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Vorrichtung zum Lufthebebohren
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für Bohrgestänge,
insbesondere Doppelwand-Bohrgestänge, zum Lufthebebohren mit einer Luftleitung und
einem im Weg zwischen dieser und dem die hochsteigende Spülung führenden Gestängehohlraum
angeordneten Ventil.
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Beim Lufthebebohren, auch als Bohren mit indirekter oder umgekehrter
Spülung bzw. Gegenspülung bezeichnet, wird durch Einleiten von Luft in das Innere
des hohlen Bohrgestänges das Gewicht der Flüssigkeitssäule im Gestänge gegenüber
der das Gestänge umgebenden Flüssigkeitssäule im Bohrloch derart vermindert, daß
die Spülung im Gestänge hochsteigt und dabei das vom Bohrwerkzeug gelöste Bohrgut
mitnimmt und nach oben fördert. Die benötigte Luft wird normalerweise von einem
Kompressor geliefert.
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Es ist bekannt, an der Stelle des Bohrgestänges, an der die Luft aus
der Luft leitung in den Gestängehohlraum eingeführt wird, ein als normales Rückschlagventil
wirkendes Sperrventil vorzusehen, das einerseits den Durchtritt der einzublasenden
Luft ermöglicht, andererseits aber verhindert, daß bei nicht vorhandenem Luftdruck
Spülung in die Luftleitung eindringt. Die maximale Tiefe, bei der Luft in das Gestängeinnere
eingeblasen werden kann, hängt vom erzeugten Luftdruck bzw. vom Gegendruck der Spülungssäule
ab. Beim Erreichen dieser größten Einblastiefe mußte bisher bei allen Bohrgestängen,
die eine einzige Luftleitung haben, so namentlich auch bei Doppelwand-Bohrgestängen,
der Bohrstrang gezogen und eine Anzahl von Bohrstangen ausgebaut werden, um ein
weiteres Ventil mit zugehörigem Gestängeteil so in den Bohrstrang einzubauen, daß
dieses Ventil beim Weiterbohren in die notwendige Einblastiefe gelangen kann. Dies
ist sehr unangenehm und nachteilig, weil damit u.a. ein erheblicher Aufwand bei
entsprechender Unterbrechung des Bohrvorganges verbunden ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, bestehende Schwierigkeiten und Unzulänglichkeiten
zu überwinden und eine Vorrichtung für das Lufthebebohren zu schaffen, insbesondere
für den Einsatz von Bohrgestängen mit nur einer Luftzuführungsleitung, z.B. Doppelwand-Bohrgestängen,
die es ermöglicht, bei fortschreitender Bohrarbeit Luft in dem jeweiligen Tiefenbereich
bis zur gegebenen größten Einblastiefe
in den Gestängehohlraum
einzuleiten, ohne daß dazu wie bisher in mehr oder weniger großem Umfang ein Ausbauen
des Gestänges notwendig ist. Dabei strebt die Erfindung zugleich vorteilhafte Ausführungen
einer solchen Vorrichtung an. Mit der Gesamtaufgabe in Verbindung stehende weitere
Probleme, mit denen sich die Erfindung befaßt, ergeben sich aus der jeweiligen Erläuterung
der aufgezeigten Lösung.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kennzeichnet sich dadurch, daß sie
wenigstens ein in Abhängigkeit vom Druck der im Bohrloch außerhalb des Gestänges
befindlichen Flüssigkeit (Bohrlochflüssigkeit) betätigbares Luftdurchlaß-Offnungsventil
aufweist.
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Das Ventil kann für einen bestimmten Ansprech- oder Betätigungsdruck
ausgelegt oder vorbereitet sein. Insbesondere ist dieser Druck oder Druckbereich,
bei dem das Ventil öffnen soll, einstellbar, so daß auch sehr unterschiedlichen
Anforderungen Rechnung getragen werden kann.
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Ein Bohrstrang, der in gewissen Abständen mit solchen Ventilen versehen
ist, läßt ein fortlaufendes Bohren zu, wobei die Luft immer in dem gewünschten Tiefenbereich
in den Gestängehohlraum eingeblasen wird, ohne daß wie bisher ein Ziehen des Gestänges
und ein Ausbauen von Bohrstangen erforderlich ist, um das nächste Ventil in die
notwendige
Einblastiefe zu bringen. Bei der Erfindung kann der Bohrstrang im Zuge der mit größerer
Bohrtiefe jeweils erforderlichen Verlängerung, also beim Einbau neuer Gestängeteile,
in entsprechenden Abständen mit zumindest im Öffnungssinne automatisch in Abhängigkeit
von Druckänderungen arbeitenden Ventilen versehen werden, was ohne Schwierigkeiten
möglich ist. Diese Ventile können vor dem Einbau so eingestellt oder vorbereitet
sein, daß sie erst in der geforderten Tiefe die Luft in das Gestängeinnere einlassen,
vor dem Öffnen aber die Luft zum jeweils tieferliegenden Ventil passieren lassen.
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Die Vorrichtung mit einem oder mehreren druckabhängig ansprechenden
Ventilen ist vorteilhaft in einen Bohrstrangteil eingebaut.
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Dies kann nicht nur eine Stange sein, sondern auch ein anderer Teil
des Bohrstranges, so u.a. namentlich ein Räumer, ein Übergangsstück, eine Schwerstange,
ein Meißel oder anderes Bohrwerkzeug od.
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dgl. sein. Weiterhin kann die Vorrichtung auch eine nach Bedarf beliebig
zwischen zwei Bohrgestängeteile einfügbare separate Einheit bilden.
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Zweckmäßig ist zwischen dem automatischen Ventil und dem Gestängehohlraum
ein Rückschlagventil vorgesehen, das ein Austreten von Spülung aus dem Gestängehohlraum
in die Luftwege hinein verhindert.
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Eine raumsparende und auch für die Fertigung günstige Ausführung
ergibt sich, wenn die Achsen des Rückschlagventils und des automatischen Ventils
zueinander versetzt sind.
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Sie können dabei namentlich windschief zueinander verlaufen. Insbesondere
kann die Achse des Rückschlagventils radial zur Längsachse bzw. der Achse des Bohrstranges
gerichtet sein, während die Achse des druckabhängigen Ventils etwa parallel zur
Längsachse der Vorrichtung oder in einem spitzen Winkel zu dieser Längsachse verläuft.
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Das druckabhängige Ventil kann als Sitzventil mit federbelastetem
Ventilkörper, etwa einer Kugel, ausgebildet sein. Bei einer vorteilhaften Ausführung
weist das Ventil einen unmittelbar von der Bohrlochfiüssigkeit beaufschlagbaren
Steuerkolben auf. Dieser kann insbesondere starr mit einem Betätigungsglied für
einen Ventilkörper verbunden sein oder selbst ein solches Betätigungsglied bilden.
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Es kann wünschenswert sein, den Schließzustand und den Offnungszustand
des Ventils zu fixieren. Zu diesem Zweck läßt sich dem Steuerkolben oder einem mit
diesem verbundenen Teil, so auch einem Betätigungsglied, eine Arretierungsvorrichtung
zuordnen, mittels derer der Steuerkolben oder das Betätigungsglied in zwei Positionen
lösbar festlegbar ist, von denen die eine dem Schließzustand des Ventils und die
andere seinem Uffnungszustand entspricht, wobei der Steuerkolben unter Überwindung
eines nachgiebigen Widerstandes der Arretierungsvorrichtung jeweils aus der einen
in die andere Position überführbar ist. Wird
der nachgiebige Widerstand
der Arretierungsvorrichtung in seiner Größe einstellbar gemacht, so kann dadurch
die Vorspannung der Arretierung verändert werden, was zugleich eine Einstellbarkeit
der Betätigungskraft für das Ventil bedeutet.
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Im einzelnen kann die Arretierungsvorrichtung ein durch eine Druckfeder
belastetes Rastorgan in Form einer Kugel od.dgl. aufweisen, die zum Eingriff in
Ausnehmungen, Rillen od.dgl. am Steuerkolben oder Betätigungsglied bestimmt ist.
Die Druckfeder bildet hierbei den nachgiebigen Widerstand. Die Kraft der Druckfeder
ist vorteilhaft mittels einer Stellschraube veränderbar.
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Bei einer anderen günstigen Ausführung des Ventils ist dem Steuerkolben
oder einem mit diesem verbundenen Teil eine Belastungsvorrichtung zugeordnet, mittels
derer der Steuerkolben mit einer dem Druck der Bohrlochflüssigkeit entgegenwirkenden
Druckkraft belastbar ist. Wird der von der Belastungsvorrichtung erzeugte Gegendruck
(sowie der sonst vorhandene Widerstand) durch den Druck der Bohrlochflüssigkeit
überwunden, öffnet das Ventil Die Belastungsvorrichtung weist insbesondere einen
dem Steuerkolben benachbarten abgedichteten Druckraum auf, der mit Druckmedium,
etwa mit Luft oder einem anderen Gas, von vorgebbarem Druck gefüllt ist bzw. gefüllt
werden
kann. Vorteilhaft ist der Druckraum wenigstens teilweise
als Zylinder ausgebildet, namentlich derart, daß darin ein Teil des Steuerkolbens
verschiebbar geführt ist.
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Um dem Druckraum Druckmedium zuzuführen, läßt sich eine mit einem
Einlaßventil versehene Zuleitung vorsehen. Diese kann mit dem Ventil insbesondere
im Steuerkolben selbst angeordnet sein.
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Die Ausführung läßt sich auch so treffen, daß der Druckraum einen
mit gasförmigem Medium von vorgegebenem oder vorgebbarem Druck gefüllten flexiblen
Hohlkörper enthält.
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Ein solcher Hohlkörper kann auch von einer Flüssigkeit von vorgegebenem
oder vorgebbarem Druck umgeben sein.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, aus der zugehörigen
Zeichnung und aus den Ansprüchen. Es zeigen: Fig. 1 eine mit der Ventilvorrichtung
ausgestattete Stange eines Doppelwand-Bohrgestänges, teils in Ansicht, teils im
Schnitt, Fig. 2 eine Stirnansicht des Ventilendes der Stange nach Fig. 1, Fig. 3
einen Schnitt nach der Linie III - III in Fig. 2, Fig. 4 einen Schnitt nach der
Linie IV - IV in Fig. 1 und 3,
Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie
V - V in Fig. 1 und 3, Fig. 6 eine andere Ausführung der Vorrichtung in einer der
Fig. 3 entsprechenden Schnittdarstellung und Fig. 7 einen Schnitt nach der Linie
VII - VII in Fig. 6.
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Die in Fig. 1 und 2 wiedergegebene Stange 1 ist ein Doppelwand-Gestängeteil
und weist ein Außenrohr 2 sowie ein unter Belassung eines durchgehenden Ringraumes
4 in diesem angeordnetes Innenrohr 3 auf, das sich mit einzelnen, in der Nähe seiner
Enden über den Umfang verteilt angeordneten Ansätzen 6 od.dgl. innenseitig am Außenrohr
2 abstützt und das den beim Lufthebebohren zur Führung von aufsteigender, mit dem
Bohrklein beladener Spülung bestimmten durchgehenden Gestängehohlraum 5 umschließt.
Der Ringraum 4 dient als Luftleitung. Die Stange 1 ist am unteren Ende mit einem
Außengewinde 7 und am oberen Ende mit einem Innengewinde 8 versehen, so daß sie
zur Bildung eines Bohrstranges mit gleichartigen Gestängeteilen verschraubt werden
kann. Die am oberen Ende eines solchen Bohrstranges vorgesehenen Einrichtungen zum
Heraus leiten der Spülung aus dem Gestängeinneren 5 und zum Einleiten der z.B. von
einem Kompressor gelieferten Druckluft können von üblicher Art und Ausbildung sein
und sind nicht besonders dargestellt.
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In der Nähe ihres unteren Endes ist die Stange 1 mit drei sternförmig
angeordneten rippenartigen Vorsprüngen 9 versehen. In jedem derselben ist eine jeweils
ein Rückschlagventil 10 und ein druckabhängig arbeitendes dffnungs-Ventil 11 enthaltende
Einrichtung untergebracht, wie sie nachstehend im einzelnen anhand der Figuren 3
bis 5 erläutert wird.
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Das auf den Druck der das Bohrgestänge im Bohrloch umgebenden Flüssigkeit
ansprechende Ventil 11 weist im wesentlichen folgende Teile auf: einen Ventileinsatz
12, ein Ventilstück 13, das einen Sitz 14 für einen Ventilkörper in Form einer Kugel
15M"aus Kunststoff} bildet, eine die Kugel 15 in Anlage am Sitz 14 haltende, schematisch
angedeutete Druckfeder 16, die sich mit ihrem anderen Ende an einem Widerlager 17
abstützt, eine das Ventilstück 13 festlegende Verschlußschraube 18, einen mit seinem
Mittelteil im Ventilstück 13 geführten Steuerkolben 20, dessen vordere Verlängerung
20a ein Betätigungsglied für das Sitzventil 14, 15 bildet und dessen hinterer Teil
von einer Schutzhülse 19 umgeben ist. Die letztere ist mittels einer sie querenden
Schraube 21 gehalten, die zugleich einen Sicherheitsanschlag für den Kolben 20 ist.
Weil die Hülse 19 offen ist, kann der Kolben 20 von der das Bohrgestänge im Bohrloch
umgebenden Flüssigkeit beaufschlagt werden.
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Der mittlere Teil des Ventilstückes 13 ist von vier Speichen 13a gebildet,
zwischen denen Durchlässe vorhanden
sind, so daß eine ständige
Verbindung zwischen dem Innenraum des Ventil stückes 13 und der umgebenden ringförmigen
Kammer 22 besteht. Die Achse 23 des Ventils 11 ist leicht gegenüber der Längsachse
A der Stange 1 geneigt, wie Fig. 3 erkennen läßt.
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Der Raum 24 oberhalb des Ventils 11 steht unmittelbar mit dem die
Luftleitung bildenden Ringraum 4 zwischen Innenrohr 3 und Außenrohr 2 in Verbindung,
während die ringförmige Kammer 22 am Ventilstück 13 mit einer Bohrung 25 Verbindung
hat, die gegenüber der Achse 23 des Ventils 11 seitlich versetzt ist und deren Achse
26 mit Bezug auf die Längsachse A der Stange 1 radial verläuft. In dieser Bohrung
25 sitzt das Rückschlagventil 10 mit einem eingeschraubten Ventilstück 27, das ähnlich
wie das'Ventilstück 13 einen von Speichen 28 gebildeten und somit Durchlasse aufweisenden
käfigartigen Mittelteil hat und einen Sitz 29 für eine Ventilkugel 30 bildet, und
mit einem an einem Absatz der Bohrung 25 anliegenden Ventileinsatz 31, in dem eine
die Kugel 30 belastende, sich an einem Widerlager 32 abstützende Druckfeder 33 untergebracht
ist und der sich in eine radiale Bohrung 34 des Innenrohres 3 hinein erstreckt,
derart, daß sein die Feder 33 enthaltender Raum unmittelbar mit dem Gestängehohlraum
5 in Verbindung steht, aber gegenüber dem Ringraum 4 zwischenAussen- und Innenrohr
abgedichtet ist.
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Der Steuer- oder Betätigungskolben 20 des Ventils 11 kann zwei definierte,
den Schließzustand und den Uffnungszustand des Ventils entsprechende Positionen
einnehmen, in denen er jeweils durch eine insgesamt mit der Ziffer 35 bezeichnete
Arretierungsvorrichtung gehalten wird. Letztere enthält, wie besonders Fig. 5 erkennen
läßt, eine on einer Druckfeder 36 belastete Kugel 37, die in eine von zwei nebeneinander
angeordneten Umfangsrillen 38 und 39 am Kolben 20 einrasten kann. Die Vorspannung
der Druckfeder 26 läßt sich mittels einer in ein Gewinde eines Einsatzteiles 41
eingreifenden Einstellschraube 40 verändern.
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Mit der Ziffer 42 ist eine Kontermutter zur Sicherung der Einstellung
bezeichnet.
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Der Einsatz der erläuterten Vorrichtung und ihre Arbeitsweise beim
Einbau der Stange 1 in einen Bohrstrang ist wie folgt.
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in Der Steuerkolben 20 erhält die0Fig. 3 gezeigte Position, wobei
die Kugel 37 der Arretierungsvorrichtung 35 in die Rille 38 eingreift. Das Ventil
11 ist somit geschlossen.
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Mittels der Einstellschraube 40 ist die Druckfeder 36 so vorgespannt,
daß eine bestimmte Kraft benötigt wird, um den Steuerkolben 20 unter Überwindung
dieses Widerstandes in Richtung auf die Ventilkugel 15 zu bewegen. Diese Kraft entspricht
im wesentlichen derjenigen Kraft, die auf den Steuerkolben 20 durch den Druck der
Flüssigkeit im Bohrloch
in derjenigen Tiefe wirkt, in der das
Ventil arbeiten soll. Bis diese Tiefe beim Bohren erreicht ist, bleibt das Ventil
geschlossen, so daß die Luft im Ringraum 4 der Stange 1 am Ventil 11 vorbeiströmt
und zu einem tiefer gelegenen Ventil gelangt, das geöffnet ist und somit den Eintritt
der Luft in das Gestängeinnere zuläßt. Ist eine weitere Länge abgebohrt und wird
dann eine Bohrstange am oberen Ende des Bohrstranges nachgesetzt, so fällt der Luftdruck
in der Luftleitung, bei der gezeigten Ausführung also im Ringraum 4, weg. Hat dabei
das betrachtete, im Bohrloch befindliche, zunächst noch geschlossene Ventil 11 die
richtige Tiefe erreicht, so kann der Flüssigkeitsdruck im Bohrloch, der den Steuerkolben
20 beaufschlagt, den an der Arretierung 35 eingestellten Widerstand und die außerdem
in dem Ventil noch vorhandenen Widerstände überwinden und den Steuerkolben 20 verschieben.
Dadurch wird mittels des Betätigungsstößels 20a die Ventilkugel 15 von ihrem Sitz
14'abgehoben, so daß beim Bohren nun die zugeführte Luft an der Kugel 15 vorbeiströmen
und durch den Raum 22 in den Bohrungsraum 25 des Rückschlagventils 10 sowie durch
dieses hindurch in den Gestängehohlraum 5 gelangt, wobei die Luft durch ihren Druck
die Kugel 30 des Rtekschlagventils 10 von ihrem Sitz 29 abhebt. Die Kugel 37 der
Arretierungsvorrichtung 35 ist bei der Betätigung des Steuerkolbens 20 in die zweite
Rille 29 desselben eingerastet, so daß das Ventil 11 in der Uffnungsposition gehalten
wird.
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Ist ein tieferliegendes Ventil vorhanden, so bleibt dessen geöffneter
Zustand ohne Auswirkung, weil das zugehörige Rückschlagventil vom dort wirkenden
höheren Spülungsdruck geschlossen gehalten wird. Das Zurückführen eines geöffneten
Ventils in die Schließposition kann von Hand durchgeführt werden, wenn das Bohrgestänge
einmal ganz gezogen wird, z.B. beim Auswechseln eines Bohrwerkzuges.
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Bei der Ausführung nach Fig. 6 bildet die Vorrichtung ein jeweils
an gewünschter Stelle in einen Bohrstrang zwischen zwei Bohrstangen als Einheit
50 einfügbares Zwischenstück.
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Diese Einheit 50 ist bei dem dargestellten Beispiel auch doppelwandig
ausgebildet und weist ein Außenrohr 2' sowie ein Innenrohr 3 auf, wobei der als
Luftführungsweg dienende Ringraum wiederum mit der Ziffer 4 und der die Spülung
führende Gestängehohlraum mit der Ziffer 5 bezeichnet ist. Zum Verschrauben mit
anschließenden Gestängeteilen dienen die Gewinde 7 und 8. Die Einheit 50 kann z.B.
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ebenso wie die Stange 1 nach Fig. 1 und 2 drei Vorsprünge 9 aufweisen
(von denen in Fig. 6 und 7 nur einer dargestellt ist), in denen Ventileinrichtungen
untergebracht sind.
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Die Ventilausführung kann auch bei einer solchen Einheit gleich derjenigen
nach Fig. 3 sein. In den Fig. 6 und 7 ist jedoch noch eine weitere Ausbildung gezeigt.
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Das automatische Ventil 51 enthält hierbei folgende, teils mit der
Ausführung nach Fig. 3 und 4 übereinstimmende, teils anders ausgebildete Elemente:
einen Ventileinsatz 12, eine Ventilkugel 15 mit zugehöriger Druckfeder 16 und Widerlager
17 für diese sowie ein Ventilstück 53 und einen Steuerkolben 60 mit stößelartigem
vorderen Teil 60a als Betätigungsglied zum Abheben der Kugel 15 von ihrem am vorderen
Teil des Ventilstückes 53 befindlichen Sitz 14. Der Mittelteil des Ventilstückes
53 weist auch bei dieser Ausführung vier Speichen 53a mit dazwischenliegenden Durchlässen
auf, während der hintere Teil einen teilweise als Zylinder 54a ausgebildeten Druckraum
54 einschließt. Der Steuerkolben 60 kann mit seinem Teil 60b in dem Zylinder 54a
gleiten. Mit der Ziffer 55 ist eine Überwurfmutter bezeichnet. Der Druckraum 54
ist durch Dichtungen 52, 56 gegenüber der Umgebung abgeschlossen. Ihm kann über
eine mit einem Einlaßventil 57 versehene Zuleitung 58 ein Druckmedium zugeführt
werden. Mit der Ziffer 59 ist ein vor dem Ventil 57 einschraubbarer Verschlußstopfen
bezeichnet.
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Bei dieser Ausführung wird die Vorspannung des Steuerkolbens nicht
durch eine Arretiervorrichtung bewirkt, sondern dadurch, daß der Druckraum 54 über
das Einlaßventil 57 mit Luft oder Gas von wählbarem Druck gefüllt wird.
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Nach Erreichen des gewünschten Druckes wird der Verschlußstopfen 59
eingeschraubt.
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Auch diesem automatischen Ventil 51 ist ein Rückschlagventil 10 zugeordnet
(Fig. 7), das demjenigen nach Fig.4 entspricht. Seine Teile sind deshalb mit denselben
Ziffern wie dort bezeichnet. Die Luft kann ihren Weg in der gleichen Weise wie bei
der Ausführung nach Fig. 3 und 5 nehmen.
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Das Ventil 51 nach Fig. 6 bleibt bis zu einem bestimmten, von der
Bohrtiefe abhängigen Druck der Flüssigkeit im Bohrloch geschlossen. Die Druckluft
strömt somit bis dahin an diesem Ventil vorbei zu einem tieferliegenden, bereits
geöffneten Ventil. Wird mit wachsender Bohrtiefe der auf die Außenseite des Steuerkolbens
60 wirkende Flüssigkeitsdruck größer als der Gegendruck im Druckraum 54 und die
sonstigen vorhandenen Widerstände, so bewegt sich der Steuerkolben 60 und hebt mittels
seines Betätigungsstößels 60a die Ventilkugel 15 vom Sitz 14 ab, so daß das Ventil
geöffnet ist. Dies geschieht in der Regel bei Erreichen der eingestellten Bohrtiefe,
wenn beim Nachsetzen einer Bohrstange der Druck im Ringraum 4 zwischen Innen-und
Außenrohr abfällt. Bei einem zwischenzeitlichen Ziehen des Bohrstranges, z.B. bei
einem Wechsel des Bohrwerkzeuges, kehrt das Ventil selbsttätig in seine Schließposition
mit auf dem Sitz 14 aufliegender Kugel 15 zurück, so daß vor dem erneuten Absenken
des Bohrstranges und dem Weiterbohren nichts veranlaßt zu werden braucht.
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Abweichend von der dargestellten Ausführung kann in dem Druckraum
54 auch ein mit Luft oder Gas gefüllter, ggfs.
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mit einer Einlaßvorrichtung versehener, flexibler Hohlkörper, z.B.
in Form eines Balges, einer Blase od.dgl.
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angeordnet sein. Ein solcher Hohlkörper kann dabei auch von einer
Flüssigkeit umgeben sein, namentlich mit vorgebbarem Druck.
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Alle in der vorstehenden Beschreibung erwähnten bzw. in der Zeichnung
dargestellten Merkmale sollen, sofern der bekannte Stand der Technik es zuläßt,
für sich allein oder auch in Kombinationen als unter die Erfindung fallend angesehen
werden.
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