DE2734020C3 - Stabilisator für Tiefbohrungen und Bohrgestänge dafür - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Stabilisator zur selbsttätigen Einhaltung einer vorgegebenen Vortriebsrichtung beim bergmännischen Tiefbohren mit einer Spülflüssigkeit, mit einem den Bohrmeißel tragenden Gestängerohr und einem auf diesem drehbar angeordneten und Führungsleisten und Anpreßstücken versehenen Außenrohr. Des weiteren betrifft die Erfindung ein Bohrgestänge für Voll- und Kernbohrungen mit einem derartigen Stabilisator.

Bei Tiefbohrungen im Über- und Untertagebergbau ist die Einhaltung der gewünschten Bohrrichtung bei der heute allgemein angewandten Bohrtechnik nicht zufriedenstellend gewährleistet. Die Erdanziehung, Schichtung der Erdformation — von harten auf weiche Schichten oder umgekehrt — sowie die Außenreibiing des Bohrwerkzeuges und Gestänges bewirken Abweichungen von der vorgegebenen Bohrrichtung. Das trifft sowohl für Kern- als auch für Vollbohrungen zu. Insbesondere im Untertagebergbau, wo oft Ansatz- und ϊ 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

ίο unbekannte Lagerstätten erkundet werden sollen, ist ein geradliniger Verlauf der Bohrung sehr wichtig. Aufschlußbohrungen werden sowohl nach dem Voll- aJs auch Kernbohrverfahren durchgeführt Bis heute versucht man, den geradlinigen Verlauf

is einer Bohrung durch den Einbau von sogenannten Zielbohrstangen oder Stabilisatoren zu erreichen. Hierbei 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 Vertikidbohrungen gibt es auch bereits Zielbohrstangen mit eingebauter automatischer Verti-

jo kalsteuerung unter Ausnutzung der Erdanziehungskraft und Verwendung des Druckes der Spülflüssigkeit (DE-AS 11 16 166; DE-OS 20 16 952; US-PS 36 77 354; Steinkohlenbergbauverein: »Kurznachrichten aus Bergtechnik und Kohleveredlung« Nr. 97, September 76,

Die gebräuchlichen Zielbohrstangen, die bis heute noch für alle von der Vertikalrichtung abweichenden Bohrungen eingesetzt werden, sei es bei Voll- oder Kernbohrungen, befriedigen in keiner Weise, da sie

•»o noch immer eine unzulässig hohe Abweichung der Bohrung von der gewünschten Richtung zulassen. Die unerwünschten Abweichungen treten insbesondere in Übergangszonen von harten zu weicheren Schichten auf, besonders bei spitzwinkligem Auftreffen. 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 und unter Druckspannung stehenden Gestängerohre, welche den von der außenstehenden Bohrmaschine erzeugten erforderlichen Andruck auf das Bohrwerkzeug übertragen. 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 Tiefe. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß für Voll- und Kernbohrun-

^h'> gen nach dem Seilkernbohrverfahren zwei vollkommen verschiedene Gestängerohr- und mithin Maschinenausrüstungen eingesetzt werden müssen. Die vorliegende Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt.

die vorgenannten Nachteile zu beseitigen und schlägt einen Stabilisator für Tieflochbohrungen, welcher die Richtung des Bohrwerkzeuges bei Abweichungen von der vorgegebenen Bohrlochrichtung selbsttätig korrigiert, und ein Bohrgestänge für Voll- wie für Kernbohrungen nach dem Seilbohrverfahren vor, bei dem gleichartige Gestängerohre verwendet werden können.

Die Lösung der Aufgabe besteht hinsichtlich des Stabilisators der bezeichneten Art in den im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen. Bezüglich des beanspruchten Bohrgestänges besteht die entsprechende Lösung im Kennzeichen des Anspruchs 5.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist auf der Zeichnung schematisch dargestellt. Die Funktion wird nachstehend erläutert.

F i g. 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.

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.

In F i g. I hat das 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 Kernais auch für Vollbohrungen diamant- oder hartmetallbestückt bzw. als Rollenmeißel ausgebildet sein.

Auf dem Gestängerohr 1 ist das Außenrohr bzw. 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 Führungsleis'.sn 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.

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 Riclmngsmeßrohr 5 ist ein elastischer Ring U eingearbeitet, der sich vorne auf Steuergehäcse 6 abstützt und somit den Steuermechanismus gegen Verschmutzung schützt und gleichzeitig das Steuergehäuse 6 nicht mitrotieren läßt.

Im vorderen Teil stützt sich Richtungsmeßrohr 5 zudem auf mindestens 4 Stück — vorzugsweise 8 Stück oder mehr — radial im Steuergehäuse 6 angeordneten Steuerventilen 12 ab, die ihrerseits mit mindestens 4 Stück — vorzugsweise 8 Stück — radial im Steuergehäuse 6 angeordneten Arbeitskolben 13 in hydraulischer Verbindung stehen.

Die unter Druck stehende Spülung wird durch die Gestängerohre dem Bohrwerkzeug 14 bzw. 14' und über die Bohrung 15 — abgedichtet mit Rotationsdichtungen 16 — allen auf dem Umfang angeordneten Ventilen mit Steuerkolben 12 zugeführt.

Damit die Spülung mit c'en notwendigen Druck durch Bohrung 15 gepreßt wird, ist bei Einsatz eines Vollbohrwerkzeqges die Stauscheibe 17 vorgesehen mit entsprechend verengtem Durchtrittsquerschnitt,
Beim Bohren nach dem Seilkernbohrverfahren isc

■-, 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

κι 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

ii durch Bohrung 20.

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 Führungsieisten 8 und 9 in der Bohrung, wobei die sich an der Bohrlochwand abstützenden Blattfedern 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 gradlinigem Verlauf der Bohrung alle spielfrei in einer

ίο entsprechenden Ausdrehung des Richtungsmeßrohres 5 ab.

Sobald das Bohrwerkzeug 14 oder 14' mit Gestängerohr 1 die vorgegebene Bohrrichtung verläßt, wird gleichzeitig das nicht mitrotierende Steuergehäuse 6

J5 radial verschoben. 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 Ausgangsricfitung wieder zurückgeführt wird. Sobald die Ausgangsrichtunp 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 die Kolben 13 entsprechend beaufschlagt werden.

Bei Vollbohrungen oder Bohrungen nach der Seilkernmcihode bleibt die Arbeitsweise «es erfindungsgemäßen Bohrrichtungsstabilisators unverändert. Lediglich die Innenausrüstung der Gestängerohre muß der angewandten Rohrmethode entsprechend gewählt werden. Beim Seilkernbohren wird in Gestängerohr 1 das glätte Ifinenföhf 18 für die Aufnähme der nicht dargestellten Seilkerngarnitur eingesetzt. Das Innenrohr 18 wird mit Haltebund 19 axial mit dem

h^r> Einschrauben des Bohrwerkzeuges 14' festgelegt.

Für den Durchtriti der Spülung zum Steuermechanismus dient Querbohrung 20. Das glattwandige Innenrohr ist in der Länge so dimensioniert, daß zum Gestänge-

rohr t und nachfolgend aufgeschraubtem Gcstängernhr 3 eine Ringnut 26 für das Einrasten der Seilkerngarnitur nach bekanntem Verfahren freibleibt.

Bei den Gestängerohren 3 nach Fig. Il entspricht beim .Seilkernbohren das glatte Innenrohr 24 der vollen Nutzlänge der Gestängerohre, so daü beim Aneinander schrauben eine übergangsfreie Innenbohrung entsteht. Vorieilhafterweise verhindert das eingesetzte glaltwandige 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.

Bei VollbdhrungL'ii wird das glatlwandige hmenrolii 24 aus den Gesiiingcrohren 3 entfernt und durch Sieb 22 und der allgemein üblichen Rücksdilagktigel 23 ersetzt. Die Rückschlagkugel 23 hat die Aufgabe, bei aufwärts gerichteten Vollbohrungen den Rückfluß der Spülung aus den Gcstangemhren beim schußweisen Verlängern zu verhindern. Das Sieb 22 verhindert gleichzeitig beim Bohren das Durchspülen der Rückschlagkugcl 23.

Die kostspieligen Ausrüstungen, wie Bohrmaschine und Gestängerohre, bleiben mithin für beide Bohrmethoden nach der vorliegenden Erfindung gleich.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Stabilisator zur selbsttätigen Einhaltung einer vorgegebenen Vortriebsrichtung beim bergmännischen Tiefbohren mit einer Spülflüssigkeit, mit einem den Bohrmeißel tragenden Gestängerohr und einem auf diesem drehbar angeordneten, mit Führungsleisten und Anpreßstücken versehenen Außenrohr, dadurch gekennzeichnet, daß das als Richtungsmeßrohr (5) ausgebildete Außenrohr antriebsseitig auf dem inneren Gestängerohr (1) pendelnd gelagert und meißelseitig zwischen den beiden Rohren (5; 1) ein Steuergehäuse (6) angeordnet ist, welches eine Mehrzahl gleichmäßig über den Umfang verteilter, mit Kolben innen am Richtungsrohr (5) radial abstützbarer Steuerventile (12) und jeweils hydraulisch mit diesen verbundener, radial beweglicher Arbeitskolben (13) aufweist, wobei durch Abweichung von der vorgegebenen Vortriebsrichtung die in Richtung der Abweichung liegenden Steuerventile (12) durch Radialdruck des Richtungsrohres (5) zu öffnen sind, ein FiieSweg für die Spülflüssigkeit zu den entsprechenden Arbeitskolben (13) hin freigebbar ist und durch diese eine Rückstellkraft auf das Richtungsmeßrohr (5) ausübbar ist.

2. Stabilisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Richtungsmeßrohr (5) und Steuergehäuse (6) eine kraftschlüssige, radial bewegliche, schmutzundurchlässige Verbindung besteht.

3. Stabilisator nach den Ansprüchen 1 und 2 für Vollbohrung-n, dadurch gekennzeichnet, daß das den Bohrrichtungsstabilisator tragende erste Gestängerohr (1) mit einer Spülungsstauscheibe (17) ausgerüstet ist.

4. Stabilisator nach den Ansprüchen 1 und 2 für Seilkernbohrungen, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Gestängerohr mit einem glattwandigen Innenrohr (18) versehen ist, wobei im Gestängerohr (1) eine Ringnut (26) für das Einrasten der Axialsicherung des Seilkernrohres freigehalten bleibt.

5. Bohrgestänge für Voll- und Kernbohrungen mit einem Stabilisator nach den Ansprüchen I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Fuße des Innengewindes der Gestängerohre (3) ein Ringraum zur Aufnahme entweder eines Schmutzsiebes (22) oder des Haltebundes (25) eines glatten Innenrohres (24) ausgebildet ist.