DE19955345A1 - Bohrkopf mit Energieerzeugungsvorrichtung - Google Patents

Abstract

Eine Spülbohreinrichtung umfaßt eine Zuleitung (20) für Bohrsuspension und mindestens eine Austrittsöffnung (18) für Bohrsuspension im Bohrkopf. Die Spülbohrvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß diese eine Energieerzeugungseinrichtung umfaßt, die vorzugsweise im Bereich des Bohrkopfes angeordnet ist und aus der Strömungsenergie der Bohrsuspension Energie gewinnt.

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Spülbohrvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Spülbohrvorrichtungen werden betrieben, indem Bohrsuspension oder Dispersion aus mindestens einer Austrittsöffnung im Bohrkopf austritt und das den Bohrkopf umgebende Gestein lockert bzw. schneidet, um den Vortrieb des Bohrkopfes zu ermöglichen. Von einer Startgrube aus wird mit einer Bohrlanze horizontal gebohrt, wobei Bohrsuspensionen unter hohem Druck aus definiert gerichteten Düsen am Bohrkopf austritt. Ein Kleinsttunnel entsteht, wobei grobes und z. T. feines Bodenmaterial in die umgehende Matrix umgelagert und ein feinkörniger Anteil durch die Bohrsuspension entlang der Bohrung in die Startgrube ausgetragen wird.

Eine Spülbohrvorrichtung kann auch mit einem gesteuerten oder steuerbaren Bohrkopf betrieben werden. Hierbei erfolgt die Bohrung gezielt: ein Sender im Bohrkopf gewährleistet eine genaue Ortung und eine exakte, dreidimensionale Steuerung. Hierdurch können bereits verlegte Kabel, Leitungen und Abwasserkanäle oder andere Hindernisse umgangen werden oder auch ein bereits vorab vorgegebener, nicht linearer Trassenverlauf der Bohrung realisiert werden.

Um den Sender im Bereich des Bohrkopfes zu betreiben, aber auch um beispielsweise eine Felsbohrkrone am Bohrkopf in Bewegung zu setzen, ist Energie erforderlich, die dem Bohrkopf zugeführt werden muß. Aufgrund der teilweise beträchtlichen Bohrlängen und der Zusammensetzung des Bohrgestänges aus einzelnen Schüssen (= Bohrstangenlängen) ist es somit erforderlich, die im Bereich des Bohrkopfes benötigte Energie über die einzelnen Bohrgestängeschüsse bis zum Bohrkopf zu leiten und dort zur Verfügung zu stellen.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spülbohrvorrichtung so auszugestalten, daß nutzbare Energie im Bereich des Bohrkopfes vorhanden ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Spülbohrvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, eine Energieerzeugungseinrichtung, vorzugsweise im Bereich des Bohrkopfes, vorzusehen, um aus der Strömungsenergie der Bohrsuspension Energie zu gewinnen. Die Bohrsuspension wird mit hohem Druck durch das Bohrgestänge zum Bohrkopf gefördert, um mit hohem Druck aus den Austrittsdüsen am Bohrkopf austreten zu können. Dieser hohe Energieinhalt der Bohrsuspension, der sowohl aus dem hohen Druck als auch aus der Strömungsgeschwindigkeit herrührt, läßt sich zur Gewinnung von Energie nutzen.

Bevorzugte Ausführungsformen sind durch die übrigen Ansprüche gekennzeichnet.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Energieerzeugungsvorrichtung ein Generator, der elektrische Energie erzeugt. Unter Zuhilfenahme der Energie der Bohrsuspension wird eine Turbine angetrieben und die erzeugte Bewegungsenergie zur Erzeugung von elektrischem Strom genutzt.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Spülbohrvorrichtung weiterhin einen Sender, der ein elektromagnetisches Feld erzeugt, wobei der Sender mit elektrischer Energie aus dem Generator versorgt wird. Es befindet sich somit im Bereich des Bohrkopfes ein "Kraftwerk", das an Ort und Stelle die für den Betrieb des Senders erforderliche elektrische Energie erzeugt. Somit ist es nicht mehr erforderlich, elektrische Energie bis in den Bereich des Bohrkopfes zu leiten.

Vorzugsweise umfaßt die Spülbohrvorrichtung weiterhin einen Akkumulator oder Kondensator, der die erzeugte elektrische Energie puffert und mit dem Generator und dem Sender verbunden ist. Da der Sender auch dann mit Energie versorgt werden soll, wenn der Bohrvortrieb angehalten wird und somit die Zufuhr von Bohrsuspension unterbrochen wird, bietet sich eine geeignete Einrichtung an, um Energie zu speichern und zu puffern. Somit wird gleichzeitig sichergestellt, daß für den Betrieb des Senders stets eine konstante Energieversorgung bereit steht, so daß die Energieversorgung nicht von den Strömungsbedingungen der Bohrsuspension, wie dem gewählten Volumenstrom der Bohrsuspension, abhängig ist.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Spülbohrvorrichtung weiterhin eine um die Längsachse des Bohrkopfes der Spülbohrvorrichtung rotierbare Bohrkrone, welche mit der Energieerzeugungseinrichtung gekoppelt ist und von dieser in Rotation versetzt wird. Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird somit die Strömungsenergie der Bohrsuspension nicht in elektrische Energie umgewandelt, sondern die von einer Turbine erzeugbare Bewegungsenergie für den Betrieb der Bohrkrone genutzt.

Vorzugsweise ist ein Untersetzungsgetriebe zwischen der Energieerzeugungseinrichtung und der Bohrkrone angeordnet. Da eine rotierbare Bohrkrone beim Vortrieb des Bohrkopfes hohe Kräfte aufnehmen muß, läßt sich auch bei einer geringen Energieentnahme durch die Bohrsuspension und einer entsprechend hohen Untersetzung zwischen der Energieerzeugungseinrichtung und der Bohrkrone eine kontinuierliche Rotation der Bohrkrone bewirken.

Selbstverständlich können die beiden oben näher ausgeführten Varianten auch miteinander gekoppelt sein, d. h. die Energie der Bohrsuspension kann sowohl zur Erzeugung elektrischer Energie wie auch Bewegungsenergie gleichzeitig genutzt werden. Auch ist es selbstverständlich möglich, andere im Raum des Bohrkopfes angeordnete Einrichtungen über die gewonnene Energie zu betreiben, wie beispielsweise rotierende Düsen am Bohrkopf, die einem verbesserten Fortschritt des Bohrkopfes im Boden dienen.

Bei steuerbaren Felsbohrköpfen, die mit einem Schraubenmotor nach dem Moineau-Prinzip angetrieben werden, kann nach oben beschriebenen Prinzip, vom Schraubenmotor Energie für den Bohrkopfsender mittels Transmission o. ä. abgenommen werden, um einen Generator zu versorgen. Durch Verlängerung der Moineauschraube kann auch direkt eine Energieerzeugungsvorrichtung bedient werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

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

Fig. 1 eine Längsansicht im Schnitt eines steuerbaren Bohrkopfes mit Sender ist;

Fig. 2 eine dreidimensionale Darstellung im teilweisem Schnitt einer Bohrvorrichtung mit Felsbohrkrone ist.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In den nachfolgenden Fig. 1 und 2 beschreiben jeweils gleiche Referenzziffern ähnliche oder gleiche Elemente in den verschiedenen Figuren.

Fig. 1 zeigt einen Bohrkopf, der allgemein mit Referenzziffer 10 bezeichnet ist. Der Bohrkopf weist eine geneigte Steuerfläche 12 auf, die sich an einen im wesentlichen zylinderförmigen Grundkörper 14 anschließt und dem Steuern des Bohrkopfes dient. Hierzu wird der gesamte Bohrkopf so gedreht, daß die Steuerfläche 12 jeweils in Richtung des Krümmungsaußenradius der geplanten Kurvenführung weist. Darüber hinaus weist der Bohrkopf eine Fläche 16 auf, in der sich Austrittsdüsen 18 für den Austritt von Bohrsuspension unter hohem Druck befinden. Die Austrittsdüsen 18 sind über eine im Bohrkopf verlaufende Leitung 20a, 20b mit den sich an den Bohrkopf anschließenden Schüssen des Bohrgestänges (nicht dargestellt) verbunden, so daß von einem Lafettenbohrgerät Bohrsuspension mit hohem Druck durch das Bohrgestänge zum Bohrkopf gepumpt werden kann und aus den Austrittsdüsen 18 aus diesem austritt.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, ist in dem. Bereich zwischen den miteinander in Verbindung stehenden Leitungen 20a, 20b für Bohrsuspension im Bohrkopf ein Flügelrad (oder Turbine) 22 angeordnet, das um eine senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 4 stehende Achse 24 rotierbar ist. Wird nun Bohrsuspension in Pfeilrichtung A durch die Leitung 20b in Richtung auf den Bohrkopf gefördert, so wird aufgrund der Formgebung der Verbindung der Leitungen 20a, 20b eine Rotation des Flügelrads 22 in Pfeilrichtung B erzeugt, die über die starr mit dem Flügelrad 22 verbundene Achse 24 in geeigneter Weise gewonnen werden kann. Anstelle des Flügelrades kann auch ein handelsübliches Förderorgan eines Mudmotors nach Prinzip eines Moineau-Motors oder ein Schraubenantrieb oder Flügelzellenantrieb eingesetzt werden.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 dient die am Flügelrad 22 bzw. der Achse 24 gewonnene Bewegungsenergie dazu, elektrischen Strom zu erzeugen, der einem Akkumulator 26 zugeführt wird. Hierzu kann sich (nicht dargestellt) eine Erzeugungsvorrichtung für elektrische Energie, wie ein Generator, in Verbindung mit der Achse 24 befinden, der den erzeugten Strom über in der Schnittdarstellung der Fig. 2 nicht sichtbare Leitungen dem Akkumulator 26 zuführt.

Der im Akkumulator 26 gespeicherte Strom kann beispielsweise zum Betrieb eines Senders 28 eingesetzt werden. Der Sender 28 befindet sich zwischen elastischen Puffern 30a und 30b in einem entsprechend dimensionierten Hohlraum im Bohrkopf 10, wobei der Puffer 30b eine in Längsrichtung verlaufende Bohrung 32 besitzt, welche der Durchführung der elektrischen Leitungen 34 dient. Es wird daher durch die elektrische Verbindung zwischen dem Sender 28 und dem Akkumulator 26 der Sender 28 auch dann betrieben, wenn aufgrund der momentan vorliegenden Betriebssituation gerade auch keine Bohrsuspension zum Bohrkopf gefördert wird und sich ein ausreichender Energievorrat im Akkumulator befindet.

Als Generator kann jeglicher in der Technik bekannter Generator, wie ein Wechselstromgenerator, Gleichstromgenerator oder auch Drehstromgenerator eingesetzt werden.

Fig. 2 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform eines Bohrkopfes 10, der eine Felsbohrkrone 36 aufweist, die in Pfeilrichtung C rotierbar ist. Diese rotierbare Felsbohrkrone 36 kann ebenfalls aus der gewonnenen Energie der Bohrsuspension betrieben werden. Hierbei wird wiederum ein Flügelrad 22 in dem Strömungsverlauf der Leitung 20 angeordnet, wobei jedoch im vorliegenden Fall als Alternative zu Fig. 1 das Flügelrad so angeordnet ist, daß die starr mit dem Flügelrad 22 verbundene Achse 24 in der Zeichenebene der Fig. 2 und im vorliegenden Beispiel parallel zur Längsrichtung des Bohrkopfes verläuft. Die Achse 24 stellt die Eingangswelle in ein Untersetzungsgetriebe 38 dar, dessen innerer Aufbau in Fig. 2 nicht näher dargestellt ist. Das Getriebe 38 wandelt die schnelle Rotation der Achse 24 mit geringem Drehmoment in eine langsame Rotation der Ausgangswelle 40 um, die dem Antrieb der Felsbohrkrone dient. Hierzu kann beispielsweise die Felsbohrkrone 36 mit einer Innenverzahnung versehen sein, in die ein Antriebsritzel eingreift, das mit der Ausgangswelle 40 starr verbunden ist und somit eine weitere Untersetzung zusätzlich zu dem bereits vorgesehen Getriebe 38 erzeugt. Der Verlauf der Leitung 20 für die Bohrsuspension ist im Fig. 2 nur beispielhaft dargestellt und kann selbstverständlich auch auf eine andere Weise erfolgen.

Neben der in Fig. 2 dargestellten Variante einer in Längsrichtung des Bohrkopfes verlaufenden Achse 24 mit einer Lagerung 42 in einem Gleitlager in der Leitung 20 und einem weiteren Gleitlager 44, das gleichzeitig die Leitung nach außen abdichtet, sind auch andere Alternativen denkbar, um das Flügelrad 22 im Strömungsbereich der Bohrsuspension anzuordnen.

In gleicher Weise ist es auch denkbar, mehrere Flügelräder vorzusehen, wobei die von einem Flügelrad erzeugte Bewegungsenergie über einen Generator in elektrischen Strom zum Betrieb eines Senders umgesetzt wird und die Bewegungsenergie des anderen Flügelrades dem Betrieb anderer Einrichtungen, wie einer Felsbohrkrone oder aber auch der Rotation von rotierenden Düsen zugeführt wird.

Der wesentliche Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß man sich den Energieinhalt der Bohrsuspension im Bereich des Bohrkopfes zunutze macht, um die je nach Ausgestaltung des Bohrkopfes und Betriebsweise des Bohrgerätes erforderlichen Einrichtungen am Bohrkopf mit Energie zu versorgen.

Claims (6)

1. Spülbohrvorrichtung, umfassend

• - eine Zuleitung (20) für Bohrsuspension; und
• - mindestens eine Austrittsöffnung (18) für Bohrsuspension im Bohrkopf (10);

dadurch gekennzeichnet, daß die Spülbohrvorrichtung eine Energieerzeugungseinrichtung (22, 24) vorzugsweise im Bereich des Bohrkopfes umfaßt, um aus der Strömungsenergie der Bohrsuspension Energie zu gewinnen.

2. Spülbohrvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieerzeugungseinrichtung ein Generator ist, der elektrische Energie erzeugt.

3. Spülbohrvorrichtung nach Anspruch 2, weiter umfassend einen Sender (28), der ein elektromagnetisches Feld erzeugt, wobei der Sender (28) mit elektrischer Energie aus dem Generator versorgt wird.

4. Spülbohrvorrichtung nach Anspruch 3, weiter umfassend einen Akkumulator (26) oder Kondensator, der die erzeugte elektrische Energie puffert und mit dem Generator und dem Sender (28) verbunden ist.

5. Spülbohrvorrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend eine um die Längsachse des Bohrkopfes (10) der Spülbohrvorrichtung rotierbare Bohrkrone (36), wobei die Bohrkrone (36) mit der Energieerzeugungseinrichtung (22, 24) gekoppelt ist und von dieser in Rotation versetzt wird.

6. Spülbohrvorrichtung nach Anspruch 5, weiter umfassend ein Untersetzungsgetriebe (38) zwischen der Energieerzeugungseinrichtung (22, 24) und der Bohrkrone.