DE3323332C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 entsprechende Vorrichtung zur Durchführung einer Erdbohrung und zum Zuführen einer Flüssigkeit, beispielsweise von Zementmilch, in das Bohrloch.

Bei einer bekannten Vorrichtung der genannten Art (DE-OS 29 35 126) trägt das Mantelrohr die Dichtmanschette, wodurch letztere beim Bohren verhältnismäßig leicht beschädigt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der ein­ gangs genannten Art zu schaffen, bei der die Dichtmanschette beim Bohren vor Beschädigungen geschützt ist.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem Kennzeichen des Patentanspruches 1.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Hohlstange mit dem Endglied, welches die Dichtmanschette trägt, erst nach dem Nieder­ bringen der Bohrung ausgefahren, und zwar dadurch, daß der Druck­ flüssigkeitsraum zwischen Hohlstange und Mantelrohr unter Druck ge­ setzt wird. Die Dichtmanschette wird dabei noch nicht aufgebläht. Die Dichtmanschette wird vielmehr erst nach dem Ausfahren des End­ gliedes aufgebläht, wobei die mechanische Dichtung einwandfrei den Zwischenraum zwischen dem Bohrloch und dem Endglied über der Stelle, an welcher die Einspritzung erfolgen soll, abdichten kann, wodurch ein effektives Einspritzen eines Verfestigungsmittels verlustlos erzielt werden kann und auch die gesamten Arbeitsgänge vom Bohr­ vorgang bis zum Einspritzen hintereinander durchgeführt werden kön­ nen und die Vorrichtung wiederholt eingesetzt werden kann.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung nach Anspruch 1 ergeben sich aus den weiteren Patentansprüchen. Gemäß Patentanspruch 2 wird auf konstruktiv einfache Weise gewährleistet, daß die Dichtman­ schette nach dem Ausfahren des Endgliedes selbsttätig aufgebläht wird. Bei der Ausbildung nach Patentanspruch 4 sind das Mantelrohr und die Hohlstange als Ganzes gegenüber dem Endglied bewegbar, wenn letzteres aus dem Mantel ausgefahren wird, so daß zwischen dem Mantelrohr und der Hohlstange keine Längsabweichung auftritt und es daher nicht erforderlich ist, eine derartige Abweichung in Rechnung zu stellen, wenn das Mantelrohr und die Hohlstange an einer Bohrmaschine montiert werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung ausführlich erläutert; es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Niederbringens einer Boh­ rung auf eine gewünschte Tiefe mit Hilfe der an einer Bohr­ maschine angebrachten erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Einspritzens eines Verfesti­ gungsmittels bei freigelegtem Endglied,

Fig. 3 einen senkrechten Querschnitt durch das Hauptteil eines er­ sten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 4 einen senkrechten Querschnitt durch den Hauptteil der Fig. 3 bei freigelegtem Endglied,

Fig. 5 einen senkrechten Querschnitt durch einen Teil eines abgewan­ delten Flüssigkeitsauslasses bei der Vorrichtung gemäß Fig. 3 und 4,

Fig. 6 einen senkrechten Querschnitt durch den Hauptteil eines zwei­ ten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 7 einen senkrechten Schnitt durch die Vorrichtung gemäß Fig. 6 mit freigelegtem Endglied,

Fig. 8 den Hauptteil eines dritten Ausführungsbeispiels der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung im senkrechten Querschnitt,

Fig. 9 die Vorrichtung gemäß Fig. 8 bei freigelegtem Endglied,

Fig. 10 einen Schnitt durch Fig. 8 längs der Linie X-X,

Fig. 11 einen Längsschnitt durch eine Abwandlung des Flüssigkeits­ auslasses bei der Vorrichtung gemäß Fig. 8 und 9,

Fig. 12 einen Längsschnitt durch eine weitere Abwandlung des Flüs­ sigkeitsauslasses,

Fig. 13 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines Ver­ bindungsteiles zwischen dem Endglied und der Hohlstange und

Fig. 14 ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verbindungsteiles im Längsschnitt.

Fig. 1 und 2 zeigen schematisch das Bohren und anschließende Ein­ spritzen eines Verfestigungsmittels bzw. die Bodenuntersuchung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die erfindungsgemäße Vor­ richtung als Ganzes das Bezugszeichen 1, eine Bohrmaschine das Be­ zugszeichen 2, eine Vorrichtung zur Verdrehung oder vertikalen Be­ wegung der Vorrichtung das Bezugszeichen 3 und ein am oberen Ende der Vorrichtung befestigtes Drehteil zum Einbringen von Bohrwasser, einer Druckflüssigkeit, eines Verfestigungsmittels o. dgl. in die Vor­ richtung das Bezugszeichen 4 trägt.

Beim Bohrvorgang wird die Vorrichtung 1 durch die Bohrmaschine 2 in Drehung versetzt und erhält eine Abwärtsbewegung, während Bohr­ wasser durch das Drehteil 4 in die Vorrichtung eingeführt wird und vom unteren Ende der Vorrichtung ausströmt. Am unteren Ende der Vorrichtung ist eine nicht dargestellte Bohrspitze angeordnet. Der losgeschabte Boden wird mit dem Bohrwasser zu Schlamm vermischt:
ein Teil des Schlammes wird in den Boden infiltriert, während der Rest längs der Außenwandung der Vorrichtung 1 nach oben heraus­ gedrückt wird. Nachdem die Bohrung auf eine gewünschte Tiefe nie­ dergebracht ist, wird lediglich das Mantelrohr 6 nach oben gezo­ gen, um das Endglied 5 (Fig. 2) freizulegen, wenn beispielsweise ein Verfestigungsmittel zur Bodenverfestigung eingespritzt werden soll, oder aber die gesamte Vorrichtung 1 wird etwas angehoben und dann das freilegbare Endglied 5 aus dem Mantelrohr 6 herausge­ drückt. Alsdann wird eine Dichtmanschette 7 durch eine Druckflüssig­ keit, welche in die Vorrichtung eingeleitet wird, aufgebläht und durch das Drehteil 4 ein Verfestigungsmittel zugeführt und aus dem Flüssigkeitsauslaß 8 entsprechend den in Fig. 2 eingezeichneten Pfeilen in den Boden eingespritzt.

Das vorbeschriebene Niederbringen der Bohrung, die Freigabe des Endgliedes und das anschließende Aufblähen der Dichtmanschette werden in der gleichen Weise wie vorbeschrieben durchgeführt, wenn mit Hilfe der Vorrichtung eine Bodenuntersuchung durchgeführt wer­ den soll.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung besteht die Hohlstange 9 für die Zufuhr von Flüssigkeit aus einem Rohrstrang, wobei das unterste Teil des Rohr­ stranges mit dem freilegbaren Endglied 5 über ein Verbindungsteil 10 verbunden ist. Das freilegbare Endglied 5 weist einen zylindrischen Körper 5 a mit einer ringförmigen Vertiefung auf, in welcher eine elastomere Dichtmanschette 7 angeordnet und am oberen und unteren Ende durch Halteringe 5 b und 5 c befestigt ist. Außerdem ist ein Flüssigkeitsauslaß 5 f mit einer Auslaßöffnung 5 e vorgesehen, der am unteren Ende einer Axialbohrung 5 d offen ist. Am oberen Ende bzw. an der Wurzel des freilegbaren Endgliedes 5 ist ein Ringkolben 11 vorgesehen.

Das Verbindungsteil 10, welches den Kolben 11 mit der Hohlstange 9 verbindet, besteht aus einem Rohrstück 10 a, welches vom Kolben 11 aus nach oben weist, und einem von der Hohlstange 9 nach unten weisenden Rohrstück 10 b. Diese beiden Rohrstücke bilden eine Tele­ skopverbindung, welche flüssigkeitsdicht verschiebbar ist. Das Ver­ bindungsteil bzw. die Teleskopverbindung 10 kann auch in der in den Fig. 13 und 14 dargestellten Weise ausgebildet sein.

In Fig. 3 ist die Hohlstange 9 als Doppelrohr mit einem Innenrohr 9 a und einem Außenrohr 9 b dargestellt, jedoch kann diese Hohl­ stange auch als Einzel- oder Mehrfachrohr, wie beispielsweise als Dreifachrohr, ausgebildet sein, wobei mehrere Flüssigkeitskanäle in ihm ausgebildet sind, um mehr als zwei verschiedene Verfestigungs­ mittel je nach der Art der zu verwendenden Verfestigungsmittel ge­ trennt voneinander zuzuführen.

Die Hohlstange 9 und das freilegbare Endglied 5 sitzen in einem Mantelrohr 6. An der Außenwandung des Kolbens 11 sind ein oberer Dichtring 11 a und ein unterer Dichtring 11 b zwischen dem Kolben 11 und dem Mantelrohr 6 vorgesehen, wodurch ein geschlossener Druck­ flüssigkeitsraum 12 über dem Kolben zwischen der Hohlstange 9 und dem Mantelrohr 6 ausgebildet wird. In diesem geschlossenen Raum 12 wird eine Druckflüssigkeit wie Öl o. dgl. oder auch Preßluft über das Drehteil 4 eingegeben bzw. manchmal auch ein Unterdruck er­ zeugt.

Am oberen Ende des Kolbens 11 ist eine Schulter 11 c ausgebildet, welche von dem in den geschlossenen Raum 12 eingebrachten Druck­ mittel mit einer nach unten wirkenden Kraft beaufschlagt wird, wäh­ rend am unteren Ende des Kolbens 11 ein Kupplungsteil 11 d ausge­ bildet ist, welches an einem kreisringförmigen Ansatz 6 a an der Innenwandung im unteren Teil des Mantelrohres 6 anliegen kann, wenn das Endglied 5 vom Mantelrohr 6 freigelegt wird. Ein Druck­ mittelkanal 5 g führt von dem Raum zwischen den Dichtringen 11 a und 11 b des Kolbens 11 zu einer Kammer 5 h, welche an der Rückseite der Dichtmanschette 7 ausgebildet ist.

Etwas über dem Ringansatz 6 a ist in der Innenwandung des Mantel­ rohres 6 in dessen unterem Teil eine ringförmige Vertiefung 6 b aus­ gebildet, welche den geschlossenen Raum 12 mit dem Druckmittelkanal 5 g verbindet, wenn das Endglied 5 vom Mantelrohr 6 freigegeben wird (siehe Fig. 4). Der Ringansatz 6 a des Mantelrohres 6 liegt an einem Dichtring 5 i an, der an der Außenwandung des Körpers 5 a im unteren Teil des Endgliedes vorgesehen ist, um zu verhindern, daß Spülschlamm u. dgl. in den Raum um die Dichtmanschette 7 herum eindringen kann. Andererseits kann der Dichtring 5 i auch im Ringan­ satz 6 a angeordnet werden.

Um ein Rückströmen des Spülschlammes durch die Auslaßöffnung 5 e des Endgliedes 5 zu verhindern, kann in der Auslaßöffnung ein Rückschlagventil 5 j ausgebildet werden, wie dies in Fig. 5 darge­ stellt ist.

Das vorbeschriebene erste Ausführungsbeispiel einer erfindungsge­ mäßen Vorrichtung arbeitet, wenn die Vorrichtung beispielsweise zur Bodenverfestigung eingesetzt werden soll, folgendermaßen:

Die Vorrichtung 1 wird an einer geeigneten Bohrmaschine 2 befestigt und das Endglied 5 zum Bohren gemäß Fig. 9 in das Mantelrohr 6 zurückgezogen. Alsdann wird Bohrwasser der Hohlstange 9 zugeführt und gleichzeitig die Vorrichtung in Drehung versetzt. Das Bohrwasser tritt aus der Auslaßöffnung 5 e durch die Hohlstange 9 hindurch und durch die Axialbohrung 5 d des Endgliedes 5 aus und trägt den los­ gekratzten Boden längs des Mantelrohres nach oben. Um ein zufälliges Herausrutschen des Endgliedes 5 durch Vibration usw. zu verhindern, wird im geschlossenen Raum 12 während des Bohrvorganges ein Unterdruck erzeugt. Da hierbei auch die Dichtmanschette 7 während des Bohrvorganges im Mantelrohr 6 liegt, ist sie vor jeglicher Be­ schädigung durch Reibung u. dgl. geschützt.

Wenn die Bohrung auf die gewünschte Tiefe niedergebracht worden ist, muß das Verfestigungsmittel eingebracht werden. Vorher wird je­ doch in den geschlossenen Raum 12 ein Druckmedium eingebracht, welches auf die Schulter 11 c des Kolbens 11 einwirkt und das End­ glied 5 nach unten drückt. Alsdann wird das Mantelrohr 6 in die in Fig. 4 dargestellte Lage hochgezogen. Das Mantelrohr 6 kann zu­ sammen mit der Hohlstange 9 hochgezogen werden, wobei am Befesti­ gungsteil der Bohrmaschine keine Abweichung zwischen dem Mantel­ rohr 6 und der Hohlstange 9 erfolgt. Sobald das Mantelrohr 6 die Lage gemäß Fig. 4 erreicht und das Kupplungsteil 11 d des Kolbens 11 an der Oberseite des Ringansatzes 6 a des Mantelrohres 6 anliegt, tritt der Dichtring 11 a in die ringförmige Ausnehmung 6 b ein, so daß der geschlossene Raum 12 mit dem Druckmittelkanal 5 g verbunden wird und das Druckmittel zur Rückseite der Dichtmanschette 7 ge­ langt und dieselbe aufbläht. An der Erdoberfläche kann kontrolliert werden, ob die Dichtmanschette in der gewünschten Weise aufgebläht worden ist oder nicht, und zwar vergrößert ein Aufblähen der Dicht­ manschette entsprechend das Volumen des vom Druckmittel angefüllten Raumes, was durch eine Druckveränderung angezeigt wird. Durch Ab­ lesen der Druckveränderung an einem Druckmeßgerät an der Erdober­ fläche kann das Aufblähen der Dichtmanschette kontrolliert werden. Das Ausmaß der Aufblähung der Dichtmanschette kann wunschgemäß aufgrund des Bodenzustandes und der Verfestigungsmittel-Einspritzung eingestellt werden.

Nachdem die Dichtmanschette aufgebläht wurde, um einen Rücklauf des Verfestigungsmittels wie zuvor beschrieben vollkommen abzuschließ­ en, wird das Verfestigungsmittel in die Hohlstange eingepumpt und aus der Auslaßöffnung 5 e in den Boden eingespritzt. Infolge der zu­ friedenstellenden Wirkungsweise einer derartigen mechanischen Ab­ dichtung kann das Verfestigungsmittel einwandfrei in den Boden ein­ gespritzt werden. Dabei kann jegliches Verfestigungsmittel mit langer Gelzeit oder auch ein Verfestigungsmittel mit kurzer Gelzeit verwen­ det werden. Ein Verfestigungsmittel mit langer Gelzeit kann mit einer einfachen Hohlstange 9 eingespritzt werden. Allerdings ist es manch­ mal selbst bei einem Verfestigungsmittel mit langer Gelzeit zweckmäß­ ig, eine Hohlstange 9 in Form von beispielsweise einem Doppelrohr zu verwenden, um einmal das Hauptmittel wie beispielsweise eine Wasserglaslösung und zum anderen ein Härtemittel wie beispielsweise eine starke Alkalilösung getrennt zuzuführen. Die beiden Einzelka­ näle verbinden sich in oder kurz vor dem Verbindungsteil 10 und die entstehende Mischung tritt aus der Auslaßöffnung 5 e aus. Zur Herstellung eines schnell abbindenden Verfestigungsmittels wird ein Mehrfachrohr der bereits genannten Art verwendet. Nach Abschluß des Einspritzvorganges wird der Druck im geschlossenen Raum 12 abgesenkt und die Dichtmanschette fällt infolge der Eigenelastizität zusammen und kehrt in ihren ursprünglichen Zustand zurück. Manch­ mal kann es zweckmäßig sein, im geschlossenen Raum 12 einen Unter­ druck zu erzeugen, um eine zwangsweise Rückführung der Dicht­ manschette in den Urzustand herbeizuführen. Anschließend wird die gesamte Vorrichtung schrittweise nach oben gezogen, während das Endglied 5 freigelegt bleibt, und das Aufblähen der Dichtmanschette und der Einspritzvorgang werden in der gleichen Weise wie vor­ stehend erläutert durchgeführt. Durch wiederholtes Einspritzen des Verfestigungsmittels in den erforderlichen Stufen läßt sich eine Boden­ verfestigung im gewünschten Tiefenbereich erzielen. Statt die Ein­ spritzung aufwärtsschreitend durchzuführen, kann das Verfestigungs­ mittel auch während des Bohrvorganges eingespritzt werden.

Die Fig. 6 und 7 zeigen ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung, bei welchem der Flüssigkeitsauslaß 5 f anders ausgebildet ist als bei dem vorbeschriebenen ersten Ausführungsbeispiel. Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel besitzt der Flüssigkeitauslaß 5 f ein unten geschlossenes Rohr an einem unteren Ansatz des Endgliedes. Dieses Rohr besitzt eine große Anzahl von radialen Auslaßöffnungen 5 e. Diese Auslaßöffnungen 5 e sind in Umfangsrichtung in gewünschten Abständen stufenweise in vertikaler Richtung angeordnet und jede Stufe mit Öffnungen 5 e ist durch eine elastomere Manschette 5 k abge­ deckt.

Beim Bohrvorgang füllt durch die Axialbohrung 5 d in der in Fig. 6 dargestellten Lage zugeführtes Bohrwasser eine Kammer 5 l im Flüs­ sigkeitsauslaß 5 f und tritt dann durch die Auslaßöffnungen 5 e aus, wobei es die elastomere Manschette 5 k fortdrückt und in einen Raum 13 zwischen dem Flüssigkeitsauslaß 5 f und dem Mantelrohr 6 längs den Rändern der elastomeren Manschette 5 k eintritt. Das Bohrwasser wird durch Bohrwasserauslaßöffnungen 5 m ausgespritzt, welche am unteren Ende des Rohres 5 f ausgebildet sind.

Bei Einspritzen des Verfestigungsmittels füllt dieses durch die Axial­ bohrung 5 d in dem Zustand gemäß Fig. 7 zugeführte Mittel die Kam­ mer 5 l und tritt unter Fortdrücken der Manschette 5 k in der gleichen Weise aus wie das Bohrwasser. Wie bereits erwähnt, führt die Schließ­ kraft der elastomeren Manschette dazu, daß der Spritzdruck des Ver­ festigungsmittels durch alle Auslaßöffnungen gleich ist, so daß durch alle Ausflußöffnungen hindurch eine gleichmäßige Abgabe des Ver­ festigungsmittels erzielbar ist. Ohne diese elastomeren Manschetten 5 k wäre die Spritzkraft des Verfestigungsmittels in einer höher lie­ genden Auslaßöffnung 5 e schwächer als in den weiter unten liegenden Auslaßöffnungen.

Bei dem in den Fig. 8 und 9 dargestellten weiteren Ausführungsbei­ spiel der Erfindung besitzt das freilegbare Endglied 5 zwei Dichtman­ schetten 7 a und 7 b, welche in einigem Abstand vertikal übereinan­ der angeordnet sind, während ein Flüssigkeitsauslaß 5 f mit radial von der Durchgangsbohrung 5 d nach außen verlaufenden Auslaß­ öffnungen 5 e zwischen der oberen Dichtmanschette 7 a und der unteren Dichtmanschette 7 b vorgesehen ist. Die Dichtmanschetten 7 a und 7 b werden auf die gleiche Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel aufgebläht. Wie Fig. 8 zeigt, fließt Bohrwasser durch die Durch­ gangsbohrung 5 d und dann durch die Auslaßöffnungen 5 e in das Mantelrohr 6, strömt innerhalb des Mantelrohres 6 durch den Raum 13 und wird durch die Auslaßöffnungen 5 m am unteren Ende des Kör­ pers 5 a des Endgliedes abgegeben.

Fig. 11 zeigt die Anwendung der elastomeren Manschetten 5 k ent­ sprechend Fig. 6 bei der Vorrichtung gemäß Fig. 8. Anstelle der elastomeren Manschetten können zwei Dichtringe 5 n in Kontakt mit­ einander im Ringspalt angeordnet werden, der an der Stelle der Aus­ laßöffnungen 5 e ausgebildet ist, wie dies Fig. 12 zeigt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel kann der Einspritzbereich für das Verfestigungsmittel vollständig durch die obere und die untere Dich­ tung gesteuert werden, so daß ein effektiveres Einspritzen des Ver­ festigungsmittels erzielbar ist. Falls erforderlich können auf die gleiche Weise drei oder mehr Dichtmanschetten vorgesehen werden.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Durchführung einer Erdbohrung und zum Zuführen einer Flüssigkeit, beispielsweise von Zementmilch, in das Bohrloch, mit einem äußeren Mantelrohr, mit einer im Mantelrohr angeord­ neten Hohlstange für die Zufuhr der Flüssigkeit, mit einem Flüs­ sigkeitsauslaß am unteren Ende der Hohlstange und mit einer zur Ab­ dichtung des Zwischenraumes zwischen der Vorrichtung und der Bohr­ lochwandung dienenden, mittels einer Druckflüssigkeit aufblähbaren Dichtmanschette, wobei die Druckflüssigkeit durch den zwischen der Hohlstange und dem Mantelrohr gebildeten Druckflüssigkeitsraum zuge­ führt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsauslaß als aus dem Mantelrohr (6) teleskopisch ausfahr­ bares Endglied (5) ausgebildet ist, welches die Dichtmanschette (7) trägt, daß das Endglied (5) an seinem oberen Ende einen den Druck­ flüssigkeitsraum (12) nach unten abschließenden Ringkolben (11) auf­ weist, der sich in abdichtendem Gleitkontakt mit der Innenwandung des Mantelrohres (6) befindet, und daß im Endglied (5) ein an der Rückseite der Dichtmanschette (7) endender Druckmittelkanal (5 g) vorgesehen ist, der in ausgefahrener Endstellung des Endgliedes (5 r) mit dem Druckflüssigkeitsraum (12) selbsttätig in Verbindung tritt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckmittelkanal (5 g) des Endgliedes (5) in der zum Mantelrohr (6) hin weisenden Seitenwandung des Ringkolbens (11) mündet, daß das Mantelrohr (6) an seiner Innenseite eine ringförmige Vertiefung (5 b) aufweist, die bei ausgefahrener Endstellung des Endgliedes (5) der Mündung des Druckmittelkanals (5 g) gegenüberliegt und den Druck­ flüssigkeitsraum (12) mit dem Druckmittelkanal (5 g) verbindet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckmittelkanal (5 g) des Endgliedes (5) in einer zur Rückseite der Dichtmanschette (7) hin offener Kammer (5 h) endet.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Endglied (5) und die Hohlstange (9) teleskopartig miteinander verbunden sind.