DE19850183A1 - Schlagbohrkopf - Google Patents

Abstract

Ein Schlagbohrkopf für die Horizontalspülbohrtechnik umfaßt mindestens eine Austrittsdüse (18) für Bohrsuspension, einen in einer Arbeitskammer (20) des Schlagbohrkopfes bewegbar angeordneten Schlagkolben (28), der durch die Bohrsuspension in der Arbeitskammer (20) druckbeaufschlagbar ist, ein ortsfest im Schlagbohrkopf angeordnetes Anschlagelement (36), ein Federelement (30) in der Arbeitskammer (20), das mit dem Schlagkolben (28) zusammenwirkt, sowie mindestens eine verschließbare Austrittsöffnung (26) für Bohrsuspension in der Arbeitskammer (20) des Schlagbohrkopfes.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Schlagbohrkopf für die Horizontalspülbohrtechnik.

Stand der Technik

Bei geologischen Bedingungen wie Mittel- bis Grobkiesen, Lockergesteinsschichten mit hoher natürlicher Lagerungsdichte sowie Horizonten mit Steineinlagerungen gelangt das Horizontal-Spülbohrverfahren bisher oft an die Grenzen seiner Anwendbarkeit.

Um trotz der Hindernisse das Spülbohrverfahren einsetzen zu können, wurden im Stand der Technik Spülbohrgeräte mit einem Schlagwerk ausgerüstet. Ein Schlaghammer befindet sich hierbei an dem Bohrlafettengerät außerhalb der Bohrung und übt eine zusätzliche Schlagenergie auf das Bohrgestänge aus. Eine derartige Horizontalspülbohranlage mit Schlaghammer konnte den Anwendungsbereich der Horizontalspülbohrtechnik deutlich erweitern, besaß allerdings die Nachteile, daß zum einen die Schlagenergie bei großen Bohrlängen durch die Elastizität und Dämpfungseigenschaften der einzelnen Bohrstangensegmente abgeschwächt wurde und zum anderen, daß die Bohrgestänge und auch die elektronischen Komponenten im Bohrkopf, wie der Sender, einer sehr hohen Beanspruchung und damit einem schnellen Verschleiß unterworfen waren. Daher mußten die zum Einsatz gelangenden Spülbohrlanzen den neuen Anforderungen speziell angepaßt werden und unter anderem auch mit einem speziell gedämpften Sender ausgerüstet werden. Auch die Bohrgestänge mußten dahingehend ausgelegt werden, daß diese sowohl den höheren Belastungen standhalten, aber auch ihre für ein vollkommen verlaufsgesteuertes Bohrverfahren benötigte Flexibilität behalten.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Einsatz bei einem Spülbohrverfahren vorzuschlagen, mit der ein schlagender Bohrvortrieb erzielt werden kann, ohne das Bohrgestänge einer erhöhten Belastung zu unterwerfen.

Diese Aufgabe wird durch einen Schlagbohrkopf mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, daß ein Schlagbohrkopf für die Horizontalspülbohrtechnik einen in einer Arbeitskammer des Schlagbohrkopfes bewegbar angeordneten Schlagkolben umfaßt, der durch die Bohrsuspension in der Arbeitskammer druckbeaufschlagbar ist. Dieser Schlagkolben wirkt mit einem ortsfest im Schlagbohrkopf angeordneten Anschlagelement zusammen sowie mit einem Federelement in der Arbeitskammer des Schlagbohrkopfes. Neben mindestens einer Austrittsdüse für Bohrsuspension am Schlagbohrkopf sind mindestens eine verschließbare Austrittsöffnung für Bohrsuspension in der Arbeitskammer des Schlagbohrkopfes angeordnet. Durch den Betrieb der verschließbaren Austrittsöffnung für Bohrsuspension läßt sich der Druck der Bohrsuspension in der Arbeitskammer steuern, so daß im Zusammenwirken des auf den Schlagkolben wirkenden Drucks der Bohrsuspension in der Arbeitskammer sowie des Federelementes eine hin und her gerichtete, schlagende Bewegung des Schlagkolbens erzielt werden kann.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die übrigen Ansprüche gekennzeichnet. So umfaßt nach einer bevorzugten Ausführungsform der Schlagbohrkopf weiterhin eine Bypassleitung im Mantel des Schlagbohrkopfes, die mit der Zufuhrleitung für Bohrsuspension und mit der mindestens einen Austrittsdüse für Bohrsuspension in Strömungsverbindung steht. Die Bypassleitung stellt sicher, daß auch während der für den Betrieb des Schlagbohrkopfes notwendigen Druckänderungen der Bohrsuspension in der Arbeitskammer eine stetige Beaufschlagung der Austrittsdüse für Bohrsuspension gewährleistet ist.

Vorzugsweise ist der Schlagkolben zwischen einer ersten Position, in welcher der Schlagkolben von dem Anschlagelement beabstandet ist und die mindestens eine Austrittsöffnung für Bohrsuspension geschlossen ist und einer zweiten Position bewegbar, in welcher der Schlagkolben das Anschlagelement berührt und die mindestens eine Austrittsöffnung für Bohrsuspension geöffnet ist. Nur in der zweiten Position, in welcher der Schlagkolben das Anschlagelement berührt, ist die Austrittsöffnung für Bohrsuspension geöffnet. Hierdurch wird gewährleistet, daß nach dem Auftreffen des Schlagkolbens auf das Anschlagelement der Druck in der Arbeitskammer stark abfällt, wodurch die von dem Feder- bzw. Dämpfungselement auf den Schlagkolben ausgeübte Kraft den Schlagkolben wieder von dem Anschlagelement wegbewegt, wobei gleichzeitig die Austrittsöffnung für Bohrsuspension wieder geschlossen wird.

Vorzugsweise liegt der Schlagkolben eng an demjenigen Bereich oder denjenigen Bereichen der Wandung der Arbeitskammer an, welcher bzw. welche die mindestens eine Austrittsöffnung für Bohrsuspension aufweist bzw. aufweisen, wobei die mindestens eine Austrittsöffnung für Bohrsuspension vom Schlagkolben verschließbar ist bzw. sind. Dies stellt eine sehr einfache technische Lösung dar, um die Öffnung bzw. das Verschließen der Austrittsöffnung für Bohrsuspension in Abhängigkeit von der Bewegung des Schlagkolbens auszuführen. Obwohl die Betätigung der Austrittsöffnung auch in einer beliebigen anderen Weise an die Bewegung des Schlagkolbens gekoppelt werden kann, entfallen nach dieser bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ein Übertragungsmechanismus zwischen der Erfassung der Bewegung des Schlagkolbens und einer Einrichtung zum Öffnen bzw. Schließen der Austrittsöffnung.

Vorzugsweise besteht der Schlagkolben aus einem Masseblock und einem Anschlagstößel, der mit der Schlagplatte in Kontakt gebracht werden kann. Diese geometrische Ausgestaltung des Schlagkolbens stellt die bevorzugte Ausführungsform dar, da auf diese Weise der Anschlagstößel von einem Federelement umgeben werden kann, aber auch eine Arbeitskammer zwischen Anschlagelement und Anschlagstößel gebildet sein kann, welche entweder den von der Bohrsuspension ausgeübten Druck auf den Schlagkolben überträgt oder aber mit einem dämpfenden Fluid gefüllt sein kann, das als Federelement dient.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist das Federelement eine Spiralfeder, die auf Druck beaufschlagbar ist. Hierdurch wird die Montage des Schlagbohrkopfes erleichtert, da die auf Druck beaufschlagte Feder lediglich lose eingelegt werden muß und, anders als eine auf Zug beaufschlagbare Feder, nicht fest mit dem Schlagkolben verbunden sein muß.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform steht die Bypassleitung mit einem Hohlraum zwischen Schlagkolben und dem Anschlagelement in Strömungsverbindung. Dies besitzt den Vorteil, daß die Arbeitskammer, welche den Schlagkolben mit Druck beaufschlagt, nur durch die eine bzw. mehrere Bypassleitungen mit geringem Strömungsquerschnitt versorgt wird und daher nach einem Öffnen der Austrittsöffnung zu einem sehr schnellen und deutlichen Druckabfall in der Arbeitskammer führt, da durch die Austrittsöffnungen die Bohrsuspension schneller austritt als diese durch die Bypassleitung bzw. Bypassleitungen nachgefördert werden kann.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die mindestens eine Austrittsdüse für Bohrsuspension rotierbar. Der Druck der Bohrsuspension wird somit ausgenutzt, um noch eine weitere Bewegung, welche einem schnelleren Bohrvortrieb dient, zu erzeugen.

Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Schlagbohrkopf weiterhin eine Steuerfläche zur Verlaufssteuerung des Bohrkopfes. Dies gestattet den Einsatz des Schlagbohrkopfes für die vollkommen verlaufsgesteuerte Horizontalspülbohrtechnik.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt der Schlagbohrkopf weiterhin ein Ventil in der Zuleitung für Bohrsuspension, das mit der Bewegung des Schlagkolbens zusammenwirkt. Ein derartiges Ventil kann die Gesamtmenge an Bohrsuspension, die während der Öffnung der Austrittsöffnung bzw. Austrittsöffnungen für Bohrsuspension austritt, verringern, aber auch dazu verwendet werden, den auf den Schlagkolben wirkenden Druckimpuls zu verstärken.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird die Erfindung rein beispielhaft anhand der beigefügten Figuren beschrieben, in denen:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform eines schlagenden Bohrkopfes ist, wobei der Schlagkolben in einer ersten Position von der Schlagplatte entfernt dargestellt ist;

Fig. 2 den schematisch dargestellten Bohrkopf gemäß Fig. 1 zeigt, wobei der Schlagkolben in einer zweiten Position in Kontakt mit der Schlagplatte ist; und

Fig. 3 eine alternative Ausführungsform eines Schlagbohrkopfes in einer Darstellung analog zu Fig. 1 zeigt, wobei der Schlagkolben in einer Position im Anschlag mit der Schlagplatte ist.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In den Fig. 1 und 2 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen schlagenden Bohrkopfs dargestellt, der allgemein mit Referenzziffer 10 bezeichnet ist. Der Bohrkopf 10 ist Teil einer vollsteuerbaren Horizontalspülbohrlanze. Allerdings ist die Erfindung in gleicher Weise auf Bohrköpfe anwendbar, die rotationssymmetrisch gestaltet und nicht steuerbar sind.

Der Bohrkopf weist einen im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildeten Grundkörper 12 sowie eine Steuerfläche 14 auf, die der gezielten Richtungskorrektur des Bohrkopfes dient. Alternativ können auch weitere Steuerhilfsflächen vorgesehen sein. Die üblicherweise nahe dem Bohrkopf angeordnete Sendeeinrichtung ist nicht in dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten vorderen Bereich des Bohrkopfes angeordnet, sondern etwas zurückversetzt, damit ein möglichst geringer Anteil der erzeugten Schlagenergie im Bohrkopf auf die Sendeeinrichtung übertragen wird. Wie bereits im Zusammenhang mit dem Stand der Technik diskutiert wurde, kommt auch bei dem schlagenden Bohrkopf 10 bevorzugt eine speziell gedämpfte Sendeeinrichtung zum Einsatz.

An der Stirnfläche 16 des Bohrkopfes befindet sich eine Austrittsdüse 18, aus der Bohrsuspension unter hohem Druck austritt und das Gestein lockert.

Die Austrittsdüse 18 wird mit Bohrsuspension versorgt, die im hohlen Bohrgestänge zum Bohrkopf gepumpt wird. Die Bohrsuspension füllt den Hohlraum 20 im Inneren des Bohrkopfes 10 und wird über eine Zufuhrleitung 22 zu einer Kammer 24 transportiert, von der aus die Bohrsuspension der Austrittsdüse 18 zugeführt wird. Selbstverständlich können im zylinderförmigen Mantel des Grundkörpers 12 auch mehrere Zufuhrleitungen 22 vorgesehen sein. Wenn auch im dargestellten Beispiel in Fig. 1 nur eine einzige Austrittsdüse 18 gezeigt ist, so sollte deutlich sein, daß selbstverständlich eine beliebige Anzahl weiterer Austrittsdüsen vorhanden sein kann.

Der Druck der Bohrsuspension in den kommunizierenden Hohlräumen bzw. Leitungen 20, 22 und 24 kann zwischen ca. 20 bar und 400 bar liegen.

Im Grundkörper 12 des Bohrkopfes 10 befinden sich eine oder mehrere Auslauföffnungen 26, deren Funktion später eingehender erläutert werden wird. Vorzugsweise befinden sich gleichmäßig über den Umfang des Grundkörpers 12 verteilt drei oder vier Auslauföffnungen 26, damit, wie später eingehend erläutert wird, eine Beeinflussung der Richtung des Bohrkopfes durch ein unidirektionales Austreten von Bohrsuspension vermieden wird.

Das Innere des Grundkörpers 12 ist zylinderförmig ausgebildet und in den Grundkörper 12 ist ein Schlagkolben 28 eingesetzt, der rotationssymmetrisch ausgebildet ist und Außenabmessungen besitzt, die eine enge Passung mit dem zylindermantelförmigen Innenmantel des Grundkörpers 12 herstellen.

Der Schlagkolben 28 besteht aus einem massiven, zylindermantelförmigen Masseblock 28a sowie einem vorzugsweise einstückig mit dem Masseblock 28a ausgebildeten Anschlagstößel 28b, der ebenfalls rotationssymmetrisch ausgebildet ist, aber einen geringeren Außendurchmesser besitzt als der Innendurchmesser des Grundkörpers 12, so daß ein Federelement 30 zwischen dem Anschlagstößel 28b und dem Innenmantel des Grundkörpers 12 eingesetzt werden kann und gegen den ringförmigen Absatz 32 wirken kann, der im Bereich der Erweiterung des Außendurchmessers des Schlagkolbens 28 vom Anschlagsstößel 28b mit geringerem Durchmesser zum Masseblock 28a mit größerem Durchmesser gebildet ist.

Das Federelement 30 ist in Fig. 1 als Spiralfeder dargestellt, doch sind selbstverständlich auch andere Federelemente denkbar, wie z. B. kegelstumpfförmige Federelemente, die gegensinnig und gleichsinnig aufeinander aufgeschoben und kombiniert werden können, um beliebige gewünschte Federcharakteristika darstellen zu können.

Der Anschlagstößel 28b weist eine kreisflächenförmige Schlagfläche 34 auf, die, wie später eingehender erläutert werden wird, auf die Schlagplatte 36 auftreffen kann.

Die Schlagplatte 36 ist mit dem Grundkörper 12 des Bohrkopfs verschweißt und mit einer oder mehreren Bohrungen 38 versehen, die mit der einen oder den mehreren Zufuhrleitungen 22 in Ausrichtung gebracht werden können, so daß, wie oben bereits erläutert wurde, ein durchgehender Strömungspfad vom Hohlraum 20 bis zu der Austrittsdüse 18 oder mehreren Austrittsdüsen an der Bohrkopfspitze besteht. Die Schlagplatte dient dazu, die vom Schlagkolben 28 ausgeübte Schlagenergie aufzunehmen und ist daher aus einem möglichst verschleißfesten Metall gefertigt. Die Schlagplatte 36 ist mit der Spitze 40 des Bohrkopfes 10 fest verbunden, vorzugsweise verschweißt, so daß sich nach dem Einsetzen des Schlagkolbens 28 in den zylinderförmigen Hohlraum des Grundkörpers 12 und dem Einsetzen des Federelementes 30 um und über den Anschlagstößel 28b des Schlagkolbens 28 der Bohrkopf durch das Aufschweißen der Schlagplatte 36 sowie der Spitze 40 in den in Fig. 1 dargestellten einsatzbereiten Zustand versetzen läßt.

Die Austrittsdüse 18 kann optional als rotierende Düse ausgebildet sein, wobei hierbei ein rotierender Körper in die Stirnfläche 16 eingesetzt ist und die Austrittsöffnung der Düse exzentrisch zum rotierenden Körper und mit einer Ausstoßrichtung abweichend von der radialen Richtung ausgebildet ist. Daher wird durch den Rückstoßeffekt beim Austreten von Bohrsuspension ein Drehmoment erzeugt, das die rotierende Düse selbsttätig in eine Drehbewegung versetzt.

Nachfolgend soll anhand der Fig. 1 und 2 die Funktion des schlagenden Bohrkopfes 10 erläutert werden.

Beim Betrieb des schlagenden Bohrkopfes 10 werden jeweils Betriebszyklen durchlaufen, bei denen die in Fig. 1 und 2 dargestellten Betriebszustände eine Bewegungsumkehr des Schlagbolzens 28 markieren.

Zu Beginn eines Betriebszyklus baut sich aufgrund der Zufuhr von Bohrsuspension durch die nicht dargestellte Hochdruckpumpe im Hohlraum 20 und entsprechend der Zufuhrleitung 22, 38 und in der Kammer 24 ein Druck auf, der im Hohlraum 20 eine Kraft F auf die Abschlußfläche 42 des Masseblocks 28a des Schlagkolbens 28 ausübt. Diese Kraft F ist der Kraft der Druckfeder 30 entgegengerichtet, so daß es unter der Annahme einer idealen, reibungslosen Bewegung des Schlagkolbens 28 entlang der Innenwandung des Grundkörpers 12 zu einem Kräftegleichgewicht zwischen der Federkraft und der durch den Aufbau des Drucks im Hohlraum 20 auf die Abschlußfläche 42 wirkenden Drucks kommt. Der Druck im Hohlraum 20 baut sich innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne auf und erzeugt eine Druckkraft, welche die Druckkraft der Feder deutlich überschreitet. Hierdurch wird, wie in Fig. 2 dargestellt ist, der Schlagkolben 28 in Pfeilrichtung A mit großer Geschwindigkeit bewegt, bis die Schlagfläche 34 des Anschlagstößels 28b gegen die Schlagplatte 36 stößt und die kinetische Energie auf diese überträgt.

Wenn der Schlagkolben 28 in Kontakt mit der Schlagplatte 36 tritt, wird die bzw. werden die Auslauföffnungen 26 freigelegt, so daß Bohrsuspension in Pfeilrichtung B (siehe Fig. 2) aus dem Hohlraum 20 direkt in das die Bohrung umgebende Erdreich entweichen kann. Die Position der Auslauföffnungen 26 bzw. die Geometrie des Schlagkolbens 28 ist somit so abgestimmt, daß exakt zu dem Zeitpunkt, zu dem der Schlagkolben 28 auf die Schlagplatte 36 auftrifft, die Auslauföffnung 26 in Strömungsverbindung mit dem Hohlraum 20 tritt und der Druck im Hohlraum 20 durch das Ausströmen von Bohrsuspension sprunghaft herabgesetzt wird.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, liegt bei sämtlichen anderen Positionen des Schlagkolbens relativ zur Schlagplatte die Auslauföffnung 26 zwischen der zylinderförmigen Außenwand des Masseblocks 28a des Schlagkolbens und der Innenwand des Grundkörpers 12, zwischen denen eine eng tolerierte Gleitpassung besteht, wie oben bereits erläutert wurde. Daher ist die Auslauföffnung 26 immer versperrt, außer zum Zeitpunkt des Auftreffens des Schlagkolbens auf die Schlagplatte.

Nachdem Bohrsuspension aus dem Hohlraum 20 durch die Auslauföffnung 26 in das umgebende Erdreich ausgestoßen wurde, ist der Druck im Hohlraum 20 deutlich verringert, so daß auch die Kraft F auf die Abschlußfläche 42 des Masseblocks 28a deutlich verringert ist. Sobald die Kraft F geringer als die Federkraft des Federelements 30 ist, bewegt sich der Schlagkolben 28 vom Grundkörper 12 weg und versperrt damit die Auslauföffnungen 26, so daß sich erneut über die Zuförderung der Bohrflüssigkeit von der externen Pumpe der Druck im Hohlraum 20 aufbauen kann. Wenn die Druckkraft F auf den Masseblock die Federkraft erreicht hat, endet die Verschiebebewegung des Schlagkolbens 28 entgegen der Pfeilrichtung A und bei weiterer Zunahme der Druckkraft F kehrt sich die Bewegungsrichtung des Schlagkolbens um und der Schlagkolben bewegt sich wieder in Pfeilrichtung A.

Eine Möglichkeit zur Optimierung des Betriebs des schlagenden Bohrkopfes liegt darin, in der Zufuhrleitung für die Bohrsuspension ein Ventil anzuordnen, das gezielt so gesteuert werden kann, daß während des Ausströmens von Bohrsuspension durch die Auslauföffnungen 26 der Nachschub an Bohrsuspension unterbunden wird, so daß während des schlagenden Betriebs nur eine geringe Menge an Bohrsuspension durch die Auslauföffnungen abströmt.

Alternativ kann ein Ventil auch zwischen dem Mündungsbereich 44 der Zufuhrleitung 22 in dem Hohlraum 20 und dem Schlagkolben 28 angeordnet werden, so daß der schlagende Betrieb des Bohrkopfes nur dann startet, wenn ein vorgegebener Schwellenwert in der Zufuhrleitung überschritten wird. Ist der Druck der Bohrsuspension in der Zufuhrleitung unter dem Schwellenwert, so schließt das Ventil und Bohrsuspension wird lediglich über die als Bypass wirkende Zufuhrleitung 22 zur Spitze 40 des Bohrkopfes geleitet.

Eine mögliche alternative Ausführungsform (nicht dargestellt) weist keine Feder, sondern einen geschlossenen Fluidraum zwischen Schlagkolben und Schlagplatte auf, so daß das Gas oder die Flüssigkeit als Dämpfer bzw. Federelement wirkt und die Druckkraft des komprimierten Fluids die Federkraft ersetzt.

Fig. 3 zeigt eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen, schlagenden Bohrkopfs 100, bei der gleiche oder ähnliche Elemente mit denselben Referenzziffern wie in den Fig. 1 und 2 bezeichnet sind.

Wie aus der Fig. 3 ersichtlich ist, besteht der wesentliche Unterschied zu der ersten, in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform darin, daß das Federelement 30 zwischen einem fest im Grundteil 12 des Bohrers angeordneten Halteelement 50, im Beispiel in Fig. 3 in Form einer Halteplatte 50 ausgebildet, und dem Masseblock 28a des Schlagkolbens 28 eingesetzt ist. Das Halteelement 50 dichtet den Federbereich gegen einströmende Bohrsuspension ab, d. h. der Bereich, der durch den Innenmantel des Grundkörpers zwischen dem Halteelement 50 und dem Masseblock 28a des Schlagkolbens 28 gebildet ist, bleibt trocken.

Der Hohlraum 20 ist bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 im Bereich zwischen dem Anschlagstößel 28b und der Schlagplatte 36 sowie um den Anschlagstößel 28b herum angeordnet. Die Bohrsuspension bzw. das Mud strömt durch das Bohrgestänge und durch die im Zylindermantel des Grundkörpers 12 eingebrachte Zufuhrleitung 22 in den Hohlraum 20 ein und wirkt eine Kraft F aus, die dahingehend wirkt, den Anschlagstößel 28b des Schlagkolbens 28 von der Schlagplatte 36 zu entfernen. Dieser Kraft wird durch die Federkraft, die das Federelement 30 auf den Schlagkolben 28 ausübt, entgegengewirkt.

Somit sind im Vergleich zu der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2 die Richtungen der von der Bohrsuspension ausgeübten Kraft sowie der von dem Federelement ausgeübten Kraft bezüglich ihrer Richtung entgegengesetzt.

Beim Betrieb strömt Bohrsuspension unter hohem Druck durch die Zufuhrleitung 22 in den Hohlraum 20 ein und übt eine Kraft auf den ringförmigen Absatz 32 zwischen dem Masseblock 28a sowie dem Anschlagstößel 28b des Schlagkolbens 28 aus, bis sich der verschiebbar im Grundkörper 12 angeordnete Schlagkolben 28 in Pfeilrichtung B bewegt und dabei das Federelement 30 unter Speicherung von Energie komprimiert. Sobald der ringförmige Absatz 32 die Auslauföffnungen 26 (in Fig. 3 ist nur eine Auslauföffnung dargestellt, doch analog zu den Erläuterungen im Zusammenhang mit der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2 sind vorzugsweise mehrere Auslauföffnungen vorgesehen) freilegt, strömt Bohrsuspension aus den Auslauföffnungen 26 aus, wodurch sich der Druck im Hohlraum 20 abrupt verringert. Hierdurch entsteht ein Ungleichgewicht der Kraft F und der entgegengerichteten Federkraft, wodurch sich das Federelement 30 schlagartig expandiert und den Anschlagstößel 28b gegen die Schlagplatte 36 treibt. Dieser Zustand ist in Fig. 3 dargestellt.

Anschließend beginnt ein neuer Betriebszyklus, im Laufe dessen sich der Druck an Bohrsuspension im Hohlraum erneut so lange aufbaut, bis eine Bewegung des Schlagkolbens 28 in Pfeilrichtung B beginnt und so lange fortgesetzt wird, bis der ringförmige Absatz sich bis zu den Auslauföffnungen 26 bewegt hat und wieder Bohrsuspension auslaufen kann.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, speist der Hohlraum 20 auch die an der Spitze 40 des Bohrkopfs angeordneten Düsen 18, wobei im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 nur eine Austrittsdüse 18 in der Stirnfläche 16 angeordnet ist. Analog zu den Ausführungen im Zusammenhang mit der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2 können mehrere Düsen am Bohrkopf vorgesehen sein und diese zudem rotierend gestaltet sein.

Die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung kann durch die geeignete Wahl des Federelementes ebenfalls so ausgelegt werden, daß der schlagende Betrieb erst ab einem vorgegebenen Schwellenwert des Drucks in der Bohrflüssigkeit beginnt. Erst wenn der hydraulische Druck so groß ist, daß die Vorspannkraft des Federelementes überwunden wird, beginnt der schlagende Betrieb des Bohrkopfes. Somit kann bei wechselnden, zu durchdringenden Horizonten die jeweilige Betriebsweise des Bohrkopfes in bestmöglicher Weise an die Gegebenheiten angepaßt werden.

In den Ausführungsformen gemäß Fig. 1 bis 3 wurde jeweils die Verwendung einer Druckfeder dargestellt. In gleicher Weise ist aber auch eine modifizierte Ausführungsform gemäß Fig. 3 unter Verwendung einer Zugfeder denkbar. Hierbei ist die Halteplatte 50 mit Durchtrittsöffnungen für Bohrsuspension versehen, so daß sich in dem Raum zwischen Schlagkolben 28 und der Halteplatte 50 Bohrsuspension unter dem vorgegebenen Druck befindet. Der Raum zwischen dem Schlagkolben und der Anschlagplatte ist hingegen trocken ausgeführt, d. h. die durch die Bypassleitung strömende Bohrsuspension wird direkt zu der bzw. den Austrittsdüsen an der Spitze des Bohrkopfs geleitet. Beim Betrieb dieser alternativen Ausführungsform baut sich der Druck in der Zufuhrleitung und somit auch in der Kammer im Bereich der Zugfeder auf, wodurch gegen die Zugkraft der Zugfeder der Schlagkolben in Richtung auf die Anschlagplatte getrieben wird. Wenn der Schlagkolben auf die Anschlagplatte auftrifft, werden analog zu den vorher beschriebenen Ausführungsformen die Auslauföffnungen freigelegt, so daß sich der Druck in der Kammer zwischen der Halteplatte 50 und dem Schlagkolben verringert und die auf den Schlagkolben wirkende Druckkraft geringer als die Zugkraft der Zugfeder wird. Daher wird der Schlagkolben wieder zurückgezogen, so daß sich dieser von der Schlagplatte entfernt. Wie deutlich sein wird, kann bei dieser Ausführungsform der Schlagkolben eine über seine gesamte Länge zylinderförmige Geometrie aufweisen, vergleichbar dem Masseblock 28a in den Ausführungsformen gemäß Fig. 1 bis 3.

Es müssen lediglich Vorkehrungen getroffen werden, um eine feste Verbindung zwischen dem Federelement und dem Schlagkolben vorzusehen, so daß die von der Feder ausgeübte Zugkraft auf den Schlagkolben übertragen werden kann.

Claims (12)

1. Schlagbohrkopf für die Horizontalspülbohrtechnik, umfassend:

• 1. mindestens eine Austrittsdüse (18) für Bohrsuspension;
• 2. einen in einer Arbeitskammer (20) des Schlagbohrkopfes bewegbar angeordneten Schlagkolben (28), der durch die Bohrsuspension in der Arbeitskammer (20) druckbeaufschlagbar ist;
• 3. ein ortsfest im Schlagbohrkopf angeordnetes Anschlagelement (36);
• 4. ein Federelement (30) in der Arbeitskammer (20), das mit dem Schlagkolben (28) zusammenwirkt; und
• 5. mindestens eine verschließbare Austrittsöffnung (26) für Bohrsuspension in der Arbeitskammer (20) des Schlagbohrkopfes.

2. Schlagbohrkopf nach Anspruch 1, weiter umfassend:
eine Bypassleitung (22) im Mantel des Schlagbohrkopfes, die mit der Zufuhrleitung für Bohrsuspension und mit der mindestens einen Austrittsdüse (18) für Bohrsuspension in Strömungsverbindung steht.

3. Schlagbohrkopf nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlagkolben (28) bewegbar ist zwischen

• 1. einer ersten Position, in welcher der Schlagkolben (28) von dem Anschlagelement (34) beabstandet ist und die mindestens eine Austrittsöffnung (26) für Bohrsuspension geschlossen ist; und
• 2. einer zweiten Position, in welcher der Schlagkolben (28) das Anschlagelement (34) berührt und die mindestens eine Austrittsöffnung (36) für die Bohrsuspension geöffnet ist.

4. Schlagbohrkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlagkolben eng an demjenigen Bereich/denjenigen Bereichen der Wandung der Arbeitskammer (20) anliegt, welcher/welche die mindestens eine Austrittsöffnung für Bohrsuspension aufweist/aufweisen; wobei die mindestens eine Austrittsöffnung (26) für Bohrsuspension vom Schlagkolben (28) verschließbar ist/sind.

5. Schlagbohrkopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlagkolben (28) aus einem Masseblock (28a) und einem Anschlagstößel (28b) besteht, der mit der Schlagplatte (36) in Kontakt gebracht werden kann.

6. Schlagbohrkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlagstößel (28b) von dem Federelement (30) umgeben ist.

7. Schlagbohrkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (30) eine Spiralfeder ist, die auf Druck beaufschlagbar ist.

8. Schlagbohrkopf nach Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 3 bis 7, sofern diese von Anspruch 2 abhängig sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypassleitung (22) mit einem Hohlraum zwischen Schlagkolben (28) und dem Anschlagelement (36) in Strömungsverbindung steht.

9. Schlagbohrkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Austrittsdüse (18) für Bohrsuspension rotierbar ist.

10. Schlagbohrkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 9, weiter umfassend eine Steuerfläche (14) zur Verlaufssteuerung des Spülbohrkopfes.

11. Schlagbohrkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 10, weiter umfassend ein Ventil in der Zuleitung für Bohrsuspension, das mit der Bewegung des Schlagkolbens zusammenwirkt.

12. Lafettenbohrgerät mit einem Bohrgestänge und einem Schlagbohrkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 11.