DE3302117C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zum Senkrechtbohren mit drehendem Bohrgestänge und hydraulischer oder pneumatischer Hebung des Bohrkleins gemäß dem Ober­ begriff des Anspruches 1.

Die Erfindung bezieht sich damit auf Bohranlagen, mit denen Bohrungen von verhältnismäßig großem Durch­ messer, wie z. B. beim Niederbringen von Brunnen zur Entwässerung von Deckgebirge als Vorbereitung auf den Tagebau, aber auch Bohrungen unter Tage für verschiedene Zwecke hergestellt werden können. Solche Bohranlagen unter­ scheiden sich damit von Rotarybohranlagen, wie sie hauptsächlich für die Exploration und die Produktion von Erdöl und Erdgas benutzt werden. Sie unterscheiden sich ferner von Geräten zum Schachtbohren, die für die Herstellung von Tiefbohr­ schächten nach dem Honigmann-Verfahren benutzt werden durch ihren wesentlich geringeren Bohrlochdurchmes­ ser, der ein drehendes Bohrgestänge zum Antrieb des Bohrkopfes ermöglicht (DE-OS 31 23 021).

Bei dem erfindungsgemäßen Bohrgerät weist der Bohr­ kopf bevorzugt eine Mehrzahl von Schneidrollen als Werkzeuge auf, welche infolge ihrer Anordnung auf dem Bohrkopf konzentrische Bahnen zur Bohrlochachse beschreiben. Das hierbei von der Bohrlochsohle herein­ gewonnene Bohrklein gerät bei der Drehung des Bohr­ werkzeuges in den Bereich der Saugrohrmündung, um die sich bei pneumatischer Hebung des Bohrkleins ein birnenförmiger Saugkörper ausbildet, in dem sich von innen nach außen der Unterdruck abbaut, während bei hydraulischer Hebung des Bohrkleins eine zur Saugrohr­ mündung gerichtete Strömung auftritt. Das hiervon er­ faßte Bohrklein wird durch das Saugrohr und durch das anschließende Bohrgestänge nach oben gehoben. Die Bohrleistung eines solchen Bohrgerätes hängt u.a. davon ab, daß gelöstes Bohrklein frühzeitig von der Bohr­ lochsohle abgehoben und abgefördert wird, um eine energieverzehrende Zerkleinerung des Bohrkleins auf der Bohrlochsohle mit den Werkzeugen zu verhindern. Ein weiteres Problem stellt bei solchem Bohrgerät das Durchteufen von Gebirgsschichten dar, welche innerhalb der Bohrscheibe unterschiedliche Härten ausbilden. Das ist z.B. im Deckgebirge von Braunkohlenflözen häufiger der Fall, wenn dort Kiese oder auch gröbere Einsprengungen in den durchteuften Schichten angetrof­ fen werden. In diesen Fällen entsteht für den Bohr­ kopf eine Tendenz, in die weichere Schicht auszuwei­ chen, wodurch die Bohrung verläuft, d.h. aus der Senkrechten abweicht.

Die Erfindung geht aus von einem Gerät der als bekannt vorausgesetzten Art. Hierbei sind die Außenwerkzeuge auf den Flanken eines Außenringes angeordnet, welcher einen Ausschnitt aus einer Kegelfläche bildet, die in Richtung auf die Bohrachse nach vorn konvergiert. Der Ring endet an einer Scheibe, welche die Innen­ werkzeuge aufnimmt. Die Mündung des Saugrohres ist zwischen den Innen- und den Außenwerkzeugen angeordnet. Es hat sich herausgestellt, daß unter schwierigen Verhältnissen die erzielbare Absaugleistung nicht aus­ reicht, um das hereingewonnene Bohrklein rechtzeitig von der Bohrlochsohle zu entfernen und daß die Bohrung häufig von dem vorgegebenen lotrechten Verlauf abweicht, wenn in der Bohrscheibe unterschiedliche Härten angetroffen werden.

Solche Schwierigkeiten ergeben sich auch bei einem weiteren, zum Stand der Technik gehörigen Gerät der beschriebenen Art, bei dem mehrere Außenwerkzeuge an der Stirnseite des Bohrkopfes derart angebracht sind, daß die Bohrlochsohle kegelförmig ausfällt, wobei die als Schneidrollen ausgebildeten Außenwerk­ zeuge mit einem an der Stirnseite des Bohrkopfes ange­ ordneten Freischnittwerkzeug zusammenwirken müssen, um die Kollision mit den Bohrlochstößen zu verhindern. Die Mündung des Saugrohres liegt etwa in der Mitte der Kegelmantelfläche.

Bei stark vergrößerten Enddurchmessern der niederzu­ bringenden Bohrung kann es erforderlich werden, den Vortrieb zu unterteilen und eine Vorbohrung in der Bohrmitte vorzutreiben und durch eine Erweiterungs­ bohrung auf den Enddurchmesser zu bringen. Für diese Fälle ist es bekannt, die Werkzeuge des mit einer in der Bohrachse verlaufenden Vorbohrlochführung versehenen Bohrkopfes so anzuordnen, daß die Bohrloch­ sohle von den Bohrlochstößen schräg nach unten auf das Vorbohrloch konvergiert. In diesem Fall läßt sich das Bohrklein der Erweiterungsbohrung nicht kontinuierlich absaugen, sondern fällt in das Vor­ bohrloch. Dort wird es durch das Saugrohr abgeför­ dert, sobald die auf die Vorbohrung gerichtete Mündung des Saugrohres das Haufwerk im Vorbohrloch erreicht. Diese Ausbildung des Gerätes setzt ein kompliziertes Bohrverfahren voraus, für das eine genaue Abstimmung der Erweiterungsbohrung auf die Füllung des Vorbohrloches Voraussetzung ist. Das er­ zwingt einen außerordentlich komplizierten und entsprechend störanfälligen Bohrablauf.

Den als bekannt vorausgesetzten Bohreinrichtungen ist gemeinsam, daß der Saug- bzw. Strömungskörper, der zur Abförderung des Bohrkleines dient, von der flachen Bohrlochsohle ausgeht bzw. begrenzt wird. Entsprechend dem sich nach außen abbauenden Druck nimmt deswegen auch die zur Förderung des Bohr­ kleines zur Verfügung stehende Energie ab, so daß das Bohrklein auseinandergezogen wird. Das Ergeb­ nis ist eine verhältnismäßig schlechte Abförder­ leistung, die sich in der Regel in einer Verminde­ rung des Bohrfortschrittes wiederspiegelt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei dem eingangs als bekannt vorausgesetzten Gerät eine wirksamere Hebung des Bohrkleines und eine bessere Zentrierung der Bohrung zu erreichen und darüber­ hinaus die Voraussetzungen für einen kontinuierlichen und vereinfachten Betrieb von Erweiterungsbohrungen mit Vorbohrlochzentrierung zu schaffen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe mit den Merk­ malen des Anspruches 1 gelöst. Zweckmäßige Ausfüh­ rungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.

Gemäß der Erfindung wird bei einem Ansaugrohr die Bohrlochsohle mit einem ringförmigen Kanal vertieft, dessen Wände mit den auf den Keilflanken angeordneten Werkzeugen vorgetrieben werden. In diesem Kanal bil­ det sich der Saugraum bzw. die Strömung aus, weil die Keilflanken die radiale Ausbreitung der Strömung bzw. des Saugraumes behindern und sich deshalb das Bohrklein hauptsächlich in Richtung der Kanalsohle bewegt. Dabei wird das Bohrklein von den hinreichend steil ausgebildeten Flanken des Kanals in die Kanalsohle geleitet, auf die die Mündung des Ansaugrohres gerichtet ist. Da­ durch wird das Bohrklein verdichtet und deswegen in größerer Menge abgehoben. Da die Bohrwerkzeuge bevorzugt die Kanalwände bearbeiten und diese eine entgegengesetzte Neigung aufweisen, heben sich die Seitenkräfte des Bohrwerkzeuges gegenseitig weitgehend auf, so daß die Bohrung auch bei unter­ schiedlichen Härten der Bohrlochsohle bevorzugt der senkrechten Richtung der Bohrachse folgt.

Die Erfindung hat deshalb den Vorteil, daß infolge Leistungssteigerung bei der Hebung des Bohrkleines ein günstigerer Bohrverlauf, d.h. bevorzugt eine Steigerung der Bohrleistung eintritt und daß außer­ dem die Selbstzentrierwirkung des Bohrkopfes erheb­ lich gesteigert wird, so daß der Bohrkopf trotz des erhöhten Bohrfortschrittes eine geringere Tendenz zur Abweichung von der Lotrechten entwickelt. Ins­ besondere bei stark unterschiedlichen Härten in dem mit der Bohrung durchteuften Bohrquerschnitt kann dadurch die bisher auftretende Abweichungstendenz der Bohrung aufgehoben oder abgemildert werden. Wenn die Erfindung auf Bohrköpfe angewandt wird, mit denen Erweiterungsbohrungen unter Zentrierung in einem Vorbohrloch aufgefahren werden, kann das Bohr­ klein der Erweiterungsbohrung unter Umgehung des Vorbohrloches direkt abgefördert und ein günstigerer Bohrverlauf erreicht werden.

Gemäß dem Anspruch 2 können die Wirkungen der Erfin­ dung verstärkt bzw. bei größeren Bohrlochdurchmessern in ausreichendem Maße gewährleistet werden, weil sie sich auf mehrere Keilkränze verteilen.

Gemäß dem Anspruch 3 kann man das erfindungsgemäße Gerät für das Erweitern von Vorbohrungen einsetzen.

Die Erfindung hat außerdem den Vorteil, daß die Außenbohrwerkzeuge sich selbst freischneiden. Daher entfallen an der Stirnseite des Bohrwerkzeuges besonde­ re Freischnittwerkzeuge. Nach dem Anspruch 4 wird aber das erfindungsgemäße Gerät beim Ziehen des Bohr­ kopfes durch Freischnittwerkzeuge gegen Blockierungen im Bohrloch gesichert.

Gemäß weiteren Merkmalen der Erfindung wird die durch die Formgebung des Bohrkopfes und die dieser entspre­ chende Ausbildung der Bohrsohle geschaffene Begrenzung des Saugraumes bzw. der Strömung in das Saugrohr mit zusätzlichen Mitteln unterstützt. Dazu dienen die Merkmale der Unteransprüche 5 bis 7. Bedenkt man, daß die sich vor der Mündung des Saugrohres ausbildende Strömung mit dem Bohrkopf entsprechend der Gestänge­ drehung rotiert, so ergibt sich, daß mit Hilfe der Leisten bzw. Dichtungen zwar der Saugraum weiter beschränkt wird, daß aber das gelöste Bohrklein im Zuge der Drehung ohnehin in diesen Raum gelangt, wo es weitaus stärker verdichtet abgehoben wird.

Die Einzelheiten, weiteren Merkmale und andere Vor­ teile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Figuren in der Zeichnung; es zeigen

Fig. 1 in abgebrochener Darstellung ein Gerät gemäß der Erfindung mit einer ersten Ausführungs­ form des Bohrkopfes,

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Bohrgerätes nach Fig. 1 im unmittelbaren Bereich der Bohr­ lochsohle,

Fig. 3 eine Stirnansicht des Bohrkopfes nach den Fig. 1 und 2,

Fig. 4 in der Fig. 2 entsprechender Darstellung, je­ doch unter Fortlassung des Bohrgestänges einen Bohrkopf gemäß der Erfindung für eine Erweiterungsbohrung, die in ein Vorbohrloch zentriert ist,

Fig. 5 eine der Fig. 3 entsprechende Stirnansicht des Gegenstandes der Fig. 4,

Fig. 6 in der Fig. 4 entsprechender Darstellung einen Bohrkopf für Erweiterungsbohrungen mit vergrößertem Bohrquerschnitt und

Fig. 7 eine den Fig. 3 und 5 entsprechende Stirnansicht des Gegenstandes der Fig. 6.

Das in Fig. 1 lediglich mit seinen im Bohrloch 1 unter­ gebrachten Teilen wiedergegebene Gerät dient zum Senkrechtbohren mit einem drehenden und abgebrochen dargestellten Bohrgestänge 2 und einer hydraulischen bzw. pneumatischen Abführung des Bohrkleins durch das hohle Bohrgestänge bei 3. Zu diesem Zweck führt ein Saugrohr 4 von der mit dem Hohlraum des Bohrgestänges 1 ausgefluchteten Aussparung 5 in der Flanschplatte 6 eines Bohrkopfes 7 zu der allgemein mit 8 bezeichneten Bohrlochsohle. Das Bohrgestänge 3 endet an einer Führung 9, die sich mit mehreren Kufen 10, 11 an den Stößen 12 der Bohrung 1 abstützt und einer weiteren Führung 13 entspricht, die ebenso wie die Führung 9 bei rotierendem Gestänge stillsteht. Zwischen den bei­ den Führungen 9 und 10 sitzt eine Schwerstange 14, welche den notwendigen Andruck des Bohrkopfes 7 auf der Bohrlochsohle 8 herbeiführt. Die Flanschplatte 6 ist mit einem Befestigungsring 15 verschraubt, der auf dem Ende des dem Bohrkopf 7 nächsten Bohrrohres 16 verschraubt ist.

Auf der Flanschplatte 6 ist ein kegelförmiger Mantel 15′ befestigt, der auf der Rückseite 16′ einer Stirn­ platte 17 endet. Diese dient zur Befestigung eines Keilkranzes 18 mit einer Außenflanke 19 und einer Innenflanke 20, die nach vorn, d.h. in Richtung auf die Bohrlochsohle konvergieren. Die Scheitel 21 der Flanken 19 und 20 durchdringt das mit seiner Achse 23 parallel zur Bohrachse 24 verlaufende Ende 25 des Saugrohres 4.

Auf der Außenseite 26 der Außenflanke 19 des Keil­ kranzes 18 sind insgesamt sechs Schneidrollen angeord­ net, von denen die vier äußeren Schneidrollen mit 28 bis 31 bezeichnet sind. Vier innere Schneidrollen 32, 33, 37, 38 bearbeiten die Außenflanke 34 eines Ringkanals 35, dessen flache Sohle 36 von zwei Mittelrollen 42, 43 hergestellt wird. Die Innenflanke 39 des Kanals 35 wird von Schneidrollen 40, 41 bzw. 44, 45, 46 bearbeitet, die ausgehend vom Scheitel 21 des Keil­ kranzes auf der Innenflanke 20 angeordnet sind. Die Wirkung dieser Schneidrollen wird ergänzt durch insgesamt drei innere Schneidrollen 44 bis 46, wo­ durch im Ergebnis eine im Querschnitt etwa W-förmige Bohrlochsohle aufgefahren wird. Die Mündung 47 des Rohrendes 25 weist auf die flache Kanalsohle 36, in der das von den konvergierenden Kanalwänden 34 und 39 verdichtete Bohrklein abgesaugt bzw. hydraulisch abge­ fördert wird.

Auf der Rückseite 16′ der Platte 17 des Bohrkopfes be­ finden sich Schneidrollen 49, 50, welche den zylindri­ schen Bohrlochstoß 51 bearbeiten und als Freischnitt­ werkzeuge für die Außenwerkzeuge 28 bis 31 des Bohr­ kopfes dienen. Sie sind hinter dem Keilkranz 18 ange­ ordnet.

Bei der Ausführungsform nach den Fig. 4 und 5 weist die Stirnplatte 17 des Bohrkopfes eine allgemein mit 53 bezeichnete Führung in einem Vorbohrloch 54 auf, dessen Stoß bei 55 abgebrochen dargestellt ist, so daß die Sohle des Vorbohrloches 54 nicht erscheint. Die Führung 53 besteht aus einem Rohr 56, das eine Aus­ sparung 57 in der Stirnplatte 17 durchdringt und konzentrisch um das Saugrohr 57′ angeordnet ist, von dem ein Saugrohr 58 abzweigt, dessen Mündung 59 dem koaxial zur Bohrachse 24 angeordneten Ende 25 entspricht. Die Kanalsohle 36, welche von den drei Bohrrollen 60 bis 62 bearbeitet wird, verläuft dem­ entsprechend konzentrisch zur Vorbohrung 54, während die Kanalinnenwand 39 den Stoß 55 der Vorbohrung 54 schneidet. Die Kanalaußenwand 34 endet am zylindri­ schen Stoß 63 der Erweiterungsbohrung 64. Frei­ schnittwerkzeuge 49, 50 entsprechen denen der Aus­ führungsform nach den Fig. 1 bis 3 und sitzen dem­ entsprechend auf der Rückseite 16′ der Stirnplatte 17.

Wegen der vergleichsweise geringeren Abmessungen des Ringkanals 35 in der Ausführungsform nach den Fig. 4 und 5 genügen für die Bearbeitung der Außenwand 34 insgesamt vier Schneidrollen 28 bis 31 im Zusammen­ wirken mit den Rollen 65, 66 und 66′, während die Kanal­ innenwand 39 von den restlichen Rollen 67 bis 70 bearbeitet wird.

Auf der Außenseite der Keilkranzflanken 19, 20 sind radiale Rippen 71, 72 angeordnet, welche bis zur Aussparung 57 in der Stirnplatte 17 reichen und den Raum 73 begrenzen, in dem sich die in die Öffnung 47 gerichtete Strömung ausbildet, welche das gelöste Bohrklein von der Kanalsohle 36 abhebt und durch das Bohrgestänge fördert. Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 4 und 5 liegen innerhalb dieses Raumes die Rollen 29, 60, 65 und 69, und die Mündung 59 liegt in der Mitte zwischen den Rippen 71, 72 die den Raum 73 begrenzen.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 ist der Keil­ kranz 18 der innere von zwei konzentrisch angeord­ neten Keilkränzen, von denen der äußere allgemein mit 75 bezeichnet ist. Der Keilkranz 75 hat zwar einen größeren Durchmesser als der konzentrisch innere Keilkranz 18, jedoch die gleiche Neigung und die gleiche Länge seiner Keilflanken 76 bzw. 77. Er führt zur Ausarbeitung eines Ringkanals 78 mit einer Außenwand 79, die an dem zylindrischen Stoß 63 der Bohrung 64 ansetzt, einer flachen Kanal­ sohle 36 und einer Innenwand 60, die bei 81 mit der Außenwand 34 des inneren Kanals der flachen Kanal­ sohle 36 und der Innenwand 39 zusammentrifft. Die Bohrlochsohle hat daher zwischen den beiden Kanälen eine ringförmige und im Querschnitt kegelförmige Erhebung, die als Scheitel für das Bohrklein wirkt, das in die konzentrischen Kanäle gelangt und dort abgehoben wird. Dazu dient außer dem Rohr 58 mit seiner auf die Kanalsohle 36 des konzentrisch inneren Kanals gerichteten Öffnung 59 ein weiteres Saugrohr 82 mit einem Saugrohrende 83, dessen Achse 84 pa­ rallel zur Bohrachse 24 verläuft und dessen Mündung 85 auf die flache Kanalsohle 36 des Außenkanals 78 gerichtet ist.

Für diesen Außenkanal ist ein Saugraum 86 vorgesehen, der von radialen Rippen 87, 88 und einer ringsegment­ artigen Verbindungsrippe 89 zwischen den Rippen 87 und 88 nach innen begrenzt ist. Die Rippen dienen zum Anbringen einer elastischen Dichtung 90, welche den Saugraum 86 abgrenzt und auf den Flanken 79, 80 sowie auf der flachen Kanalsohle 36 des Kanals 78 abdichtet.

Auch der Saugraum 100 für den Innenkanal ist mit ra­ dialen Rippen 92, 93 sowie einer radial äußeren Ring­ segmentverbindungsrippe 94 nach außen abgeschlossen, und diese Rippen tragen ebenfalls eine elastische Dichtung 95. Die beiden Saugräume sind gegeneinander um einen Bogenwinkel versetzt angeordnet, um das ge­ samte Bohrklein abführen zu können.

Um den zur Verfügung stehenden Unterdruck bei pneuma­ tischer Abförderung des Bohrkleines bzw. die hydrau­ lische Strömung in den Rohren 58 und 82 entsprechend dem Förderbedarf einzustellen, ist das Innenrohr 57′ der Vorbohrlochführung mit einer axialen Trennwand 96 abgeteilt, welche an einer Verschlußscheibe 97 endet und Teilräume 98, 99 für die Saugrohre 58 und 82 abteilt.

Im Betrieb der Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 3 wird der Ringkanal 35 von den beschriebenen Schneid­ rollen bearbeitet, wobei das gelöste Bohrklein in Richtung auf die flache Bohrlochsohle 36 rutscht und dort von der Saugrohrmündung 47 aufgnommen wird. Eine entsprechende Wirkung, welche durch die elasti­ sche Dichtung 90 bzw. 95 bei der Ausführungsform nach den Fig. 6 und 7 noch verstärkt wird, weicht die Dichtung dem auch den Flanken der Kanäle 78 bzw. 35 und den Kanalsohlen 36 liegenden Bohrklein aus, so daß die Saugräume 86 und 100 das Bohrklein überfahren können und dessen Hebung gewährleistet ist.

Claims (8)

1. Gerät zum Senkrechtbohren mit drehendem Bohrgestänge und hydraulischer oder pneumatischer Hebung des Bohrkleines durch wenigstens ein Saugrohr, dessen Mündung zwischen konzentrisch zur Bohrachse ange­ ordneten Werkzeugen, beispielsweise auf geneigten Achsen rotierenden Schneidrollen eines Bohrkopfes angeordnet ist , dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Bohrkopf (7) einen Keil­ kranz (18) aufweist, dessen Flanken (19, 20) nach vorn konvergieren und außen mit den Werkzeugen (28-31; 32, 33; 37, 38; 40-43; 44-46) besetzt sind und daß die Mündung (47) des Ansaugrohres (4, 25) im Scheitel (21) der Keilflanken (19, 20) angeordnet ist.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Keil­ kränze (18) konzentrisch zur Bohrachse (24) ange­ ordnet sind und jedem Keilkranz (18) die Mündung (58, 59) eines Ansaugrohres (85, 82) zugeordnet ist.

3. Gerät nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Keilkranz (18, 75) eine Vorbohrloch­ führung (54) umgibt.

4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Bohrwerkzeug (7) nachlaufende Freischnittwerkzeuge (49, 50) für die Außenwerk­ zeuge (28-31) des Keilkranzes (18) angeordnet sind, die hinter dem Keilkranz (75, 18) angeordnet sind.

5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Keilkranz (18, 75) radiale Rippen (71, 72; 87, 88; 92, 93) aufweist, die Kranzwerkzeuge (29, 60, 65, 69) einschließen und einen Saugraum (73, 86, 100) begrenzen.

6. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (87, 88) eines außen angeordneten Keilkranzes (75) an ihren inneren Enden mit einer ringsegmentartigen Verbindungsrippe (89) den Saugraum (86) begrenzen, während der Saug­ raum (100) eines radial inneren Keilkranzes (18) mit einer die äußeren Enden der radialen Rippen (92, 93) verbindenden Ringsegmentrippe (94) nach außen abgeschlossen ist.

7. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (87-89, 92-94) als Träger einer elastischen Dichtung (90, 95) dienen, die auf den Wänden und der Sohle des Ringkanals (35, 78) abdichtet.

8. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Keilkranz (18, 75) mit einem oder mehreren Werkzeugen (60-62) versehen ist, die eine flache Ringkanalsohle (36) herstellen.