DE202004001258U1

DE202004001258U1 - Vorrichtung zum Herstellen von Tiefbohrungen in geologischen Strukturen

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Publication number: DE202004001258U1
Application number: DE200420001258
Authority: DE
Original assignee: Max Streicher & Co KGaA GmbH
Current assignee: Max Streicher & Co KGaA GmbH
Priority date: 2004-01-28
Filing date: 2004-01-28
Publication date: 2004-04-01
Anticipated expiration: 2014-01-29
Also published as: WO2005073495A1

Abstract

Vorrichtung zum Herstellen von im Wesentlichen vertikalen Bohrungen in geologischen Schichten mittels eines Bohrwerkzeugs und eines aus einer Mehrzahl von Segmenten bestehenden Bohrstrangs, wobei die Vorrichtung aufweist:
einen vertikal aufgerichteten Bohrmast (1);
wenigstens ein Paar von Zahnstangen (14), die an dem Bohrmast (1) angebracht sind und sich parallel zueinander im Wesentlichen über die Länge des Bohrmastes (1) in dessen Längsrichtung erstrecken;
Führungsflächen (13), die an dem Bohrmast (1) angebracht sind und sich im Wesentlichen über die Länge des Bohrmastes (1) in dessen Längsrichtung erstrecken;
einen Schlitten (2), der an den Führungsflächen (13) geführt und in Längsrichtung des Bohrmastes (1) an einer Außenseite desselben verschiebbar ist;
einen Drillmotor (25) zum Drehen des Bohrstrangs, wobei der Drillmotor (25) auf dem Schlitten (2) befestigt ist und die Drehachse des Drillmotors (25) zu der Längsrichtung des Bohrmastes (1) parallel ist; und
wenigstens ein Paar von Vorschubmotoren (21), die...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Bohrvorrichtung. Genauer gesagt, bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung zum Herstellen von im wesentlichen Tiefbohrungen in geologischen Strukturen und Schichten. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung zum Herstellen von Vertikalbohrungen zur Erschließung von Lagerstätten. Hierbei umfaßt der Begriff "Lagerstätte" allgemein ein Vorkommen eines Stoffs flüssiger, gasförmiger oder fester Form oder energetisch nutzbarer Verhältnisse in geologischen Schichten, insbesondere Erdöl, Erdgas und geothermische Energie.
Stand der Technik
Vertikalbohrungen zur Exploration von Öl- und Gasfeldern sowie für Geothermieprojekte in Tiefen bis zu 9000 m werden heutzutage mit Stahlbohrgerüsten (Bohrtürmen) durchgeführt. Obwohl die verschiedensten konstruktiven Ausgestaltungen existieren, ist deren Funktionsweise grundsätzlich immer gleich. Ein Bohrwerkzeug (der Bohrkopf) ist mit einem oberhalb der Erdoberfläche angeordneten Drehantrieb durch einen Bohrstrang verbunden. Der Bohrstrang besteht aus zusammengeschraubten Standardstangen und Sondereinheiten wie Schwerstangen, nichtmagnetischen Stangen, Zentriereinheiten, Spülungsmotoren etc., die je nach Bedarf eingesetzt werden. Insbesondere werden eine Vielzahl von Standardstangen je nach Bohrfortschritt nach und nach aneinandergefügt.
Beim Bohren wird eine definierte Auflast auf das Bohrwerkzeug benötigt, um einen guten Bohrfortschritt zu erzeugen, aber gleichzeitig darf das Bohrwerkzeug nicht überlastet werden. Dazu wird das Eigengewicht des Bohrstranges als Auflast genutzt und das überschüssige Gewicht in einer Abhängevorrichtung abgefangen und geführt. Eine Abhängevorrichtung 90 nach dem Stand der Technik ist in 5 gezeigt. Demgemäß wird der Bohrstrang gehalten über einen Haken 901, der über einen aus einer Oberflasche 904, einer Unterflasche 902, dem Fahrseil 903a und dem Zugseil 903b aufgebauten Flaschenzug mit einer Seilwinde 905a mit integrierter Bremse 905b, dem sogenannten Hebewerk 905, verbunden ist. Nach der anderen Seite der Oberflasche 904 ist ein Totseil 903c mit einer Reserveseiltrommel 906 verbunden. Über diesen Aufbau (die Hebevorrichtung) wird das Gewicht von Bohrstrang und Bohrwerkzeug aufgefangen.
Zur Übertragung der Drehbewegung sind herkömmlicherweise im wesentlichen zwei Grundprinzipien bekannt. In einer ersten bekannten Anordnung, die in 6 beispielhaft dargestellt ist, wird die Drehbewegung über Mitnehmerstangen 701, sogenanne Kellystangen, die einen polygonalen (hier quadratischen) Querschnitt aufweisen, von einem Drehtisch 703 mittels eines Verbindungsstücks 702, das in den Drehtisch 703 mittels Mitnehmerstiften einrastet und welches die Kellystange 701 axial verschiebbar lagert und in Drehrichtung formschlüssig ergreift, auf den Bohrstrang 709 übertragen. Die Kellystange 701 ist in der Abhängevorrichtung 90 von 5 eingehängt und drehbar gelagert.
Eine andere Lösung des Stands der Technik ist in 7 gezeigt. Hierbei handelt es sich um einen sogenannten Topdrive 80, bei welchem die Drehbewegung von einem Drehmotor 801, der ebenfalls an der oben genannten Hebekonstruktion 90 hängt, über ein Einspannfutter 802 auf den Bohrstrang übertragen wird. Das Gegenmoment wird dabei über einen Fahrschlitten 803 auf mit dem Bohrturm fest verbundene Schienen 804 aufgenommen.
Gerichtete Bohrungen werden durch steuerbare Bohrwerkzeuge ermöglicht, soweit es der minimale Gestänge- bzw. Verrohrungsradius und die zur Verfügung stehende Auflast aus dem Eigengewicht des Stranges zulassen.
Die Bohrungen werden abschließend mit verschraubten Casingen verrohrt und zum Gebirge hin zementiert. Diese Casingrohrtouren werden auch über die Hubflaschen- und Windenkonstruktion 90 eingebaut.
Der Stand der Technik, wie er oben beschrieben ist, wirft in der Praxis die nachstehenden Probleme auf.
Durch die starre Oberflasche mit Lagerbock, die bewegliche Unterflasche, die drehbare Hakenlagerung, den Haken, die Anschlagmittel und evtl. den angehängten Top-Drive wird eine große Bauhöhe benötigt.
Durch die große Bauhöhe kann nicht nahe an Gebäuden oder in Ortschaften gebohrt werden, da Mindestabstände in Abhängigkeit von der Bauhöhe der Anlage vorgeschrieben sind. Bei Geothermieprojekten wirkt sich dies besonders nachteilig aus, da die Nähe zu Ortschaften einen entscheidenden Faktor zur Wirtschaftlichkeit darstellt. Darüber hinaus sind auch auf dem Bohrplatz Mindestabstände von Containern und Anlagen zum Bohrturm in Abhängigkeit von dessen Höhe einzuhalten (der sogenannte Kippradius), so daß der Bohrplatz relativ groß angelegt werden muß.
Zudem trägt, bedingt durch die große Bauhöhe, die Lärmemission der oberen Bauteile sehr weit. Auch dies ist in oder in der Nähe von bewohnten Gebieten oft unerwünscht.
Aus dem allgemein bekannten, seit Jahrzehnten angewendeten Prinzip einer Vertikalbohrung ergibt sich noch ein weiteres Problem. So ist der Anpreßdruck auf das Bohrwerkzeug allein von dessen Eigengewicht, dem Gewicht des Bohrstrangs und ggf. des Topdrives sowie dem Eigengewicht der Aufhängevorrichtung bestimmt. Ein Zuviel an Gewicht kann durch die Hebevorrichtung kompensiert werden, aber hiermit kann auf den Bohrstrang kein Druck ausgeübt werden.
Dadurch muß z.B. für die ersten ca. 200 m eine andere Bohrtechnik installiert werden (z.B. Lufthebeverfahren), oder der Bohrfortschritt bleibt weit hinter der unter optimalem Druck auf das Bohrwerkzeug möglichen Leistung zurück. Auch der gerichteten Bohrung sind dadurch Grenzen gesetzt, da z.B. beim Übergang in die Horizontale die Mantelreibung am Strang kontinuierlich ansteigt und bei längeren horizontalen Abschnitten irgendwann der Punkt erreicht ist, an dem das Eigengewicht aus dem vertikalen Bohrungsabschnitt für einen Vortrieb nicht mehr ausreicht. Daher ist auch die Erstellung eines durchgehenden gerichteten Bohrlochs mit Eintritt und Austritt an der Oberfläche nicht möglich. Ebenso kann in ein unter Druck stehendes, abgeschlossenes Bohrloch ohne Zuhilfenahme von Zusatztechnik nicht eingefahren werden, da beim Einfahren nicht gedrückt werden kann.
Das Hebewerk mit dem Zugseil und die Reserveseiltrommel mit dem Totseil werden entweder von der Spitze des Bohrmasts nach außen geführt oder im Inneren eines Bohrturms angeordnet. Diese Anordnung von Seiltrommeln, Umlenkrollen und Seilen erfordert einerseits einen nicht unerheblichen Stellplatz. Die unter wechselnder, teilweise sehr hoher Zugspannung stehenden und bewegten Seile stellen eine nicht unerhebliche Störquelle und Unfallgefahr dar.
Schließlich ergeben sich aus der Bauform herkömmlicher Bohrtürme einige Nachteile. So ist z.B. ein schräges Einstechen in die Oberfläche nicht möglich.
Neuere Bohrverfahren, wie z.B das Casingbohren, sind im oberflächennahen Bereich mit der herkömmlichen Technik nicht möglich.
Schließlich ist die Auf- und Abbauzeit der Bohranlagen groß. Auch sind sehr viele Transporte bei einem Baustellenwechsel notwendig. Aufgrund des hohen technischen Aufwandes sind die Bohrungen teuer; kleinere Lagerstätten können damit nicht wirtschaftlich erschlossen werden. Die benötigte Fläche zum Auf- und Abbau ist entweder sehr groß oder man braucht sehr große Kräne. In 8 ist beispielhaft ein Klappmast nach dem Stand der Technik dargestellt, der eine Gesamthöhe von fast 45 m hat. Außerdem weist der Mast nach 8 die bekannte geschlossenen Mastkonstruktionen auf, bei welcher der Bohrstrang und die gesamte Antriebs- und Abhängetechnik im Inneren einer ringsum geschlossenen Stahlfachwerkkonstruktion angeordnet ist. Dies beschränkt die Zugänglichkeit zur Bohrachse, was sich negativ auf die Möglichkeiten zum Pipehandling, also zur Handhabung der einzelnen Segmente des Bohrstrang außerhalb des Bohrlochs, auswirkt. Die Segmente des Bohrstrangs müssen sozusagen von unten "eingefädelt" werden, um in den Bohrstrang eingebaut werden zu können.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorstehenden Nachteile des Stands der Technik zu überwinden.
Das heißt, eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Herstellen von Vertikalbohrungen bereitzustellen, die in der Nähe von Ortschaften, ja sogar innerhalb von Ortschaften verwendet werden kann, deren Lärmemission im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen reduziert ist, die in der Lage ist, unabhängig vom Eigengewicht des Bohrstrangs ohne wesentliche Umbauten und Zusatzaggregate und Bauteile den optimalen Anpreßdruck auf den Bohrstrang bzw. das Bohrwerkzeug auszuüben sowie ohne wesentliche Zusatztechnik in ein unter Druck stehendes Bohrloch einzufahren und beliebige Bohrlochgeometrien einschließlich Kurven und ansteigenden Abschnitten zu bohren, die im Hinblick auf Transport, Aufbau und Abbau im Vergleich zu herkömmlichen Vorrichtungen geringere Kosten verursacht und die insgesamt eine geringe Aufbaufläche benötigt.
Eine sich hieraus ergebende Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung zum Herstellen von Vertikalbohrungen bereitzustellen, die eine geringere Bauhöhe als herkömmliche Vorrichtungen aufweist und in der Lage ist, eigenständig einen Druck auf den Bohrstrang auszuüben.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vertikalbohranlage in ihrem Aufbau zu vereinfachen und sicherer zu machen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung bilden den Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Vorrichtung zum Herstellen von im Wesentlichen vertikalen Bohrungen in geologischen Schichten mittels eines Bohrwerkzeugs und eines aus einer Mehrzahl von Segmenten bestehenden Bohrstrangs auf: einen vertikal aufgerichteten Mast; ein Paar von Zahnstangen, die an dem Mast angebracht sind und sich parallel zueinander im Wesentlichen über die Länge des Mastes in dessen Längsrichtung erstrecken; Führungsflächen, die an dem Mast angebracht sind und sich im Wesentlichen über die Länge des Mastes in dessen Längsrichtung erstrecken; einen Schlitten, der an den Führungsflächen geführt in der Hauptrichtung des Mastes an einer Außenseite desselben verschiebbar ist; einen Drillmotor zum Drehen des Bohrstrangs, wobei der Drillmotor auf dem Schlitten befestigt ist und die Drehachse des Drillmotors zu der Längsrichtung des Mastes parallel ist; und wenigstens ein Paar von Vorschubmotoren, die auf dem Schlitten befestigt sind und über jeweils ein Ritzel mit einer der Zahnstangen im Eingriff stehen.
Eine Bohrvorrichtung mit diesem Aufbau und dem Drillmotor auf einem Schlitten arbeitet nach dem Topdrive-Prinzip. Zusätzlich dazu können durch die Vorschubmotoren und die Ritzel Längskräfte auf den Drillmotor und damit auf den Bohrstrang aufgebracht werden. Dadurch entfällt ein Überbau zur Aufnahme der Abhängevorrichtung. Auch entfallen lange, von der Spitze des Masts aus verlaufende und unter Spannung stehende Seile, was zur Betriebs- und Unfallsicherheit der Anlage und zur Verringerung der benötigten Stellfläche beiträgt.
Vorzugsweise ist zwischen den Vorschubmotoren und den Ritzeln jeweils ein Getriebe vorgesehen. Hierdurch kann das Abtriebsmoment der Vorschubmotoren den Erfordernissen angepaßt, insbesondere erhöht werden.
Vorzugsweise ist zwischen den Vorschubmototoren und den Ritzeln jeweils eine Haltebremse vorgesehen. Hierdurch kann ein gezieltes Bremsmoment auf die Abtriebswelle der Vorschubmotoren aufgebracht werden.
Der Drillmotor und die Vorschubmotoren können Elektromotoren oder Hydraulikmotoren sein. Bei der Exploration von Öl- und Gasfeldern und wenn während einer Bohrung mit solchen Feldern gerechnet werden muß, sind aus Explosionsschutzgründen elektrische Geräte von dem direkten Bereich des Bohrlochs fernzuhalten, weshalb in solchen Situationen vorzugsweise Hydraulikgeräte eingesetzt werden. Daher sind die Haltebremsen in diesem Fall vorzugsweise hydraulische Lamellenbremsen, die im drucklosen Zustand durch eine Vorspannkraft festgestellt sind und durch Anlegen eines hydraulischen Drucks lösen. In weniger explosionsgefährdeten Situationen kann es vorteilhaft sein, Elektromotoren einzusetzen, da diese eine einfachere Steuerung, eine geringere Geräuschentwicklung und ein insgesamt saubereres Arbeitsumfeld aufweisen.
Vorzugsweise besteht der Mast mit den Zahnstangen und Führungsflächen aus wenigstens zwei in Längsrichtung hintereinander angeordneten Modulen oder Teilstücken, und die einzelnen Module weisen Mittel zum Zentrieren und Verbinden miteinander auf.
Mit dieser modularen Bauweise kann der Mast in mehreren, vorzugsweise zwei Teilstücken fertig vorkonfektioniert am Bohrplatz angeliefert und dort aneinander ausgerichtet zusammengesetzt werden. Die Module können in ihrer Länge dem Innenmaß eines Standardcontainers angepaßt werden, wodurch Spezialtransporte vermieden werden.
Vorzugsweise ist der Mast an seinem unteren Ende nach der dem Schlitten abgewandten Seite hin schwenkbar gelagert und durch Streben abgestützt, wobei sich die Streben auf der dem Schlitten abgewandten Seite des Mastes befinden. Die Streben erlauben eine Ableitung der teilweise erheblichen Momente, die über den Bohrstrang und den Drillmotor der seitlichen Anordnung des Schlittens in den Mast geleitet werden, als Zug- und Druckkräfte. Sie befinden sich auf einer Seite des Masts, wo sie die Bewegungen des Schlittens nicht stören können.
Vorzugsweise weisen die Streben jeweils eine Längenänderungseinrichtung zur Änderung der Länge der Streben auf. Die Längenänderungseinrichtung kann einen Zylinder aufweisen. Hierdurch kann der Mast in gewissem Maße aus seiner vertikalen Lage ausgeschwenkt werden, wodurch das Bohrloch für Manipulationen z.B. mit einem Kran zugänglich wird.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung eine Aufrichteinrichtung zum Aufrichten des Masts auf. Die Aufrichteinrichtung kann einen Zylinder aufweisen. Mit der Aufrichteinrichtung kann der Mast von einer im Wesentlichen horizontalen Lage in seine Arbeitslage gebracht und umgekehrt wieder abgesenkt werden. Durch diese quasi selbstaufrichtende Eigenschaft des Masts erübrigt sich eine Aufrichtung mit einem Kran, die einen erheblichen Aufwand und eine potentielle Unfallgefahr darstellt.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung eine am Bohrmast vorgesehene Brech- und Kontervorrichtung für Bohrstangen, Casinge und Zubehör auf. Die Brech- und Kontervorrichtung kann am gesamten Mast in dessen Hauptrichtung unabhängig von dem Vorschublitten verfahrbar sein. Die Brech- und Kontervorrichtung dient dem Verschrauben und Lösen von Segmenten mit- und voneinander und mit und von dem Spannfutter.
Vorzugsweise ist seitlich an dem Bohrmast eine Seilwinde schwenkbar angebracht. Damit können Lasten unabhängig von dem Schlitten gehoben werden.
Vorzugsweise sind der Mast und die Verstrebungen auf einer Plattform angebracht, die einen selbsttragend ausgeführte Grundrahmen aufweist.
Vorzugsweise sind wenigstens zwei, insbesondere drei Paare von Vorschubmotoren vorgesehen. Zur Aufnahme von Momenten sind grundsätzlich zwei Lagerpunkte erforderlich, die jeweils Kräfte in entgegengesetzten Richtungen aufnehmen können. Im Fall von Laufschiene/Laufrad oder Zahnschiene/Zahnrad, die senkrechte Lagerkräfte jeweils nur in Druckrichtung aufnehmen, bedeutet dies, daß für jede Momentenebene zwei Paare von Rädern vorzusehen sind. Daher bietet es sich an, bei den Zahnrädern auch die Antriebskraft auf zwei ohnehin vorhandene Paare zu verteilen. Ein zusätzliches, drittes Paar von angetriebenen Zahnrädern und damit Vorschubmotoren dient der Redundanz und besseren Dosierbarkeit der Antriebskräfte.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung ein Energieversorgungaggregat und einen Steuerstand auf, die getrennt voneinander und in einer bestimmten Entfernung von der Bohrachse in Containerbauweise beigestellt sind. Durch die Containerbauweise können Antriebsaggregat und Steuerstand jeweils im Werk vorkonfektioniert und mit Standardcontainertransporten zum Bohrplatz verbracht werden. Sie sind außerdem vor äußeren Einflüssen geschützt und können je nach Gegebenheiten an einem geeigneten Ort aufgestellt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Seitenansicht einer Bohrvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine Vorderansicht der Bohrvorrichtung von 1.
3 zeigt eine Seitenansicht der Bohrvorrichtung von 1 in Schrägstellung.
4 zeigt eine Gesamtseitenansicht einer Bohranlage mit der Bohrvorrichtung von 1 sowie zusätzlich beigestellten Einrichtungen.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer Abhängevorrichtung nach dem Stand der Technik.
6 zeigt eine Seitenansicht eines mittleren Bereichs einer Drehtischanordnung nach dem Stand der Technik im Teilschnitt.
7 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Topdrive-Anordnung nach dem Stand der Technik.
8 zeigt eine Seitenansicht einer Bohrvorrichtung mit Kippmast nach dem Stand der Technik.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
1 und 2 zeigen eine Bohrvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Seiten- bzw. einer Vorderansicht.
Die Bohrvorrichtung besteht im Wesentlichen aus einem Bohrmast 1, einem daran verfahrbaren Vorschubschlitten 2 und einer Plattform 3. Die Plattform 3 ist als selbsttragende geschweißte Stahlkonstruktion, dem sogenannten Grundrahmen 31, ausgeführt und weist etwa in der Mitte ein Schwenklager 32, im Bereich der hinteren Ecken zwei Stützlager 33 sowie einen zusätzlichen Lagerpunkt 34 hierzwischen auf.
Der Bohrmast 1 ist auf dem Grundrahmen 31 in dem Schwenklager 32 schwenkbar gelagert und über zwei Streben 6, die sich in den Stützlagern 33 abstützen und in einem Lagerpunkt 12 beiderseits des Bohrmasts 1 befestigt sind, in Schwenkrichtung vertrebt. Durch den Verlauf der Streben schräg nach hinten werden auch seitliche Ausweichtendenzen des Bohrmasts 1 aufgefangen. In dieser Ausführungsform wird der Bohrmast 1 durch die Streben 6 in vertikaler Ausrichtung, d.h. senkrecht zur Erdoberfläche, fixiert.
Über einen in der Verstrebung 6 angeordneten Auslenkzylinder 61 kann die Verstrebung 6 in gewissem Ausmaß in ihrer Länge verändert werden, so daß Winkelabweichungen des Bohrmasts 1 von der Vertikalen möglich sind. Dadurch wird das Bohrloch für verschiedenen Arbeiten, z.B. zum Hantieren mit einem Kran, zugänglich.
Über einen Hubzylinder 7, der in dem Lagerpunkt 34 auf dem Grundrahmen 31 und in einem weiteren Lagerpunkt 15 an dem Bohrmast 1 gelagert ist, kann der Bohrmast 1 von einer im wesentlichen horizontalen Lage in die vertikale Arbeitslage verfahren werden. Dadurch wird ein einfaches Aufrichten und Absenken des Bohrmasts 1 zur Montage, Demontage, Wartung und Reparatur möglich. Der Hubzylinder 7 kann auch entfallen, wenn der Bohrmast 1 mit einem Kran aufgestellt wird.
Der Bohrmast 1 ist ebenfalls eine geschweißte Stahlkonstruktion mit einer langgestreckten Kastenform. Der Bohrmast 1 ist in der dargestellten Form in zwei Modulen hergestellt, nämlich einem Untermast 11a und einem Obermast 11b. Durch geeignete Zentrier- und Verbindungsmittel 19 sind der Untermast 11a und der Obermast llb fluchtend miteinander verbunden. Die Zentrier- und Verbindungsmittel 19 können beispielsweise an gegenüberliegenden Stirnseiten des Obermasts 11a und des Untermasts llb vorgesehene Flansche sein, die über Zentrierbolzen ausgerichtet und mittels Schrauben und Muttern fest, aber lösbar miteinander verbunden werden. Die einzelnen Module weisen eine Größe auf, die an den Laderaum eines Standardcontainers angepaßt ist.
Mit diesem Aufbau, wie er bisher beschrieben ist, wird durch die modulare Bauweise einerseits die Montagezeit auf der Baustelle minimiert, andererseits werden aber keine Spezialtransporte etwa des ganzen vormontierten Masts nötig, sondern der Transport beschränkt sich auf Standardtransporte. Ferner befinden sich alle strukturellen Bauteile zum Stützen der Konstruktion auf der Hinterseite des Bohrmasts 1. Dadurch wird die Vorderseite des Bohrmastes 1 von jedweden Abstützungen frei.
Im vorderen Bereich des Bohrmasts 1 erstrecken sich zwei Zahnstangen 14 über die gesamte Länge des Bohrmasts 1, wie in 1 und 2 gezeigt. Die Zahnstangen 14 sind durch geeignete Befestigungsmittel wie etwa Schrauben oder Schweißen mit dem Bohrmast verbunden. Die Zahnstangen 14 sind in der Länge der Module 11a, llb des Bohrmasts 1 geteilt und werden vor Anlieferung vormontiert.
Ferner erstrecken sich Führungsschienen 13 über die gesamte Länge des Bohrmasts 1. Die Führungsschienen 13 sind ebenfalls durch geeignete Befestigungsmittel wie etwa Schrauben oder Schweißen mit dem Bohrmast 1 bzw. den Zahnstangen 14 verbunden und geteilt. Sie sind ebenfalls in der Länge der Module 11a, llb des Bohrmasts 1 geteilt und werden vor Anlieferung vormontiert.
In der in 1 und 2 gezeigten Darstellung befinden sich die Zahnstangen 14 jeweils an den seitlichen Flächen des Bohrmasts 1, und eine der Führungsschienen 13 befindet sich jeweils hinter der Zahnstange 14. Es erübrigt sich zu sagen, daß in der Technik vielfältige Anordnungen, Kombinationen und Geometrien von Zahnstangen und Führungsschienen bekannt sind, die zur Anwendung kommen können.
Der Vorschubschlitten 2 ist mittels daran angebrachter, nicht näher dargestellter Rollen in den Laufflächen der Führungsschienen 13 nach vorne und hinten abgestützt und so in Hauptrichtung oder Längsrichtung des Bohrmasts 1, also nach oben und unten, verschiebbar gelagert.
Die Fahrbewegung des Vorschubschlittens 2 sowie die seitliche Abstützung gegen den Bohrmast 1 wird durch in die Zahnstangen 14 eingreifende Zahnräder bzw. Ritzel 24 ausgeführt, die ihrerseits von auf dem Vorschubschlitten 2 angebrachten Vorschubmotoren 21 angetrieben werden.
Die Vorschubmotoren 21 sind in der bevorzugten Ausführungsform als Hydraulikmotoren ausgeführt. Diese weisen an explosionsgefährdeten Bohrvorhaben eine hinreichende Sicherheit auf. In nicht explosionsgefährdeter Umgebung können auch Elektromotoren als Vorschubmotoren verwendet werden. Ferner sind die Vorschubmotoren 21 paarweise angeordnet. In der bevorzugten Ausführungsform sind drei Paare von Vorschubmotoren 21 (und damit Ritzeln 24) vorgesehen, es können aber auch mehr oder weniger Paare sein. Aus Gründen der Stabilität sollten jedoch mindestens zwei Paare von Ritzeln 24 vorhanden sein, von denen theoretisch ein Paar ohne Antrieb sein kann. Aus Gründen der Redundanz und Steuerbarkeit sollten jedoch vorzugsweise alle Ritzel angetrieben sein.
Zwischen den Ritzeln 24 und den Vorschubmotoren 21 befinden sich Getriebe 22 (zur Erhöhung des Abtriebsmoments) und Haltebremsen 23. Die Haltebremsen 23 sind als Lamellenbremsen ausgeführt, die unter Federvorspannung blockieren und durch Anlegen hydraulischen Drucks gelöst werden können.
Mit diesem Aufbau kann der Vorschubschlitten 2 Druck- und Zugkräfte sowohl im Stillstand als auch in der Bewegung abgeben. Ferner kann durch die oben beschriebene Konstruktion mit Führungsschienen/Rollen und Zahnstangen/Ritzeln der Bohrmast 1 alle an dem Vorschubschlitten 2 auftretenden Zug- und Druckkräfte, Biege- und Torsionsmomente und Querkräfte aufnehmen und in die Plattform 3 ableiten.
Schließlich befindet sich auf dem Vorschubschlitten 2 ein Drillmotor 25. Der Drillmotor 25 ist in der bevorzugten Ausführungsform als Hydraulikmotor ausgeführt und weist somit an explosionsgefährdeten Bohrvorhaben eine hinreichende Sicherheit auf. In nicht explosionsgefährdeter Umgebung kann auch ein Elektromotor als Drillmotor 25 verwendet werden.
An dem Drillmotor 25 ist ein Spannfutter 26 zur Aufnahme des Bohrstrangs (nicht näher dargestellt) befestigt. Somit ist die Bohrvorrichtung der vorliegenden Erfindung nach dem Topdrive-Prinzip konstruiert, bei dem sich der Drillmotor stets am oberen Ende der obersten Stange des Bohrstrangs befindet. Im Gegensatz zu bekannten Bohrvorrichtungen, bei denen der Bohrstrang mit dem Topdrive an einem Haken und einem Flaschenzug hängt, der wiederum über eine Seilrolle mit einer Seilwinde verbunden ist, werden bei der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung alle Längskräfte durch die Vorschubmotoren 21 und die Zahnstange 14 aufgebracht. Hierdurch entfällt der gesamte Überbau, der letztlich nur dazu dient, die Umlenkrolle, den Flaschenzug und den Haken aufzunehmen und den überschüssigen Teil der Gewichtskraft derselben zuzüglich der des Drillmotors 25 und des Bohrstrangs samt Bohrwerkzeug aufzunehmen.
An dem Bohrmast 1 ist ferner eine Brech- und Kontervorrichtung 83 für Bohrstangen, Casinge und Zubehör installiert, die an dem gesamten Bohrmast, unabhängig von dem Vorschubschlitten 2, verfahren werden kann.
Ferner ist an dem Bohrmast seitlich eine schwenkbare Seilwinde 84 angebracht. Damit können Lasten auf einfache Weise gehandhabt werden.
Wie oben ausgeführt, sind über in den Streben 6 angeordnete Auslenkzylinder 61 gewisse Winkelabweichungen des Bohrmastes von der Vertikalen möglich. Dadurch kann der Bohrmast z.B. für Arbeiten am Bohrloch mit einem Kran weggekippt werden, was mit herkömmlichen Bohrtürmen nicht möglich ist.
Darüber hinaus kann mit dem Bohrmast 1 in jeder beliebigen Neigung zur Oberfläche gearbeitet werden. Dies wird möglich durch den Einsatz unterschiedlich langer Abstützungen 6. Dadurch erschließen sich völlig neue Anwendungsgebiete für eine auf eine Vertikalbohrung ausgelegte Bohrvorrichtung. Beispielsweise können so unter einer Siedlung oder aus anderen Gründen unzugänglichen Gebieten wie etwa Gebirgen befindliche Lagerstätten erreicht werden, indem zunächst schräg angebohrt wird und später die Bohrung bei Bedarf in die Vertikale gelenkt wird. Bei Arbeiten unter anderen Winkeln als der Vertikalen wird die Seilwinde 84 nicht eingesetzt.
Eine solche Konfiguration der Bohrvorrichtung mit einem Bohrwinkel von etwa 45° ist in 3 gezeigt.
Wie oben ausgeführt, ist der Grundrahmen 31 selbsttragend ausgeführt. Damit sind Bohrungen mit oder ohne Bohrkeller und mit oder ohne Unterbau ohne Umbauten möglich. Eine vorteilhafte Unterbaukonstruktion, die von der Anmelderin der vorliegenden Erfindung entwickelt wurde, bildet den Gegenstand der deutschen Gebrauchsmusteranmeldung mit dem Titel "Unterbaukonstruktion für eine Tiefbohr-Plattform" (Anwaltsaktenzeichen B/22ST0409/DE) vom selben Anmeldetag. Auf den dortigen Offenbarungsgehalt wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung vollinhaltlich Bezug genommen .
In 4 ist eine Seitenansicht einer Gesamtanlage mit der Bohrvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Energieversorgung erfolgt über ein beigestelltes Hydraulikaggregat 81 in Containerbauweise. Der Steuerstand 82 ist ebenfalls in einem Container untergebracht. Die Container für Hydraulikaggregat 81 und Steuerstand 82 sind außerhalb der Plattform 3 angeordnet. Somit kann immer ein optimaler Abstand zum Bohrloch eingehalten werden.
Die Zufuhr hydraulischer Energie von dem Hydraulikaggregat 81 zu dem Drillmotor 25 und den Vorschubmotoren 21 erfolgt über Hydraulikleitungen 85 (siehe 2), die im oberen Bereich des Bohrmastes 1 in Gelenkketten 86 geführt sind.
Durch die oben beschriebene Konstruktion können die Nachteile des Stands der Technik vermieden beziehungsweise minimiert werden.
Durch den Wegfall von Haken, Flaschenzug, Umlenkrolle und Überbaukonstruktion wird die Bauhöhe verringert. Daher können die zu Gebäuden und Verkehrswegen wie auch zu Containern und peripheren Anlagenteilen erforderlichen Mindestabstände verringert werden. Der benötigte Bohrplatz wird kleiner, und die Lärmemission kann reduziert werden.
Durch die Kombination von Topdrive und motorischem Vorschub kann jederzeit ein gewünschter Anpreßdruck bereitgestellt werden. So kann von Anfang an mit dem benötigten Anpreßdruck gebohrt werden, ohne Schwerstangen einsetzen oder gar Zusatzgeräte einbauen zu müssen. Bei Erreichen einer Tiefe, bei der das Eigengewicht des Bohrstranges ausreicht, um den erforderlichen Anpreßdruck zu gewährleisten, kann über die Vorschubmotoren das überschüssige Gewicht abgefangen werden. Gerichtete Bohrungen sind ohne Rücksicht auf Anpreßdruckverluste durch Mantelreibung durchführbar. Es ist sogar möglich, bei einer Tiefbohrung nach Treffen einer Lagerstätte die Bohrung nach oben weiterzuführen und an anderer Stelle wieder an der Oberfläche austreten zu lassen. Hierdurch erübrigen sich Zweitbohrungen, die z.B. bei Öl- und insbesondere Erdgaslagerstätten regelmäßig notwendig sind; es können also mit einem Bohrplatz quasi zwei Bohrungen durchgeführt werden. Ebenso kann in ein unter Druck stehendes, abgeschlossenes Bohrloch eingefahren werden, was nach dem Stand der Technik nur mit Zusatztechnik möglich ist.
Neuartige Bohrverfahren, die im Zusammenhang mit der Bohrvorrichtung dieser Anmeldung von der Anmelderin der vorliegenden Erfindung entwickelt wurden, bilden den Gegenstand der deutschen Patentanmeldung mit dem Titel "Verfahren zum Herstellen von Tiefbohrungen in geologischen Strukturen" (Anwaltsaktenzeichen P/11ST0410/DE) vom selben Anmeldetag. Auf den dortigen Offenbarungsgehalt wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldungen vollinhaltlich Bezug genommen.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung und den Zeichnungen ersichtlich, ist die Bohrachse bei der Bohrvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung frei zugänglich. Hierdurch erleichtert sich die Handhabung der einzelnen Seg mente des Bohrstrang außerhalb des Bohrlochs, etwa in einem Rohrlager, enorm. Ein neuartiges, automatisiertes Rohr- oder Stangenlager, das von der Anmelderin der vorliegenden Erfindung entwickelt wurde, bildet den Gegenstand der deutschen Gebrauchsmusteranmeldung mit dem Titel "Rohr- oder Stangenlager für eine Bohranlage" (Anwaltsaktenzeichen B/22ST0411/DE) vom selben Anmeldetag. Auf den dortigen Offenbarungsgehalt wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung vollinhaltlich Bezug genommen. Eine vorteilhafte Handhabungsvorrichtung für Bohrgestänge und andere Gegenstände, die von der Anmelderin der vorliegenden Erfindung entwickelt wurde, bildet den Gegenstand der deutschen Patentanmeldung mit dem Titel "Vorrichtung und Verfahren zum Handhaben von Gegenständen an einer Bohranlage" (Anwaltsaktenzeichen P/11ST0412/DE) vom selben Anmeldetag. Auf den dortigen Offenbarungsgehalt wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung ebenfalls vollinhaltlich Bezug genommen.
Die Flexibilität auf dem Bohrplatz wird zusätzlich dadurch gesteigert, daß der gesamte Bohrmast 1 mittels des Auslenkzylinders 61 aus seiner vertikalen Lage herausgeschwenkt werden kann und somit das Bohrloch für Manipulationen etwa mit einem Kran zugänglich wird.
Neuere Bohrverfahren, wie z.B das Casingbohren im oberflächennahen Bereich, sind mit der Bohrvorrichtung der vorliegenden Erfindung ohne weiteres möglich.
Die Auf- und Abbauzeit der Bohranlage und die Transportkosten und Transportzeiten sind durch die modulare Bauweise der Bohrvorrichtung, insbesondere des Bohrmastes 1, die Selbstaufrichtbarkeit des Bohrmastes 1 mittels des Hubzylinders 7 sowie die kompakte, vormontierbare Konfiguration des gesamten Komplexes aus Drillantrieb 25 und Vorschub 21, 22, 23, 24 auf einem einzigen Schlitten 2 besonders gering. Aufgrund der vergleichsweise geringen Peripherietechnik und der insgesamt kompakten Bauweise sind bei einem Baustellenwechsel nicht sehr viele Transporte notwendig, die sich zudem auf Transporte mit Standardcontainern beschränken können. Insgesamt ist die Bohrstelle preiswert, so daß auch kleinere Lagerstätten wirtschaftlich erschlossen werden können.

Claims

Vorrichtung zum Herstellen von im Wesentlichen vertikalen Bohrungen in geologischen Schichten mittels eines Bohrwerkzeugs und eines aus einer Mehrzahl von Segmenten bestehenden Bohrstrangs, wobei die Vorrichtung aufweist: einen vertikal aufgerichteten Bohrmast (1); wenigstens ein Paar von Zahnstangen (14), die an dem Bohrmast (1) angebracht sind und sich parallel zueinander im Wesentlichen über die Länge des Bohrmastes (1) in dessen Längsrichtung erstrecken; Führungsflächen (13), die an dem Bohrmast (1) angebracht sind und sich im Wesentlichen über die Länge des Bohrmastes (1) in dessen Längsrichtung erstrecken; einen Schlitten (2), der an den Führungsflächen (13) geführt und in Längsrichtung des Bohrmastes (1) an einer Außenseite desselben verschiebbar ist; einen Drillmotor (25) zum Drehen des Bohrstrangs, wobei der Drillmotor (25) auf dem Schlitten (2) befestigt ist und die Drehachse des Drillmotors (25) zu der Längsrichtung des Bohrmastes (1) parallel ist; und wenigstens ein Paar von Vorschubmotoren (21), die auf dem Schlitten (2) befestigt sind und über jeweils ein Ritzel (24) mit einer der Zahnstangen (14) im Eingriff stehen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Vorschubmotoren (21) und den Ritzeln (24) jeweils ein Getriebe (22) vorgesehen ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Vorschubmotoren (21) und den Ritzeln (24) jeweils eine Haltebremse (23) vorgesehen ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Drillmotor (25) und die Vorschubmotoren (21) Elektromotoren sind.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Drillmotor (25) und die Vorschubmotoren (21) Hydraulikmotoren sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltebremsen (23) hydraulische Lamellenbremsen sind, die im drucklosen Zustand durch eine Vorspannkraft festgestellt sind und durch Anlegen eines hydraulischen Drucks lösen.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrmast (1) mit den Zahnstangen (14) und Führungsflächen (13) aus wenigstens zwei in Längsrichtung hintereinander angeordeten Modulen (11a, 11b) besteht und die einzelnen Module Mittel (19) zum Zentrieren und Verbinden miteinander aufweisen.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Streben (6) zum Abstützen des Bohrmastes (1), wobei sich die Streben (6) auf der dem Schlitten (2) abgewandten Seite des Bohrmastes (1) befinden und der Bohrmast (1) an seinem unteren Ende nach der dem Schlitten (2) abgewandten Seite hin schwenkbar gelagert ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Streben (6) jeweils eine Längenänderungseinrichtung (61) zur Änderung der Länge der Streben (6) aufweisen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Längenänderungseinrichtung (61) einen Zylinder aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Aufrichteinrichtung (7) zum Aufrichten des Bohrmasts (1).
Vorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufrichteinrichtung (7) einen Zylinder aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine an dem Bohrmast (1) vorgesehene Brech- und Kontervorrichtung (83) für Bohrstangen, Casinge und Zubehör.
Vorrichtung gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Brech- und Kontervorrichtung (83) am gesamten Bohrmast (1) in dessen Längsrichtung unabhängig von dem Vorschubschlitten (21) verfahrbar ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine an dem Bohrmast (1) seitlich angebracht schwenkbare Seilwinde (84).
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrmast (1) und die Verstrebungen auf einer Plattform (3) angebracht sind, die einen selbsttragend ausgeführte Grundrahmen (31) aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Paare von Vorschubmotoren (21) vorgesehen sind.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß drei Paare von Vorschubmotoren (21) vorgesehen sind.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Energieversorgungaggregat (81) und einen Steuerstand (82), die getrennt voneinander und in einer bestimmten Entfernung von der Bohrachse in Containerbauweise beigestellt sind.