist eine schrägliegende Verdichtungswalze nachgeschaltet, welche auf Lagern drehbar ist. Diese Walze hat die Aufgabe, das von den Zähnen der Platte losgebrochene Bohrgut in die Bohrlochwandung zu verpressen. Obwohl der beschriebene Bohrkopf für den Betrieb mit Bohrspülung ausgelegt ist, könnte er bei geeigneten Untergrundbedingungen auch für das Trockenbohren eingesetzt werden.

Bei diesem Verfahren treten jedoch Probleme dann auf, wenn der Bohrkopf im Untergrund auf Steine größeren Durchmessers trifft, welche zu groß sind, um den Durchlaß in der Bohrplatte passieren zu können. Der Bohrkopf setzt dabei auf dem Stein auf und treibt die­ sen bei einer ausreichend starken Leistung des Bohrgeräts vor sich her. Bei kleineren Bohr­ geräten ist ein weiteres Abteufen des Bohrlochs bei einem derartigen Problemfall in der Regel nicht möglich.

Es bestand daher die Aufgabe zur Schaffung eines Bohrverfahrens und eines entsprechen­ den Bohrkopfes, welche die oben beschriebenen Probleme überwinden sollten. Die Aufga­ be wird nach der Erfindung durch den Übergang auf ein taumelnd arbeitendes System ge­ löst. Danach besteht das Verfahren darin, einen im Prinzip einstückigen Körper mit relativ schlanker Granatenform so mit einem Winkel um die Bohrstrangachse taumeln zu lassen, daß seine Nase bzw. ein hinter der Nase liegender Punkt dieses Körpers mit der Bohr­ strangachse übereinfällt, während seine ausgelenkte Mantelfläche in tangentialem Kontakt auf der Bohrlochwandung abrollen kann und diese beim Vorschub des Bohrstrangs im wesentlichen radial wirkend verdichtet. Dabei kann mittels einer entsprechenden Positionie­ rung der umlaufenden Bohrkopfspitze bzw. -stirn dieses Körpers die Bohrlochsohle gleich­ zeitig aufgelockert werden. Auf diese Weise ist mit einfachen Mitteln eine kombinatorische Arbeitsweise des Bohrkopfs erzielbar.

Der erfindungsgemäße Bohrkopf ist so gestaltet, daß er eine sehr einfache Herstellbarkeit mit einer hohen Betriebssicherheit vereint. Seine Drehlager sind optimal geschützt in seinem Inneren angeordnet. Dabei sind zwei Lagergruppen technisch völlig ausreichend und auch wirtschaftlicher. Die Lagergruppen sind wahlweise als einfache Gleitlager oder auch als Wälzlager gestaltbar. Ein Druckausgleich der Schmierung zum Umgebungsdruck ist vorgesehen. Der Bohrkopf ist über ein Kupplungsglied an einen üblichen Bohrstrang anschließbar. Unter schwierigen Arbeitsbedingungen und je nach Ausführungsform ist der Bohrkopf noch durch ein bis zwei axial am Bohrgestänge versetzte drehbare Gegenlager erweiterbar.

Die Erfindung soll im folgenden anhand der fünf Zeichnungsfiguren erläutert werden. Fig. 1 zeigt ein schematisches Beispiel eines erfindungsgemäßen Bohrkopfes, während in Fig. 2 eine Situation in einem Bohrloch unter Verwendung eines zusätzlichen Gegenlagers dar­ gestellt ist. In Fig. 3 ist der Bohrkopfträger mit einem Druckausgleichssystem herausge­ zeichnet. Fig. 4 soll die Situation in einem Bohrloch mit einer anderen Ausführung des Bohr­ kopfes darstellen. Dieser wird in Fig. 5 vergrößert als Schnittbild gezeigt.

Die Zeichnungsfigur 1 ist eine stark vereinfachte Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Bohrkopfes in einer teilweise aufgeschnittenen Darstellungsweise. Dabei wird der Bohrkopf in betriebsbereitem Zustand gezeigt, wobei seine Kupplungsmuffe 2 über eine Schnittstelle 4 an einen Bohrstrang 3 angeschlossen ist. Das Bohrkopfgehäuse 1 ist in seiner äußeren Form ähnlich einer Granate gestaltet. An die Spitze 17 schließt sich ein schlanker Kegelabschnitt 12 an, welcher mit einem Übergangsradius in einen balligen Bereich 11 übergeht. Dieser verjüngt sich weich fließend zum Endbereich 10 des Bohr­ kopfgehäuses hin. Das ganze Bohrkopfgehäuse ist ein rotationssymmetrischer Körper und daher sehr einfach herzustellen. Der Bereich der Nase 14 ist als separates austauschbares Teil gefertigt und mittels einer Verbindung 15 angeschlossen, da er besonderem Verschleiß unterliegt. Hier kann bevorzugt ein verschleißfester bzw. zähharter Werkstoff zum Einsatz kommen. Das Bohrkopfgehäuse 1 ist auf einem Bohrkopfträger 5 gelagert. Zur Reduzie­ rung der Lagerreibung sind Wälzlager vorgesehen. Im Prinzip sind zwei Wälzlagergruppen für die auftretende Beanspruchung ausreichend. Es ist z. B. günstig, eines dieser Lager als Fest- und das andere als Loslager zu konzipieren. Im gezeigten Beispiel ist z. B. wahlweise ein Nadel-, Rollenlager oder sogenanntes CARB-Lager 8 für die Aufnahme reiner Radial­ kräfte am Achszapfen 6 montiert, während am oberen Lagersitz z. B. ein Rillenkugellager, bzw. ein Schulterlager 7 (z. B. ein Kegelrollenlager) oder eine Lagergruppe aus zwei gegen­ einander gestellten Wälzlagern für die Aufnahme komplexer Belastung vorgesehen ist. Der Bohrkopfträger 5 ist mit einer Kupplungsmuffe 2 so verbunden, daß er mit seiner eigenen Achse 13 zu deren Mittelachse 16 mit dem Winkel α gekippt ist. Dabei ist die Größe dieses Kippwinkels im gezeigten Beispiel aus zeichnerischen Gründen gewählt. In der Praxis ist es erforderlich, den Kippwinkel entsprechend den Bohrbedingungen festzulegen. Mittels eines kleineren Kippwinkels sind dabei mit gleichem Antriebsdrehmoment höhere Radialkräfte erzeugbar. In der Zeichnung ist der Kippwinkel α mit den Abmessungen des Bohrkopf­ gehäuses so abgestimmt, daß die Spitze 17 genau auf der Mittelachse 16 des Bohrstrangs bzw. der Kupplungsmuffe zu liegen kommt. Bei Rotation des Bohrstrangs 3 bleibt daher die Position der Bohrkopfspitze 17 trotz des taumelnden Umlaufes des Bohrkopfgehäuses prak­ tisch unverändert. Je nach Beschaffenheit des zu durchteufenden Untergrundes, z. B. bei Mergel bzw. Einlagerung von Steinchen, kann es jedoch günstiger sein, den Schnittpunkt der Achszapfenachse mit der Bohrstrangachse in eine Position oberhalb der Bohrkopfspitze 17 zu verlegen. Die Bohrkopfspitze beschreibt bei Rotation dann eine gleichsinnige, jedoch um 180° phasenverschobene Drehung. Dadurch wird das Bodenmaterial aufgebrochen bzw. Steinchen zur Seite gewälzt. Außerdem werden dadurch die Querkraftkomponenten zum Teil kompensiert und der Trend des Gestänges, radial zu schlagen, reduziert.

Zur Erzielung einer ausreichend langen Lebensdauer des Bohrkopfes sind verschiedene Maßnahmen erforderlich, insbesondere um das Eindringen von Schmutz in die Lager zu verhindern. In der Zeichnungsfigur 1 ist zu diesem Zweck lediglich eine Dichtung 9 zwi­ schen dem Bohrkopfträger 5 und dem Bohrkopfgehäuse vorgesehen. Es ist ratsam, den zwischen dem Bohrkopfträger und dem Bohrkopfgehäuse gebildeten Spalt vollständig mit einem Schmiermittel (z. B. Fett) aufzufüllen und dazu unter Umständen eine Vorevakuierung zu benutzen, damit Luftnester mit Sicherheit ausgeschlossen sind. Diese würden bei Druck­ beaufschlagung komprimiert, wodurch Verunreinigungen von außen in das Dichtungs­ system eingetrieben würden.

In dieser Hinsicht wird weiter vorgeschlagen, den gesamten Bohrkopf mit einem Druck­ ausgleich zu versehen. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel wird in der Fig. 3 gezeigt. Das Beispiel wurde stark vereinfacht, um die Kernidee besser verständlich zu machen. Die Zeichnungsfigur stellt einen halbseitig geschnittenen Bohrkopfträger dar, welcher in seinen Grundabmessungen an denjenigen der Fig. 1 angelehnt ist. Lediglich die Kupplungsmuffe 32 mit dem Anschlußgewinde 35 wurde verlängert, um Platz für das Druckausgleichs­ system zu schaffen. Hierzu wurde der Bohrkopfträger 31 mit axialem Verlauf durchbohrt und über diese Bohrung 38, den Innenraum der Kupplungsmuffe 32 und die Austritts­ bohrung 36 ein Druckausgleichsweg zum innen bzw. außen am Gestänge anliegenden Umgebungsdruck geschaffen. Dieser Druckausgleichsweg setzt sich fort über die auf den Lagersitzen 40 und 39 befindlichen Wälzlager bzw. den zwischen dem Bohrkopfträger 31 und dem Bohrkopfgehäuse 1 (Fig. 1) gebildeten Spalt bis zur Dichtung 9 (Fig. 1) und ist somit im Bereich der genannten Dichtung antiparallel zu deren Druckbeaufschlagung ge­ schaltet. Wird nun der ganze Druckausgleichsweg mit einem Schmiermittel geflutet, so ist der von außen einwirkende Umgebungsdruck (z. B. bei Einsatz unter dem Wasserspiegel) vollkommen ausgeglichen.

Die beschriebene Gestaltung wäre bei einer sorgfältigen Fettfüllung bereits gut arbeits­ fähig. Um jedoch auch Öle bzw. niedrigviskose Fette verwenden zu können, um längere Betriebszeiten zu erzielen und daneben auch aus Gründen des Umweltschutzes ist in den Druckausgleichsweg zusätzlich ein Freikolben 33 eingeschaltet, welcher mittels eines in die Nut 34 einlegbaren O-Rings gegen die Innenwand der Kupplungsmuffe abgedichtet ist. Dieser Freikolben hat erfindungsgemäß zunächst die Aufgabe einer Medientrennung, namentlich zwischen einer auf seiner nach obertage zeigenden Seite anstehenden Flüssig­ keit (z. B. Bohrspülung Grundwasser oder dergleichen) und dem auf seiner gegen­ überliegenden Seite befindlichen Druckausgleichsmedium (Öl, Fett). Daneben ist erfin­ dungsgemäß dem Freikolben die Aufgabe zugedacht, für einen leichten inneren Überdruck im Druckausgleichssystem zu sorgen. Diese Funktion ist bei subvertikalem Betrieb des Bohrkopfes bereits aufgrund der Masse des Freikolbens und der wirkenden Schwerkraft erzielbar. Zusätzlich wird vor allem für den horizontalen Betriebsfall vorgeschlagen, den Freikolben mit einer elastischen Feder mechanisch gegen das Druckausgleichsmedium vor­ zuspannen. Wegen des inneren Überdrucks ist mit dieser Ausführung eine sehr hohe Sicherheit gegen das Eindringen von Fremdkörpern in die Lagerung und damit eine lange und verschleißfreie Benutzungsdauer des Bohrkopfes sichergestellt.

In dem in der Fig. 3 gezeigten schematischen Beispiel ist der Freikolben 33 als rotations­ symmetrisches Bauteil in der zylindrischen Bohrung der Kupplungsmuffe 32 so axial ver­ schiebbar gelagert, daß er sich in einer axialen Position zwischen dem Reservoir 37 für das Druckausgleichsmedium und einer Austrittsbohrung 36 befindet. Für die ordnungsgemäße Funktion muß sichergestellt sein, daß er bei allen Betriebszuständen unterhalb der Austrittsbohrung positioniert ist, jedoch nicht auf dem Boden des Reservoirs aufsitzt. Aus bestimmten Gründen mag es günstig sein, den Verschiebeweg z. B. nach obertage hin mittels eines Anschlags z. B. in Gestalt eines Sicherungsringes zu begrenzen. Für die Eva­ kuierung des Druckausgleichsweges von Luft und die anschließende Befüllung mit dem Druckausgleichsmedium sind ferner Anschlußnippel erforderlich, um diese Arbeiten pro­ blemlos durchführen zu können. Diese Details sind in der Zeichnungsfigur zwar nicht dar­ gestellt, dürften jedoch dem durchschnittlich gebildeten Fachmann verständlich sein.

Zur Erzielung der erfindungsgemäßen Funktion des Druckausgleichs bestehen ferner gewis­ se Freiheiten bezüglich der räumlichen Anordnung und Ausführung des oben in Gestalt eines Freikolbens ausgeführten Trenngliedes. So kann dieses wahlweise direkt in die Boh­ rung 38 plaziert, oder in Gestalt einer Membran, z. B. einer Rollmembran aus einem Elastomer verwirklicht sein. Eine Ausführung als Freikolben scheint jedoch am wenigsten anfällig gegen Beschädigungen unter rauhen Betriebsbedingungen zu sein.

Zum besseren Verständnis der erweiterten Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Bohrver­ fahrens und des entsprechenden Bohrkopfes wird in Fig. 2 eine schematische Situation wäh­ rend der Anwendung gezeigt. Ausgehend von einer Erdoberfläche 30 soll eine Bohrung 19 in den Untergrund 18 abgeteuft werden. Das Bohrkopfgehäuse ist mit den drei funktio­ nellen Bereichen seiner Mantelfläche dargestellt. Die vordere Kegelfläche 20 dient im wesentlichen dem Vorstoßen und Aufweiten der Bohrung, der sich gering nach obertage hin verjüngende Kegelmantel 21 der radialen Nachverdichtung, und die hintere Kegel­ fläche 22 dem Druckabbau beim Vortrieb, bzw. als Anlauf- und Zentrierungsfläche beim rotierenden Ziehen des Gestänges. Eine bei Verschleiß auswechselbare Nase 23 ist vorge­ sehen. Ein Rohrstück 24 dient der Verbindung des Bohrkopfes mit einem optionalen Gegenlager 25, welches bei extrem widerstandsfähigem Untergrund von Nutzen ist, um ein stärkeres Schlagen des Bohrstrangs zu unterbinden. Das Gegenlager ist auf dem Bohr­ strang exzentrisch zu dessen Mittelachse drehbar gelagert. Bei nur einem Gegenlager ist dessen Exzentrizitätsachse 28 in Richtung des von der Taumelachse des Bohrkopfes ausgehenden Reaktionsmoments gelegt. Dementsprechend beträgt der winkelmäßige Ver­ satz bei zwei Gegenlagern jeweils +/-60° dazu. Das Gegenlager ist nach oben 26 und unten 27 hin verjüngt, um weich gegen die Bohrlochwand einsetzende Anlaufflächen zu bilden. An das Gegenlager schließt sich der Bohrstrang 29 an.

Zwecks Verdeutlichung der Ausführungsbandbreite des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Fig. 4 eine Situation mit einem abgewandelten Bohrkopf gezeigt, bei welchem der Schnittpunkt der Taumelachse mit der Achse des Bohrgestänges von der Bohrkopfspitze zurückversetzt positioniert ist. Ausgehend von der Erdoberfläche 48 ist eine Bohrung 42 in den Untergrund 41 niedergebracht, welche an einer Bohrlochsohle 49 endet. Das Bohr­ gestänge 47 trägt einen Bohrkopf mit gekippter Drehachse. Seine äußere Formgestalt ist im wesentlichen in drei konische Mantelflächen 43, 44, 45 aufgegliedert, welche in ihrer Funktion denjenigen der Zeichnungsfigur 2 entsprechen, wobei jedoch die radial wirken­ den Querkräfte während des Bohrvorgangs stärker ausgeglichen sein dürften. Die Bohr­ kopfnase ist nun als kreis- bzw. kreisringförmige Stirnfläche ausgebildet und beschreibt aufgrund ihrer Taumel- und Drehbewegung gegenüber der Bohrlochsohle eine Bahn als verschleppte Hypozykloide. Dabei unterstützt eine angepaßte Profilierung z. B. in Gestalt von Nuten 46 oder Zähnen die Auflockerung des vor dem Bohrkopf anstehenden Boden­ materials.

Der in Fig. 4 gezeigte Bohrkopf ist in Fig. 5 zum besseren Verständnis in einer Schnitt­ zeichnung vergrößert dargestellt. Das Ausführungsbeispiel hat mehr schematischen Cha­ rakter. Daher wurden konstruktive Kleinigkeiten, wie z. B. Sicherungsringe, weggelassen. Bestimmte Einzelheiten, wie Abmessung und Positionierung der Lager und Abdichtungen sind symbolisch zu verstehen und müßten für die jeweilige Bauform aus teilweise genorm­ ten Bauteilen ausgewählt bzw. festgelegt werden. Für die praktische Ausführung können die konischen Mantelflächen des Bohrkopfgehäuses mit Übergangsradien verbunden wer­ den. In der Darstellung wurde für den Kippwinkel α der Taumelachse ein praktikabler Wert von etwa 6° gewählt. Der Kippwinkel α ist generell ein Kompromiß zwischen niedrigem Drehmomentbedarf und hohem Vorschub. Er muß daher sowohl an die Leistung des Bohr­ gerätes als auch an die geologischen Bedingungen des Untergrundes angepaßt werden.

Das Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bohrkopfs in Fig. 5 verdeutlicht die Situ­ ation eines zurückversetzten Schnittpunkts 63 der Taumelachse 56 mit dem Kippwinkel α zur Mittelachse 55 des Bohrgestänges 53. Das Bohrkopfgehäuse 50 besitzt seinen größten Durchmesser in der Radialebene dieses Schnittpunktes. Seine äußere Formgestalt ist im wesentlichen durch zwei konische rotationssymmetrische Bereiche gekennzeichnet, von denen der untere 60 der radialen Vorverdichtung, und der sich anschließende 61 der radialen Nachverdichtung des durchteuften Bodenmaterials dient. Die äußere Kontur des rotierbaren Körpers wird vervollständigt durch einen Ring 68 mit konischer Mantelfläche 62, welche für die Aufgabe des radialen Druckabbaus vorgesehen ist. Die Einheit aus Bohrkopfgehäuse 50 und Ring 68 ist auf dem Bohrkopfträger 51 drehbar gelagert. Die Lagerung ist im oberen Bereich mit einem Wälzlager 64 gestaltet, dessen Hauptaufgabe darin besteht, die im Betrieb auftretenden Axialkräfte vom Bohrkopfgehäuse auf den Bohr­ kopfträger zu übertragen. Für die Aufnahme der auftretenden Radialkräfte werden einfache Gleitlager herangezogen, wobei der Bohrkopfträger 51 mit drei abgestuften Lagerflächen 57, 58, 59 versehen ist, welche mit entsprechenden Passungen des Bohrkopfgehäuses kor­ respondieren. Die mit Fett oder Öl geschmierten Lagerungen sind gegen das Eindringen von Schmutz mittels der Dichtungen 65 und 66 geschützt. Bohrkopfträger und Bohrkopf­ gehäuse weisen eine Bohrung 54 auf, welche im Übergangsbereich 52 des Bohrkopf­ trägers in das hohlgebohrte Bohrgestänge 53 einmündet, und so die Zufuhr von Bohr­ spülung ermöglicht. Die Stirnfläche des Bohrkopfes ist als kreisringförmige Fläche ausge­ bildet und mit Nuten 67 versehen, welche noch in die benachbarte Kegelfläche hinein ver­ laufen. Die so gebildete Profilierung kann wahlweise noch durch Rippen bzw. Zähne ergänzt werden, um in diesem Bereich eine Art Bohrkrone zu realisieren. Bei der Rotation des Bohrgestänges und der Eigendrehung des Bohrkopfgehäuses aufgrund des Abwälzens an der Bohrlochwand beschreibt die kronenartige Stirn des Bohrkopfs auf der Bohrloch­ sohle eine verschleppte Hypozykloide und gräbt sich dabei in das anstehende Boden­ material ein. Wegen der ständigen Rotation des Bohrkopfs wird eine ungleichmäßige Abnutzung des kronenartigen Bereichs zuverlässig unterbunden.

Der in Fig. 5 gezeigte Bohrkopf ist prinzipiell für den Betrieb mit Bohrspülung vorgesehen. Dabei sind unterschiedliche Spülungsdrücke einsetzbar. Eine Zufuhr von Bohrspülung mit hohem Druck ermöglicht, mit dem an der Bohrkopfstirn austretenden Spülungsstrahl den Abtrag des Bohrgutes zu unterstützen. Die Spülungszufuhr kann jedoch auch sehr sparsam erfolgen, um lediglich für eine zeitlich begrenzte Spanne die Bohrlochwandung zu stabili­ sieren und so deren Einbrechen zu verhindern.

Die beschriebene Bauform ist dahingehend abwandelbar, die zentrale Bohrung in Bohr­ kopfgehäuse und Bohrkopfträger wegzulassen, wenn ein vorzugsweise trockener Betrieb angestrebt ist. Eine sparsame Zugabe von Spülung ist dann z. B. über das Bohrgestänge mit einer oberhalb des Bohrkopfs angebrachten Austrittsöffnung (siehe Einzelheit 36, Fig. 3) wahlweise während des Abteufens oder Ziehens des Bohrgestänges möglich.

In den gezeigten Beispielen wird die Taumelbewegung des Bohrkopfes direkt durch die Drehung des Bohrstrangs erzeugt. Abweichend hiervon wird alternativ die Möglichkeit angeboten, für den Taumelantrieb andere Antriebsmittel heranzuziehen, z. B. einen inte­ grierten Elektro-, Druckluft- oder Hydraulikmotor.

Des weiteren ist der Einsatz des Verfahrens nicht auf subvertikale Bohrungen beschränkt, sondern im Gegenteil z. B. auch für den horizontalen Vortrieb bestens geeignet. Bei ent­ sprechender Aufrüstung und Anpassung des Bohrstrangs sind sogar abgelenkte Bohrungen problemlos zu realisieren.

In jedem Fall wird mit der Erfindung ein Bohrverfahren und ein entsprechender Bohrkopf zur Verfügung gestellt, womit ein sehr einfaches und kostengünstiges Niederbringen von Flach- bzw. Horizontalbohrungen ermöglicht wird. Der Einsatz von Bohrspülung ist nicht zwingend erforderlich, jedoch möglich, es wird nur eine geringe Antriebsleistung benötigt und der Verschleiß am Bohrkopf ist sehr gering. Mit einer sorgfältigen Schmiermittel­ befüllung bzw. einem entsprechenden Druckausgleich ist eine sehr hohe Lebensdauer des Bohrkopfes zu erwarten.

Claims (17)

1. Verfahren zur Erstellung von geotechnischen Bohrungen beliebiger Vortriebsrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziger angespitzter, um eine zur Vortriebsrichtung mit dem Winkel α gekippte Achse 13 drehbar gelagerter Bohrkörper mittels des Umlaufs die­ ser Achse in Taumeldrehungen versetzt wird, wobei seine Spitze 17 im wesentlichen mit dem axialen Mittelpunkt 16 des Bohrstrangs 3 übereinfällt und seine Mantelfläche mit einem tangential umschlungenen Teilbereich mindestens während des Vortriebs eine ver­ dichtende Wirkung im wesentlichen wälzend auf die Bohrlochwandung ausübt.

2. Verfahren zur Erstellung von geotechnischen Bohrungen beliebiger Vortriebsrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziger, um eine zur Vortriebsrichtung mit dem Winkel α gekippte Achse 56 drehbar gelagerter Bohrkörper 50, 68 mittels des Umlaufs dieser Achse in Taumeldrehungen versetzt wird, wobei ein hinter der Spitze bzw. Stirn des Bohr­ körpers liegender Punkt seiner Drehachse auf der Mittelachse 56 des Bohrstrangs 53 posi­ tioniert ist und seine Mantelfläche mit mindestens einem tangential umschlungenen Teil­ bereich während der Rotation des Bohrgestänges eine verdichtende Wirkung im wesent­ lichen wälzend auf die Bohrlochwandung ausübt.

3. Bohrverfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche des Bohrkörpers im wesentlichen wahlweise eine Kreis- oder Kreisringfläche ist und die auf dem Außendurchmesser dieser Stirnfläche liegenden Punkte während des Betriebs in ihrer Bewegungsebene auf Bahnen in Gestalt verschleppter Hypozykloiden ablaufen.

4. Bohrverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bohrgestänge oberhalb des Bohrkörpers mit mindestens einem auf dem Bohrstrang in Reaktionsrichtung des Bohrkörpers exzentrisch zu dessen Mittelachse drehbar gelagerten Gegenlager 25 an der Bohrlochwandung abgestützt wird.

5. Bohrkopf zur Ausführung der Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem drehbar auf einem Bohrkopfträger 5 gelagerten und im wesentlichen rotationssymmetrischen Bohrkopfgehäuse 1 besteht, der genannte Bohrkopf­ träger 5 mit seiner eigenen Mittelachse 13 gegen die Mittelachse 16 des Bohrgestänges 3 bzw. der Kupplungsmuffe 2 des Bohrkopfes um einem Winkel α geneigt ist, und die Spitze 17 des Bohrkopfgehäuses 1 auf der Mittelachse 16 positioniert ist.

6. Bohrkopf zur Ausführung der Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem drehbar auf einem Bohrkopfträger 51 gelagerten und im wesentlichen rotationssymmetrischen Bohrkopfgehäuse 50 besteht, der genannte Bohr­ kopfträger 51 mit seiner eigenen Mittelachse 56 gegen die Mittelachse 55 des Bohr­ gestänges 53 um einem Winkel α geneigt ist, und ein auf der Achse hinter der Spitze bzw. Stirn liegender Punkt 63 des Bohrkopfgehäuses 50 auf der Mittelachse 55 positioniert ist.

7. Bohrkopf gemäß Ansprüchen 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Bohrkopf­ gehäuse 1 in seiner Mantelform von seiner Spitze 17 ausgehend im Durchmesser zuerst bis zu einem festlegbaren Wert zunimmt und danach zuerst weniger und dann stärker ab­ nimmt, um so in Kontakt mit der Bohrlochwandung die drei funktionellen Bereiche Auf­ weitung, radiale Nachverdichtung und Druckabbau zu bewirken.

8. Bohrkopf gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Nase 14 mittels einer Verbindung 15 austauschbar ankuppelbar ist.

9. Bohrkopf gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Bohrkopfträger und Bohrkopfgehäuse zum hohlen Bohrgestänge verbindbar durchbohrt sind, um einen Strömungsweg für ein flüssiges Medium (z. B. Bohrspülung) zu einem vorn am Bohrkopf liegenden Bereich (z. B. Bohrkopfspitze bzw. Bohrkopfstirn) zu bil­ den.

10. Bohrkopf gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der vordere Bohrkopfbereich zwecks Bildung einer Art Bohrkrone mit Nuten bzw. Rillen und/oder Zähnen bzw. Rippen ausgerüstet ist.

11. Bohrkopf gemäß einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der an der Dichtung 9 anstehende und auf die Lager 7, 8 durch­ greifende Umgebungsdruck durch Anlegen eines mindestens gleich hohen Gegendrucks über einen Druckausgleichsweg 36, 37, 38 kompensiert ist.

12. Bohrkopf gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß in den Druckausgleichs­ weg ein Trennglied, z. B. ein Freikolben 33, zwecks Medientrennung eingefügt ist.

13. Bohrkopf gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegendruck höher als der Umgebungsdruck ist und die Druckdifferenz wahlweise durch die Masse des Trenn­ gliedes und die einwirkende Schwerkraft, und/oder mittels einer elastischen Feder, bzw. mit Hilfe eines Druckspeichers (z. B. Gasdruck) erbracht wird.

14. Bohrkopf gemäß einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Druckausgleichsweg zwischen der Dichtung 9 und einem Trennglied (z. B. Freikolben 33) mit einem Schmiermittel (z. B. Fett oder Öl) befüllt ist.

15. Bohrkopf gemäß einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ihm in einem axialen Abstand entgegengesetzt zur Vortriebsrichtung min­ destens ein an der Bohrlochwandung abstützbares Gegenlager zugeordnet ist, welches auf dem Bohrstrang exzentrisch zu dessen Mittelachse drehbar gelagert ist.

16. Bohrkopf gemäß Anspruch 15 mit nur einem Gegenlager, dadurch gekennzeichnet, daß dessen Exzentrizitätsachse 28 in Richtung zu der vom Bohrkopf ausgehenden Reak­ tionskraft angeordnet ist.

17. Bohrkopf gemäß Anspruch 15 mit zwei Gegenlagern, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen Exzentrizitätsachsen im Winkel von +/-60° zur Richtung der vom Bohrkopf ausgehenden Reaktionskraft angeordnet sind.