DE3216742C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Spülbohren von Tiefbohrungen, insbesondere Schachtbohrverfahren zum Abteufen von Schächten in nichtstandfestem Gebirge - Google Patents

Description

• Im einzelnen ist es für die Aufrechterhaltung der Stöße einer Schachtbohrung durch Dickspülung bekannt, den Spülungsumlauf durch einen Saugheber oder eine Saugpumpe zu bewirken. Beim Einsatz der Saugpumpe ergaben sich jedoch Schwierigkeiten, das Bohrklein vor Eintritt in die Saugpumpe zuverlässig abzufangen. Man ist deshalb dazu übergegangen, die Spülung durch Einleiten von Druckluft in Steigrohren zu heben (vergl. Technische Mitteilungen 9/1966, Seiten 455 bis 460). - Nach einem anderen bekannten Schachtbohrverfahren zum Abteufen von Schächten hat man die Schachtöffnung mit einem Deckel dicht verschlossen, durch welchen sich das Bohrgestänge bewegen kann und durch welchen mehrere, das Bohrgestänge umgebende Rohre in das Bohrloch führen, so daß durch das hohle Bohrgestänge oder die Rohre gleichzeitig ein Herausdrücken und Absaugen der Bohrtrübe aus dem Bohrloch bzw. Schacht möglich wird (vergl. DE-PS 1 57 094). - Um ein Verfahren zu entwickeln, durch welches bei Großlochbohrungen im Bereich der für Normalspülung anfälligen geologischen Formationen spezielle Bohrspülungen mit möglichst geringem Volumen beim Bohren oder zum hydraulischen Ausbau zur Anwendung gelangen können, kennt man ein Verfahren, wonach innerhalb der Bohrung eine geschichtete Bohrspülung verschiedener Spülungsme: dien aufgebaut wird, und die spezielle Bohrspülung in der durch die geohydrologischen Verhältnisse sie bedingenden Formationen mit geringstem Volumen eingesetzt wird (vergl. DD-PS 92 020). - Endlich ist ein Schachtbohrverfahren bekannt, wobei zum Einspülen betonbildende Schwerkörper verwendet werden und die so beschwerte Druckflüssigkeit nach Abscheidung des Bohrgutes wieder in das BohrlOch eingeführt wird.
• Im Falle einer Unterbrechung des durch das Bohrgestänge zugeführten Spülstromes wird die Spülung durch Einhängerohre aufrechterhalten, die in das Bohrloch eingehängt sind und durch eine Umlaufleitung mit der Druckleitung der Hauptspülleitung verbunden sind (vergl. DE-PS 2 79 947). - Durch diese bekannten Maßnahmen sind die eingangs erläuterten Probleme nicht maßgebend beeinflußt worden.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Spülbohren von Tiefboh rungen und insbesondere ein Schachtbohrverfahren zum Aufteufen von Schächten in nichtstandfestem Gebirge, anzugeben, wonach unter Beibehaltung der unverzichtbaren Stützung der Bohrlochwand durch eine spezifisch schwere Flüssigkeitssäule Ausspülungen der Bohrlochwand vermieden, die Spülung im Bereich der Bohrlochsohle und folglich des Bohrkopfes ebenso wie die Bohrkleinabführung, der Spülungsumlauf und die Reinigung des Bohrkopfes unter Reduzierung von Energie-, Zeit- und Arbeitsaufwand erleichtert werden.
• Die gestellte Aufgabe wird in verfahrensmäßiger Hinsicht durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. - Diese Maßnahmen der Erfindung haben zur Folge, daß die unverzichtbare Stützung der Bohrlochwandung durch eine stehende thixotrope Flüssigkeitssäule aus einer spezifisch schweren Flüssigkeit wie beispielsweise Tontrübe erhalten bleibt, während unterhalb dieser stehenden Flüssigkeitssäule der Bohrkopf in einer spezifisch leichten Flüssigkeitssäule arbeitet. Tatsächlich läßt sich nach Lehre der Erfindung gleichsam eine ideale Spülung des Bohrkopfes mit Wasser verwirklichen. Wasserspülung ist insofern vorteilhaft, als es sich um eine spezifisch leichte Bohrspülung handelt, die mit hoher Geschwindigkeit zur Bohrlochsohle gefördert werden kann, die darüber hinaus mit lediglich dem aus Bohrklein bestehenden Ballast unschwer über das Bohrgestänge abgesaugt oder gehoben und wieder aufbereitet werden kann, weil sich das Bohrklein ohne Schwierigkeiten aus dem Spülwasser entfernen läßt.
• Ferner tritt ein Verschmutzen und schließlich Verkleben der Bohrmeißel selbst beim Durchbohren von Mergel-und Tonschichten sehr viel später als bei einer spezifisch schweren Bohrspülung ein. Da darüber hinaus nunmehr mit einerseits einer stehenden Flüssigkeitssäule und einer sehr niedrigen, lediglich im Bereich der Bohrsohle anstehenden, bewegten Flüssigkeitssäule gearbeitet wird, die außerdem aus einer spezifisch leichten Flüssigkeit besteht, reduziert sich der sonst erforderliche Energiebedarf ganz erheblich, weil nunmehr lediglich noch die Umwälzung der spezifisch leichten Flüssigkeit in reduzierter Menge unter Berücksichti-,gung des ohnehin abzuführenden Bohrkleins erforderlich ist.
• Weitere, die Erfindung ausgestaltende Merkmale sind im folgenden aufgeführt. So lehrt die Erfindung, daß mit dem Bohrkopf zumindest ein oberhalb des Bohrkopfes mündendes Spülrohrgestänge mitgeführt wird und durch das Spülrohrgestänge hindurch das Spülwasser in den Bereich der Bohrlochsohle eingepumpt wird. Das Spülrohrgestänge wird also durch die stehende thixotrope Flüssigkeitssäule hindurchgeführt. Vorzugsweise wird das Spülwasser im Kreislauf geführt und das hochgeförderte Bohrklein über Tage von dem wiederzuverwendenden Spülwasser separiert, was unschwer durch Einsatz eines Überlaufbeckens oder einer Auslaufrinne möglich ist. Das Bohrklein kann dann als Feststoff abtransportiert werden. Nach einem bevorzugten Vorschlag der Erfindung ist der Bohrkopf in über das untere mit Düsen bestückbare Ende des Spülrohrgestänges hochgezogener Position durch Spülwasserbedüsung von unten zu reinigen. Folglich braucht der Bohrkopf zum Zwecke seiner Reinigung nicht weiterhin vollständig gezogen zu werden, vielmehr kann seine Reinigung im Bereich der Bohrlochsohle noch unterhalb der stehenden thixotropen Flüssigkeitssäule mit Hilfe des Spülwassers durchgeführt werden. Diese sonstigen Arbeitsaufwand und erhebliche Totzeiten in beachtlichem Maße reduzierende Reinigungsmöglichkeit führt von selbst dazu, daß im Falle-einer Verschmutzung und schließlich Verklebung der Bohrmeißel alsbald die erleichterte Reinigung durchgeführt und nicht wie sonst aufgrund der oben erläuterten Schwierigkeiten hinausgeschoben wird, so daß mit großer Wahrscheinlichkeit aus diesem Grunde jedenfalls nicht länger Abweichungen des Bohrkopfes von dem gewünschten Bohrverlauf zu befürchten sind.
• In vorrichtungsmäßiger Hinsicht wird die zugrundeliegende Aufgabe mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs 6 aufgeführten Mitteln gelöst, wobei auf eine Vorrichtung gemäß der im Oberbegriff dieses Patentanspruchs angegebenen Gattung zurückgegriffen wird. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann das Spülrohrgestänge mehrere, beispielsweise vier über den Bohrlochumfang gleichmäßig verteilte Rohrstränge aufweisen, von denen jeder Rohrstrang an eine eigene Förderpumpe angeschlossen ist. Dieses einfach dem Bohrkopf nachzuführende Spülrohrgestänge bzw. seine Rohrstränge ermöglichen zugleich über mehrere Punkte das Messen des Bohrlochverlaufs, und zwar auch während des Bohrens, mit Hilfe bekannter Lotmeßgeräte. Bisher war das Messen des Bohrlochverlaufs nur über das stillstehende Bohrgestänge möglich. Folglich werden bei Einsatz des erfindungsgemäßen Spülrohrgestänges eventuelle Abweichungen des Bohrkopfes alsbald erkannt, so daß ein rechtzeitiges Richten des Bohrkopfes erfolgen kann, jedenfalls übermäßiger Verlauf des Bohrkopfes und die daraus resultierenden schwierigen Korrekturarbeiten vermieden werden. -Die einzelnen Rohrstränge können erfindungsgemäß drehbar gelagert und mit ihren oberen Enden in Drehköpfe einspannbar sowie um einen vorgegebenen Schwenkwinkel antreibbar sein. Dadurch wird gleichsam eine oszillierende Reinigung des Bohrkopfes bzw.
• seiner Bohrmeißel erreicht, und zwar unter Berücksichtigung eines vorgegebenen Reinigungswinkels, wobei die Reinigungsstrahlen ausschließlich von unten gegen den Bohrkopf, nicht dagegen gegen die Bohrlochwand gerichtet sind. Nach erfolgter Reinigung des Bohrkopfes können die Düsen mittels geeigneter Fangeinrichtungen wieder aus den Rohrsträngen herausgezogen werden, während der Bohrkopf wieder bis unter die Rohrenden des Spülgestänges abgesenkt wird und seine Arbeit fortsetzen kann.
• Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind somit im wesentlichen darin zu sehen, daß ein Verfahren und eine Vorrichtung zum drehenden Spülbohren von Tiefbohrungen, insbesondere ein Schachtbohrverfahren zum Abteufen von Schächten in nichtstandfestem Gebirge, angegeben werden, wonach jede Bewegung der spezifisch schweren Flüssigkeitssäule an der Bohrlochwand unterbunden und folglich Ausspülungen verhindert werden, wie das bei der herkömmlichen direkten und insbesondere indirekten Spülung nicht ausgeschlossen ist. Da nach Lehre der Erfindung mit einer stehenden spezifisch schweren Flüssigkeitssäule, beispielsweise einer thixotropen Trübesäule gearbeitet wird, erübrigt sich der sonst zum Umwälzen der spezifisch schweren bzw. thixotropen Flüssigkeit erforderliche Energieaufwand ebenso wie die sonst schwere Trennung des Bohrkleins aus dieser Flüssigkeit.
• Dennoch bleibt die spezifisch schwere Flüssigkeitssäule als unverzichtbare Stützung der Bohrlochwand erhalten. Nach Lehre der Erfindung erfolgt die Spülung im Bereich der Bohrlochsohle bzw. des Bohrkopfes einfach mit Wasser. Dadurch wird einerseits ein schneller Bohrfortschritt erreicht, andererseits ein Verschmutzen bzw. Verkleben der Bahrmeißel verzögert und insbesondere die Reinigung des Bohrwerkzeuges erheblich beschleunigt und erleichtert. Insoweit werden Totzeiten und Arbeitsaufwand erheblich reduziert. Das gleiche gilt für den Energieaufwand zur Umwälzung des Wassers als spezifisch leichte Flüssigkeit, aus der sich das Bohrklein auch ohne weiteres separieren und dann als Feststoffe abtransportieren läßt, während das Wasser erneut als spezifisch leichtesSpülmedium dem Bohrkopf zugeführt wird, und zwar mit hoher Geschwindigkeit.
• Stets wird die gleiche Menge Spülwasser über das Spülrohrgestänge eingepumpt wie Spülwassermenge mit Bohrklein über das Bohrgestänge abgesaugt bzw.
• gehoben wird. Auch die spezifisch schwere Flüssigkeitssäule wird stets bis zum Bohrlochmund aufrechterhalten, das heißt es läuft stets eine dem Bohrfortschritt entsprechende Menge spezifisch schwerer Flüssigkeit nach. - Im Ergebnis wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren das Tiefbohren und insbesondere das Schachtbohren erheblich rationalisiert.
• Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine Schachtbohreinrichtung in schematischer Darstellung, mit der unter Einsatz eines erfindungsgemäßen Spülrohrgestänges nach dem erfindungsgemä- ßen Verfahren gearbeitet wird, Fig. 2 ausschnittsweise den Gegenstand nach Fig. I bei zum Reinigen hochgezogenem Bohrkopf und F i g. 3 einen Ausschnitt aus dem Gegenstand nach F i g. 2 im Bereich einer Reinigungsdüse.
• In den Figuren ist eine Vorrichtung zum drehenden Spülbohren von Tiefbohrungen, insbesondere zum Abteufen von Schächten in nichtstandfestem Gebirge 1 im Wege des Schachtbohrverfahrens dargestellt. Diese Vorrichtung ist durch ein in das Bohrloch 2 absenkbares und dem Bohrkopf 3 nachführbares Spülrohrgestänge 4 gekennzeichnet, welches über Tage an eine Förderpumpe 5 für spezifisch leichte Flüssigkeit 6, nämlich herkömmliches Wasser als Spülwasser, angeschlossen ist und im Bereich der Bohrlochsohle 7 mit einer oder mehreren Wasseraustrittsöffnungen 8 oberhalb des umlaufenden Bohrkopfes 3 endet. Das Spülrohrgestänge weist vier über den -Bohrlochumfang gleichmäßig verteilte Rohrstränge 4 auf, von denen jeder Rohrstrang 4 an eine eigene Förderpumpe 5 angeschlossen ist. In den einzelnen Rohrsträngen 4 sind Reinigungsdüsen 9 absenkbar. Diese Reinigungsdüsen 9 sind in die Wasseraustrittsöffnungen 8 mit gegen den Bohrkopf 3 gerichteten Düsenöffnungen 10 einhängbar. Der Bohrkopf 3 weist mit den Rohrsträngen 4 fluchtende Durchtrittsbohrungen 11 auf, so daß der stillstehende Bohrkopf 3 über die Reinigungsdüsen 9 hochziehbar ist und dann von unten zum Zwecke der Reinigung bedüst und freigespült werden kann. Die einzelnen Rohrstränge 4 sind drehbar gelagert und dazu mit ihren oberen Enden in Drehköpfe 12 eingespannt, welche die Rohrstränge 4 um einen vorgegebenen Schwenkwinkel antreiben, so daß die aus den Reinigungsdüsen 9 austretenden Reinigungsstrahlen den Bohrkopf 3 bzw.
• seine Bohrmeißel gleichsam oszillierend bestreichen, jedoch keinesfalls gegen die Bohrlochwand gerichtet sind. In dem Bohrloch 2 befindet sich eine bis zum Bohrlochmund anstehende spezifisch schwere Flüssigkeitssäule 13, die durch eine aus einem Becken 14 mit Überlauf entsprechend dem Bohrfortschritt nachlaufende Menge ständig als stehende Stützsäule aufrechterhalten wird. Das Bohrloch 2 wird im Bereich der Bohrlochsohle 7 mit einer spezifisch leichten Flüssigkeit gespült, wozu im Bohrlochtiefsten eine den umlaufenden Bohrkopf 3 übersteigende spezifisch leichte Flüssigkeitssäule 15 als gleichsam Auflager für die aufstehende spezifisch schwere Flüssigkeitssäule 13 erzeugt wird. Die spezifisch leichte Flüssigkeit 16 wird mit dem anfallenden Bohrklein 17 durch das Bohrgestänge 18 hindurch hochgefördert, z. B. abgesaugt oder im Mammutpumpenverfahren gehoben. Das zum Einbringen der spezifisch leichten Flüssigkeit 16, nämlich des Spülwassers, dienende Spülrohrgestänge 4, mündet oberhalb des Bohrkopfes 3 und wird mit dem Bohrfortschritt bzw. Bohrkopf 3 mitgeführt, so daß sich das Spülwasser 16 durch das Spülrohrgestänge 4 hindurch in den Bereich der Bohrlochsohle 7 einpumpen läßt. Das Spülwasser ist im Kreislauf geführt. Das hochgeförderte Bohrklein wird über Tage von dem wiederzuverwendenden Spülwasser 16 getrennt, welches beispielsweise über einen Auslaufschlauch 19 und eine Auslaufrinne 20 unter Separierung des Bohrkleins 17- in ein Spülwasserbecken 21 einläuft und von dort mittels der Förderpumpen 5 in das Spülrohrgestänge 4 bzw. seine Rohrstränge wieder eingepumpt wird. -Zum Absaugen des Bohrkleins 17 weist der Bohrkopf 3 ein oder mehrere Saugrohre 22 auf.

Claims (8)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zum Spülbohren von Tiefbohrungen, insbesondere Schachtbohrverfahren zum Abteufen von Schächten in nichtstandfestem Gebirge, wonach in dem entstehenden Bohrloch eine bis zum Bohrlochmund anstehende spezifisch schwere Flüssigkeitssäule aufrechterhalten und das im Zuge des Bohrens anfallende Bohrklein vom Bohrlochtiefsten zum Bohrlochmund durch das Bohrgestänge hindurch hochgefördert wird, d a du r c h g e k e n n -zeichnet, daß das Bohrloch im Bereich der Bohrlochsohle mit einer spezifisch leichten Flüssigkeit gespült und dazu im Bohrlochtiefsten eine den Bohrkopf übersteigende spezifisch leichte Flüssigkeitssäule als Auflager für die aufstehende spezifisch schwere Flüssigkeitssäule erzeugt wird, und daß die spezifisch leichte Flüssigkeit mit dem anfallenden Bohrklein durch das Bohrgestänge hindurch hochgefördert wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als spezifisch leichte Flüssigkeit Wasser zum Spülen verwendet wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Bohrkopf zumindest ein oberhalb des Bohrkopfes mündendes Spülrohrgestänge mitgeführt wird und durch das Spülrohrgestänge hindurch das Spülwasser in den Bereich der Bohrlochsohle eingepumpt wird.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Spülwasser im Kreislauf geführt und das hochgeförderte Bohrklein über Tage von dem wiederzuverwendenden Spülwasser separiert wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrkopf in einer über das untere, mit Düsen bestückbare Ende des Spülrohrgestänges hochgezogenen Position durch Spülwasserbedüsung von unten gereinigt wird.
6. 6. Vorrichtung zum Spülbohren von Tiefbohrungen, insbesondere zum Abbohren von Schächten in nichtstandfestem Gebirge; zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, welche einen über ein Bohrgestänge drehbaren Bohrkopf und zumindest ein in das Bohrloch absenkbares Spülrohrgestänge aufweist, das an eine Förderpumpe angeschlossen ist, wobei das im Zuge des Bohrens anfallende Bohrklein durch das Bohrgestänge hindurch hochförderbar ist, gekennzeichnet durch die -Vereinigung der folgenden Maßnahmen: a) das Spülrohrgestänge (4) ist dem Bohrkopf (3) nachführbar, endet im Bereich der Bohrlochsohle (7) oberhalb des Bohrkopfes (3) mit einer oder mehreren Austrittsöffnungen (8) und dient zur Zufuhr von spezifisch leichter Flüssigkeit (16), vorzugsweise Spülwasser; b) in dem Spülrohrgestänge (4) sind Reinigungsdüsen (9) absenkbar und in die Austrittsöffnungen (8) mit gegen den Bohrkopf (3) gerichteten Düser'öffnungen (10) einhängbar; c) der Bohrkopf (3) weist mit dem Spülrohrgestänge (4) fluchtende Durchtrittsbohrungen (11) auf und ist bei Stillstand in den Bereich der Ringdüsen (9) hochziehbar.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn- zeichnet, daß das Spülrohrgestänge mehrere über den Bohrlochumfang gleichmäßig verteilte Rohrgestänge (4) aufweist, von denen jeder Rohrstrang an eine eigene Förderpumpe (5) angeschlossen ist.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Rohrstränge (4) drehbar gelagert und mit ihren oberen Enden in Drehköpfe (12) einspannbar sowie um einen vorgegebenen Schwenkwinkel antreibbar sind.

   Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie auf eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.

   Beim Spülbohren von Tiefbohrungen und insbesondere Schachtbohren im Zuge des Abteufens von Schächten in nichtstandfestem Gebirge wird mittels der Bohrspülung in dem entstehenden Bohrloch gegenüber dem Gebirge ein Überdruck erzeugt, der dem hydrostatischen Druck und Gebirgsdruck entgegen.

   wirkt. Das Spülmedium besteht regelmäßig aus einer spezifisch schweren Flüssigkeit, z. B. aus einer kolloidalen Aufschlämmung von Ton in Wasser und ist beispielsweise eine Tontrübe. Durch den Überdruck der spezifisch schweren Flüssigkeitssäule wirkt diese als Stützsäule und hält einerseits zusitzende Wasser zurück, verhindert andererseits ein Hereinbrechen der Bohrlochwandung. - Darüber hinaus dient die Bohrspülung dazu, den Bohrkopf zu kühlen und das anfallende Bohrklein von der Bohrlochsohle zu entfernen. Dazu kennt man die direkte Spülung und die indirekte Spülung. Bei der direkten Spülung wird die spezifisch schwere Flüssigkeit durch das Bohrgestänge hindurch zum Bohrloch tiefsten geführt, so daß das Bohrklein in dem Ringraum zwischen Bohrlochgestänge und Bohrlochwand zum Bohrlochmund gelangt. Bei der indirekten Spülung wird umgekehrt verfahren. Während also bei der direkten Spülung die spezifisch schwere Flüssigkeit an der Bohrlochwand mit Bohrklein hochsteigt, läuft sie bei der indirekten Spülung an der Bohrlochwand ab und wird beispielsweise im Wege des Mammutpumpenverfahrens mit Bohrklein über das Bohrgestänge hochtransportiert. Die Bewegungen der spezifisch schweren Flüssigkeit an der Bohrlochwandung können einerseits zu Ausspülungen führen, verlangen andererseits erheblichen Energieaufwand, weil stets die gesamte Flüssigkeitssäule bewegt werden muß. Hinzu kommt, daß die Trennung des Bohrkleins von der wiederzuverwendenden spezifisch schweren und praktisch thixotropen Flüssigkeit erhebliche Schwierigkeiten bereitet. Das gilt auch für die Reinigung des Bohrkopfes, wenn dessen Bohrmeißel beim beispielsweise Durchbohren von Mergel- und Tonschichten verkleben und der Bohrkopf zum Zwecke der Reinigung vollständig gezogen werden muß.

   Aufgrund der damit verbundenen Totzeiten und des Arbeitsaufwandes besteht die Gefahr, daß der Bohrkopf zu spät gereinigt wird und folglich Abweichungen der Bohrlochachse von dem gewünschten Bohrlochverlauf durch den verlaufenden Bohrkopf entstehen die nur schwer reparabel sind.