-
Die
Erfindung bezieht sich auf eine Hochdruckinjektionsvorrichtung zur
Einbringung von Suspensionen in zu verfestigende und/oder abzudichtende
Böden,
die an einer einer Bohrlochsohle abgewandten Seite einer Bohrkrone
angeordnet ist, durch deren Spülkanal
hindurch Bohrspülung
zur Bohrlochsohle richtbar ist, mit einer Injektionseinheit, die
Injektionsdüsen
aufweist, durch die hindurch Suspension etwa radial zur Bohrachse
in den Boden injizierbar ist.
-
Derartige
Hochdruckinjektionsvorrichtungen dienen dazu, mit einem hohen Druck,
der z. B. bei 400 bis 600 bar liegen kann, Suspensionen in den zu verfestigenden
oder abzudichtenden Boden einzubringen.
-
Aus
dem Stand der Technik sind Hochdruckinjektionsvorrichtungen bekannt,
bei denen ein Hochdruckgestänge
mit einem Bohrgerät
drehend mit Bohrspülung
durch die Bohrkrone in den Boden verbracht wird. Die Bohrspülung wird üblicherweise vornehmlich
durch die Bohrkrone bzw. durch deren zentralen Spülkanal axial
oder in leichter seitlicher Schrägrichtung
in Be zug auf die Bohrachse zur Bohrlochsohle bzw. in den Boden verbracht;
dahingegen wird die zur Injektion des Bodens vorgesehene Suspension
meist in Radialrichtung, d. h. in einem Winkel von ca. 90 Grad zur
Bohrachse, über
die Injektionsdüsen
der Injektionseinheit in den Boden eingebracht.
-
Bei
bekannten Hochdruckinjektionsvorrichtungen wird zur Auf- und Zusteuerung
des die Bohrkrone durchsetzenden zentralen Spülkanals bzw. der Injektionsdüsen der
Injektionseinheit beispielsweise ein Rückschlagventil eingesetzt,
das bei einem vergleichsweise niedrigen Druck offen steht und eine Durchleitung
durch die Bohrkrone zulässt
und bei Hochdruck geschlossen ist, so dass die Injektionsdüsen beaufschlagt
werden. Ein derartiges Rückschlagventil
kann als Kugel- oder als Stößelventil ausgebildet
sein; mittels eines derartigen Rückschlagventils
kann jedoch nicht verhindert werden, dass zur Injektion vorgesehene
Suspension schon bei Bohrbeginn und nach Beendigung der Injektion aus
dem Bohrgestänge
in den Boden abgeflossen ist. Insbesondere beim Nachsetzen und beim
Rückbau der
Hochdruckbohrrohre führte
dies zu erheblichen Suspensionsverlusten, die ca. 30% der gesamten
für das
Injektionsvorhaben eingesetzten Suspensionsmenge betragen können. Ursächlich hierfür ist z.
B., dass die Suspension nur in einem bestimmten tiefen Niveau des
Bodens, z. B. bei 20 m Bohrtiefe, dann in den Bereich von ca. 17
bis 20 m einzubringen ist. Um derartige Suspensionsverluste zu vermeiden
bzw. zu minimieren, wurden die Injektionsdüsen mit einem Plastikniet verschlossen,
welcher erst bei einem höheren
Druck, der für
den eigentlichen Injektionsvorgang zur Einbringung der Suspension
in den Boden benötigt
wird, aus den Injektionsdüsen
herausgedrückt
wird. Auch hierdurch können
die vorstehend erwähnten
Suspensionsverluste jedoch nicht in der gewünschten Weise reduziert bzw.
verhindert werden.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochdruckinjektionsvorrichtung
zur Einbringung von Suspensionen in zu verfestigende und/oder abzudichtende
Böden zu
schaffen, mittels der mit einem vergleichsweise geringen Aufwand
Suspensionsverluste besser als bisher vermindert bzw. völlig verhindert
werden können.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Injektionseinheit der Hochdruckinjektionsvorrichtung ein
Drei-Phasen-Ventil aufweist, das zwischen einer Eingangsöffnung des Spülkanals
der Bohrkrone einerseits und den Eingangsöffnungen der Injektionsdüsen der
Injektionseinheit andererseits sitzt, und das in seiner bei einem geringen
Druck eingenommenen Grundstellung die Eingangsöffnung des Spülkanals
der Bohrkrone öffnet
und die Eingangsöffnungen
der Injektionsdüsen der
Injektionseinheit schließt,
in seiner bei einem mittleren Druck eingenommenen Zwischenstellung die
Eingangsöffnungen
sowohl des Spülkanals
der Bohrkrone als auch der Injektionsdüsen des Injektionsteils öffnet und
in seiner bei einem hohen Druck eingenommenen Injektionsstellung
die Eingangsöffnung
des Spülkanals
der Bohrkrone schließt
und die Eingangsöffnungen
der Injektionsdüsen
der Injektionseinheit öffnet.
In der Grundstellung des Drei-Phasen-Ventils geht die Bohrspülung zentral
durch den Spülkanal
der Bohrkrone, wohingegen die Eingangsöffnungen der Injektionsdüsen der
Injektionseinheit verschlossen sind. In der mittleren Stellung des Drei-Phasen-Ventils
sitzt dieses unterhalb der Eingangsöffnungen der Injektionsdüsen, wobei
weiterhin die Bohrspülung
zentral zur Bohrkrone geleitet wird und gleichzeitig Bohrspü lung durch
die Injektionsdüsen
gerichtet wird. Bei durch die zur Injektion vorgesehene Suspension
aufgebautem hohem Druck ist das Drei-Phasen-Ventil bzw. dessen Kanal zur
Bohrkrone geschlossen, wohingegen die Eingangsöffnungen der Injektionsdüsen der
Injektionseinheit offen stehen. Die zur Injektion vorgesehene Suspension
wird demgemäß ausschließlich durch die
Injektionsdüsen
abgeleitet und dringt nicht zur Bohrkrone vor.
-
Um
angesichts der abrasiven Suspension in Verbindung mit den hohen
beim Injektionsvorgang herrschenden Drücken die Lebensdauer des Drei-Phasen-Ventils
zu erhöhen
und eine Schädigung
desselben möglichst
langfristig zu vermeiden, wird gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Hochdruckinjektionsvorrichtung vorgeschlagen,
dass ein Ventilkörper,
ein Ventilstößel und
eine Laufbuchse des Drei-Phasen-Ventils aus
Hartmetall, Wolframcarbid, Aluminiumoxid, Kunstdiamant, Nioboxid
(Carbid), Titanoxid (Carbid) oder Cobaltlegierungen ausgebildet
sind, wobei insbesondere die Ausgestaltung aus Hartmetall zweckmäßig ist.
-
Die
Steuerung der drei Phasen des Drei-Phasen-Ventils bzw. die Einstellung
des Drei-Phasen-Ventils in dessen Grund-, mittlerer und Injektionsstellung
erfolgt über
eine geeignete Mess- und Regeleinrichtung, die Bestandteil der Hochdruckinjektionsvorrichtung
ist und die auf bestimmte vorgegebene Parameter einstellbar an der
Hochdruckpumpe bzw. am Einspülkopf
der Hochdruckinjektionsvorrichtung angebracht ist.
-
Vorteilhaft
weist das Drei-Phasen-Ventil der Hochdruckinjektionsvorrichtung
eine erste Ventilfeder auf, die so ausgelegt ist, dass sie beim
Druckanstieg vom geringen auf den mittle ren Druck zusammengedrückt wird,
und eine zweite Ventilfeder, die so ausgelegt ist, dass sie beim
Druckanstieg vom mittleren auf den hohen Druck zusammengedrückt wird. Hierbei
kann die erste Ventilfeder zweckmäßigerweise dem öffnen bzw.
Schließen
der Injektionsdüsen dienen,
wohingegen die zweite Ventilfeder dem öffnen bzw. Schließen des
zur Bohrkrone führenden
Kanals des Drei-Phasen-Ventils dienen kann.
-
Im
Folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher
erläutert.
-
Es
zeigen:
-
1 eine
Bohrkrone und eine Injektionseinheit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochdruckinjektionsvorrichtung
in einer Grundstellung eines Drei-Phasen-Ventils;
-
2 eine 1 entsprechende
Darstellung, bei der sich das Drei-Phasen-Ventil in einer Zwischenstellung
befindet; und
-
3 eine
den 1 und 2 entsprechende Darstellung,
bei der sich das Drei-Phasen-Ventil in seiner Injektionsstellung
befindet.
-
Zu
einer Ausführungsform
einer im übrigen
in den 1 bis 3 nicht dargestellten erfindungsgemäßen Hochdruckinjektionsvorrichtung 1 zur
Einbringung von Suspensionen in zu verfestigende und/oder abzudichtende
Böden gehört eine
Injektionseinheit 2, welche dafür vorgesehen ist, die Suspension
in den zu verfestigenden oder abzudichtenden Boden einzuführen.
-
Die
Injektionseinheit 2 ist auf einer einer Bohrlochsohle abgewandten
Seite einer Bohrkrone 3 angeordnet. Mittels der Bohrkrone 3 wird
ein Bohrloch, das für
den Einsatz der Hochdruckinjektionsvorrichtung 1 erforderlich
ist, gebohrt. Hierzu weist die Bohrkrone einen Spülkanal 4 auf,
der die Bohrkrone 3 in Axialrichtung durchsetzt und mittels
dem Bohrspülung
zentral oder leicht seitlich schräg zur Bohrachsenrichtung zur
Bohrlochsohle richtbar ist.
-
Die
Injektionseinheit 2 weist eine Mehrzahl von Injektionsdüsen 5 auf,
durch die hindurch die Suspension im dargestellten Ausführungsbeispiel
in Radialrichtung, d. h. senkrecht zur Bohrachse 6, in den
abzudichtenden bzw. zu verfestigenden, das Bohrloch umgebenden Boden
richtbar ist.
-
In
einem Axialkanal 7, der die Injektionseinheit 2 etwa
mittig durchdringt und den Spülkanal 4 der
Bohrkrone 3 an eine Bohrspülungsquelle anschließt, ist
ein Drei-Phasen-Ventil 8 angeordnet. Das Drei-Phasen-Ventil 8 hat
einen Ventilkörper 9, der
innerhalb einer Laufbuchse 10 des Drei-Phasen-Ventils 8 in
Axialrichtung verstellbar ist. Innerhalb des Ventilkörpers 9 ist
ein Ventilstößel 11 verstellbar,
der einen Ventilteller 12 aufweist, mittels dem ein den
Ventilkörper 9 in
Axialrichtung durchdringender Kanal 13 verschließbar ist.
-
Zwischen
der Eingangsseite der Bohrkrone 3 und dem der Bohrkrone 3 zugewandten
Ende des Drei-Phasen-Ventils 8 ist eine erste Ventilfeder 14 angeordnet.
Zwischen einem Radialabsatz des den Ventilkörper 9 durchdringenden
Kanals 13 und einem Radialabsatz des Ventilstößels 11 ist
eine zweite Ventilfeder 15 vorgesehen.
-
Das
Drei-Phasen-Ventil 8 ist in demjenigen Bereich des Axialkanals 7 der
Injektionseinheit 2 angeordnet, in dem auch Ein gangsöffnungen 16 der
Injektionsdüsen 5 ausgebildet
sind und an den sich eine Eingangsöffnung 17 des Spülkanals 4 der
Bohrkrone 3 anschließt.
-
Um
eine Schädigung
des Drei-Phasen-Ventils 8 bzw. der mit ihm zusammenwirkenden
Komponenten aufgrund der abrasiven Suspension in Verbindung mit
dem hohen Arbeitsdruck der Hochdruckinjektionsvorrichtung zu vermeiden,
bestehen der Ventilkörper 9,
der Ventilstößel 11 und
die Laufbuchse 10 des Drei-Phasen-Ventils 8 in der gezeigten
Ausführungsform
aus Hartmetall. Anstelle von Hartmetall können auch Wolframcarbid, Aluminiumoxid,
Kunstdiamant, Nioboxid (Carbid), Titanoxid (Carbid) oder Cobaltlegierungen
zum Einsatz kommen.
-
Im
Falle der in 1 gezeigten Grundstellung des
Drei-Phasen-Ventils 8 übt die durch
den Pfeil 18 angedeutete Bohrspülung einen vergleichsweise
niedrigen Druck auf das Drei-Phasen-Ventil 8 aus.
Das Drei-Phasen-Ventil 8 wird durch die zwischen seiner
der Bohrkrone 3 zugewandten Stirnseite und der Bohrkrone 3 angeordnete
erste Ventilfeder 14 in der in 1 gezeigten
Grundstellung gehalten. Der das Drei-Phasen-Ventil 8 bzw. dessen
Ventilkörper 9 durchbrechende
Kanal 13 ist geöffnet,
da der Ventilteller 12 die Eingangsseite des Ventilkörpers 9 freigibt,
so dass die Bohrspülung 18 durch
den Kanal 13 des Ventilkörpers 9 und den Spülkanal 4 der
Bohrkrone 3 zur Bohrlochsohle geleitet wird, Die Laufbuchse 10 des
Drei-Phasen-Ventils 8 verschließt in der Grundstellung des
Drei-Phasen-Ventils 8 die Eingangsöffnungen 16 der Injektionsdüsen 5 der
Injektionseinheit 2.
-
Wenn,
wie dies in 2 dargestellt ist, seitens der
Bohrspülung 18 ein
mittlerer Druck auf das Drei-Phasen-Ventil 8 ausgeübt wird,
wird aufgrund des Druckanstiegs und des dann herrschenden mittleren
Drucks die erste Ventilfeder 14 des Drei-Phasen-Ventils 8 zusammengedrückt. Der
Ventilteller 12 des Ventilstößels 11 verbleibt
in einer Stellung, in der die Eingangsseite des den Ventilkörper 9 durchsetzenden
Kanals 13 geöffnet
bleibt. Die Bohrspülung 18 wird
weiterhin durch den Axialkanal 7 der Injektionseinheit 2,
die Laufbuchse 10 des Drei-Phasen-Ventils 8, den
Kanal 13 des Ventilkörpers 9,
die Eingangsöffnung 17 des
Spülkanals 4 der
Bohrkrone 3 und den Spülkanal 4 der
Bohrkrone 3 zur Bohrlochsohle geleitet. Da aufgrund der
Verstellung des Ventilkörpers 9 des
Drei-Phasen-Ventils 8 innerhalb
der Laufbuchse 10 die Eingangsöffnungen 16 zu den
Injektionsdüsen 5 der
Injektionseinheit 2 offen stehen, wird des weiteren Bohrspülung durch
die Injektionsdüsen 5 in
zur Bohrachse 6 radialer Richtung nach außen abgeführt.
-
Wenn
zur Durchführung
eines Injektionsvorgangs Suspension, wie durch den Pfeil 19 in 3 gezeigt,
mit einem hohen Druck von z. B. 400 bis 600 bar zur Injektionseinheit 2 geführt wird,
wird durch den dann auf das Drei-Phasen-Ventil 8 wirkenden
hohen Druck der Ventilteller 12 gegen die Eingangsöffnung des
den Ventilkörper 9 durchsetzenden
Kanals 13 gedrückt,
so dass der Kanal 13 geschlossen ist und keine Suspension
zur Bohrkrone 3 bzw. in deren Spülkanal 4 gerät. Die Eingangsöffnungen 16 der
Injektionsdüsen 5 der
Injektionseinheit 2 sind weiterhin geöffnet, so dass die Suspension
in gewünschter Weise
ausschließlich
durch die Injektionsdüsen 5 in den
zu injizierenden Boden gerichtet wird.
-
Die
Drucksteuerung für
die jeweilige Positionierung des Drei-Phasen-Ventils 8 erfolgt über eine geeignete
Mess- und Regel vorrichtung, die auf bestimmte vorgegebene Parameter
einer Hochdruckpumpe bzw. eines Einspülkopfs der Hochdruckinjektionsvorrichtung 1 einstellbar
ist.