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Stabilisator für Tieflochbohrungen
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, die bei Tieflochbohrungen
im über wie Untertagebergbau in allen vorkommenden Erdformationen, sowohl bei Voll-
oder auch Kernbohrverfahren das selbsttätige Einhalten einer vorgegebenen Richtung
der Bohrung gewährleistet. Insbesondere im Untertagebergbau, wo oft Ansatz- und
Austrittspunkt einer Bohrung genau festgelegt sind, ist es von größter Wichtigkeit,
daß die Bohrung die vorgegebene Richtung beibehält; solche Bohrungen bezeichnet
man im allgemeinen als Zielbohrungen. Aber auch bei Aufschlußbohrungen, mit denen
unbekannte Lagerstätten erkundet werden sollen, ist ein geradliniger Verlauf der
Bohrung sehr wichtig.
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Aufschlußbohrungen werden sowohl nach dem Voll- als auch Kernbohrverfahren
durchgeführt.
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Die vorliegende Erfindung ist für beide Verfahren anwendbar.
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Bis heute versucht man, den geradlinigen Verlauf einer Bohrung durch
den Einbau von sogenannten Zielbohrstangen zu erreichen. Bei diesen Zielbohrstangen
handelt es sich um Gestängerohre mit aufgesetzten Führungsleisten, die im äußeren
Durchmesser dem Bohrdurchmesser entsprechen und dem vordringenden Bohrwerkzeug folgend,
dieses konzentrisch führen sollen. Zielbohrstangen gibt es in verschiedenen Ausbildungen,
wie z.B. in starrer Ausführung, wobei die Führungsleisten starr mit dem Gestängerohr
verbunden sind und sich im Bohrloch mitdrehen oder auch solche, wo die Führungsleisten
auf einem gesonderten Außenrohr angeordnet sind, in welchem das eigentliche Gestängerohr
drehbar
gelagert ist. Für Vertikalbohrungen gibt es auch bereits
Zielbohrstangen mit eingebauter automatischer Vertikalsteuerung unter Ausnutzung
der Erdanziehungskraft und Verwendung des Druckes der Spülflüssigkeit.
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Die gebräuchlichen Zielbohrstangen, wie sie bis heute noch für alle
von der Vertikalrichtung abweichenden Bohrungen eingesetzt werden, sei es bei Voll-
oder Kernbohrungen, befriedigen in keiner Weise, da sie noch immer eine unzulässig
hohe Abweichung der Bohrung von der gewünschten Richtung zulassen. Die unerwünschten
Abweichungen treten insbesondere in Ubergangszonen von harten zu weicheren Schichten
auf, besonders bei spitzwinkligem Auftreffen.
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Hier arbeitet sich das Bohrwerkzeug leichter in die weichen Schichten
ein, ebenso die nachfolgenden, mit Führungsleisten bestückten Zielbohrstangen. Die
hierbei einmal eingeleitete Abweichung vergrößert sich parabelförmig infolge Durchbiegens
der nachfolgenden, unter Druckspannung stehenden Gestängerohre, welche den von der
außenstehenden Bohrmaschine erzeugten erforderlichen Andruck auf das Bohrwerkzeug
übertragen.
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Zusammenfassend ist festzustellen, daß sowohl nach dem Voll- als auch
Kernbohrverfahren man bis heute mit den zur Verfügung stehenden Mitteln nicht in
der Lage ist, eine geradlinige Horizontalbohrung bis ca. 100 m Länge routinemäßig
herzustellen, ohne zwischenzeitlich Richtungsmessungen durchzuführen und der festgestellten
Abweichung entsprechend die Bohrung zu richten. Diese Arbeiten sind naturgemäß außerordentlich
zeitraubend und aufwendig, besonders bei Bohrungen von 1000 m und mehr Teufe.
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Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß für Voll- und Kernbohrungen
nach dem Seilkernbohrverfahren zwei vollkommen verschiedene Gestängerohr- und mithin
Maschinen-Ausrüstungen eingesetzt werden müssen.
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Die vorliegende Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, die vorgenannten
Nachteile zu beseitigen und schlägt einen Stabilisator für Tieflochbohrungen vor,
welcher die Richtung des Bohrwerkzeuges bei Abweichung von der vorgegebenen Bohrlochrichtung
selbsttätig korrigiert, wobei sowohl für Voll- wie für Kernbohrungen nach dem Seilschlagverfahren
gleichartige Gestängerohre verwendet werden können. Die Lösung der Aufgabe besteht
darin, daß der Stabilisator aus dem inneren Gestängerohr 1,3 und dem auf diesen
maschinenseitig fliegend gelagerten, am Umfang mit Führungsleisten 8,9 und Blattfedern
10 versehenem Richtungsmeßrohr 5 sowie dem werkzeugseitig zwischen den beiden Rohren
angeordnetem Steuergehäuse 6 besteht, in welchem eine Mehrzahl von gleichmäßig über
den Umfang verteilte, sich mit ihren Kolben immer am Richtungsmeßrohr 5 abstützende
Steuerventile 12 und mit diesen jeweils in hydraulischer Verbindung stehende Arbeitskolben
13 so angeordnet sind, daß bei Abweichung von der Bohrrichtung die in Richtung der
Abweichung liegenden Steuerventile 12 vom Richtungsmeßrohr 5 geöffnet werden und
dadurch vermittels des Druckes der Spülflüssigkeit über die zugeordneten Arbeitskolben
13 eine Rückstellkraft auf das Richtungsmeßrohr 5 ausgeübt wird.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist auf der beigefügten Zeichnung
schematisch dargestellt; die Funktion wird nachstehend erläutert.
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Fig. I zeigt einen Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen Stabilisator
für Tieflochbohrungen mit Steuerung und radial angeordneten Arbeitskolben. In der
oberen Hälfte der Darstellung ist eine Kernbohrkrone mit eingesetztem glatten Innenrohr
für das Bohren nach der Seilkernbohrmethode dargestellt, in der unteren Hälfte der
Aufbau für ein Vollbohrwerkzeug.
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Fig. II zeigt das dazugehörige Verlängerungs-Gestängerohr, wiederum
in der oberen Hälfte für das Bohren nach dem Seilkernbohrverfahren und in der unteren
Hälfte für Vollbohrungen.
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In Fig. I hat Gestängerohr 1 maschinenseitig das Anschlußgewinde 2
für die Verbindung mit den nachzuführenden Gestängerohren 3 nach Fig. II und bohrwerkzeugseitig
das Aufnahmegewinde 4 für die Bohrwerkzeuge. Letztere können selbstverständlich
je nach Härte des zu bohrenden Gesteins sowohl für Kern- als auch für Vollbohrungen
diamant- oder hartmetallbestückt bzw. als Rollenmeißel ausgebildet sein.
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Auf dem Gestängerohr 1 ist das Richtungsmeßrohr 5 mit Steuergehäuse
6 drehbar gelagert. Das Richtungsmeßrohr 5 ist freistehend einseitig auf einem Pendellager
7 gelagert und trägt am äußeren Umfang vorn und hinten mindestens je 4 Stück Führungsleisten
8 und 9. Die Führungsleisten 8 und 9 entsprechen im äußeren Durchmesser dem des
jeweiligen Bohrwerkzeuges und sind so gearbeitet, daß zwischen den einzelnen Führungsleisten
das Bohrgut vom Bohrwerkzeug her mittels der vorgesehenen Spülung durchgeschleust
werden kann.
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Weiter ist das Richtungsmeßrohr 5 außen mit mindestens 2 Stück Blattfedern
10 o.ä. ausgerüstet, die sich federnd an der
Bohrlochwand abstützen
und so ein Mitrotieren des Richtungsmeßrohres 5 verhindern. Im fliegend gelagerten
Richtungsmeßrohr 5 ist ein elastischer Ring 11 eingearbeitet, der sich vorne auf
Steuergehäuse 6 abstützt und somit den Steuermechanismus gegen Verschmutzung schützt
und gleichzeitig das Steuergehäuse 6 nicht mitrotieren läßt.
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Im vorderen Teil stützt sich Richtungsmeßrohr 5 zudem auf mindestens
4 Stück - vorzugsweise 8 Stück oder mehr -radial im Steuergehäuse 6 angeordneten
Steuerventile 12 ab, die ihrerseits mit mindestens 4 Stück - vorzugsweise 8 Stück
- radial im Steuergehäuse 6 angeordneten Arbeitskolben 13 in hydraulischer Verbindung
stehen.
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Die unter Druck stehende Spülung wird durch die Gestängerohre dem
Bohrwerkzeug 14 bzw. 14' und über Bohrung 15 - abgedichtet mit Rotationsdichtungen
16 - allen auf dem Umfang angeordneten Ventilen mit Steuerkolben 12 zugeführt.
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Damit die Spülung mit dem notwendigen Druck durch Bohrung 15 gepreßt
wird, ist bei Einsatz eines Vollbohrwerkzeuges die Stauscheibe 17 vorgesehen mit
entsprechend verengtem Durchtrittsquerschnitt.
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Beim Bohren nach dem Seilkernbohrverfahren ist anstelle der Stauscheibe
17 ein glattwandiges Innenrohr 18 mit Haltebund 19 und Querbohrung 20 vorgesehen.
Das glattwandige Innenrohr 18 ist hier kürzer gehalten als das Gestängerohr 1, damit
nach dem Verschrauben mit dem nachfolgenden Gestängerohr 3 eine Ringnut 26 für das
Einrasten des Haltemechanismus der Seilkerngarnitur entsteht. Eine Querschnittsverengung
am Kopf des eingeführten (hier nicht
dargestellten), allgemein bekannten
Seilkernrohres sorgt hierbei für den notwendigen Staudruck für das Durchpressen
der Spülung durch Bohrung 20.
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Die nach dem Erfindungsgedanken zugehörenden Gestängerohre 3 nach
Fig. II sind bei Vollbohrungen bohrwerkzeugseitig mit Sieb 22 und maschinenseitig
mit Rückschlagkugel 23 ausgerüstet. Bei Kernbohrungen ist anstelle des Siebes 22
und Rückschlagkugel 23 ein glattwandiges Innenrohr 24 mit Haltebund 25 vorgesehen.
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Arbeitsweise: Der erfindungsgemäße Stabilisator für Tieflochbohrungen
wird wie bei dem allgemein üblichen Bohrablauf der gewünschten Bohrrichtung entsprechend
eingebohrt und durch schußweises Nachführen der einzelnen Gestängerohre tiefer gebohrt.
Hierbei zentriert sich das Richtungsmeßrohr 5 mit seinen Führungsleisten 8 und 9
in der Bohrung, wobei die sich an der Bohrlochwand abstützenden Blatt federn 10
ein Mitrotieren des Richtungsmeßrohres 5 und des damit verbundenen Steuergehäuses
6 verhindern. Die unter dem Druck der Spülung stehenden Steuerventile 12 stützen
sich bei geradlinigem Verlauf der Bohrung alle spielfrei in einer entsprechenden
Ausdrehung des Richtungsmeßrohres 5 ab.
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Sobald das Bohrwerkzeug 14 oder 14' mit Gestängerohr 1 die vorgegebene
Bohrrichtung verläßt, wird gleichzeitig das nicht mitrotierende Steuergehäuse 6
radial verschoben.
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Bei dieser Radialverschiebung werden an der entsprechenden Seite die
Kolben-Steuerventile 12 abgehoben, so daß die
unter Druck stehende
Spülung die jeweiligen Arbeitskolben 13 beaufschlagen kann. Letztere stützen sich
im Richtungsmeßrohr 5 ab, so daß das Bohrwerkzeug in die Ausgangsrichtung zurückgeführt
wird. Sobald die Ausgangs richtung wieder erreicht ist, werden alle Steuerventile
12 von dem Druck der Spülung auf ihren Ventilsitz gedrückt und sperren so die weitere
Zuführung der Spülung zu den jeweiligen Arbeitskolben 13 ab. Die Steuerventile 12
sind in der Durchtrittsbohrung locker geführt, so daß eine geringe Leckage erfolgt,
die ausreichend ist, die beaufschlagt gewesenen Arbeitskolben 13 wieder zu entlasten.
Die abgeleitete Spülung kann durch Bohrung 27, die vor eindringendem Schmutz durch
eine Rückschlagkugel geschützt ist, entweichen. Selbstverständlich ist die Leckage
so klein dimensioniert, daß bei geöffneten Steuerventilen 12 ein genügend großer
Querschnitt freigelegt wird und Kolben 13 entsprechend beaufschlagt werden Bei Vollbohrungen
oder Bohrungen nach der Seilkernmethode bleibt die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen
Bohrrichtungsstabilisators unverändert. Lediglich die Innenausrüstung der Gestängerohre
muß der angewandten Bohrmethode entsprechend gewählt werden. Beim Seilkernbohren
wird in Gestängerohr 1 das glatte Innenrohr 18 für die Aufnahme der nicht dargestellten
Seilkerngarnitur eingesetzt. Das Innenrohr 18 wird mit Haltebund 19 axial mit dem
Einschrauben des Bohrwerkzeuges 14' festgelegt.
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Für den Durchtritt der Spülung zum Steuermechanismus dient Querbohrung
20. Das glattwandige Innenrohr ist in der Länge so dimensioniert, daß zum Gestängerohr
1 und nachfolgend aufgeschraubtem Gestänge rohr 3 eine Ringnut 26 für das Einrasten
der Seilkerngarnitur nach bekanntem Verfahren freibleibt.
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Bei den Gestängerohren 3 nach Fig. II entspricht beim Seilkernbohren
das glatte Innenrohr 24 der vollen Nutzlänge der Gestängerohre, so daß beim Aneinanderschrauben
eine übergangsfreie Innenbohrung entsteht. Vorteilhafterweise verhindert das eingesetzte
glattwandige Innenrohr 24 das Mitreißen vorhandener Verunreinigungen wie abblätternder
Innenrost o.ä. aus den Gestängerohren 3 durch die Spülung; dies ist sehr wichtig,
da bei Seilkernbohrungen keine Schutzsiebe 22 eingesetzt werden können.
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Bei Vollbohrungen wird das glattwandige Innenrohr 24 aus den Gestängerohren
3 entfernt und durch Sieb 22 und der allgemein üblichen Rückschlagkugel 23 ersetzt.
Die Rückschlagkugel 23 hat die Aufgabe, bei aufwärts gerichteten Vollbohrungen den
Rückfluß der Spülung aus den Gestängerohren beim schußweisen Verlängern zu verhindern.
Das Sieb 22 verhindert gleichzeitig beim Bohren das Durchspülen der Rückschlagkugel
23.
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Die kostspieligen Ausrüstungen, - wie Bohrmaschine und Gestängerohre,
- bleiben mithin für beide Bohrmethoden nach der vorliegenden Erfindung gleich.
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Selbstverständlich läßt sich die Erfindung neben der dargestellten
nach mehreren konstruktiven Lösungen verwirklichen.