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Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung tiefer Erdbohrungen
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Die Erfindung betrifft ein Bohrverfahren, geeignet zur Herstellung
tiefer und extrem tiefer Erdbohrungen, sowie die damit verbundenen Vorrichtungen
und Arbeitseinrichtungen.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und den damit verbundenen Vorrichtungen
und Arbeitseinrichtungen lassen sich im Vergleich zu bislang bekanntgewordenen Verfahren,
Vorrichtungen und Arbeitseinrichtungen, sowohl der Zeit- und Arbeitsaufwand zur
Niederbringung einer Erdbohrung in große Tiefen, als auch die Vorhalte-, Werkæeug-,
und Energiekosten erheblich senken.
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Das erfindungsgemä3e Verfahren mit seinen Vorrichtungen und Arbeitseinrichtungen
ermöglicht nicht nur die Herstellung von senkrechten Srdbohrungen, sondern auch
die Ifiederbringmng von Erdbohrungen abweichend von der Senkrechtachse, entweder
direkt vom Bohrungsansatz ner oder gesteuert ab einer bestimmten Tiefe.
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Bohrverfahren, Bohrvorrichtungen und ARbeitseinrichtungen zur Herstellung
senkrechter Erdbohrungen sind bekannt. Tiefe und extrem tiefe Bohrungen lassen sich
mittels dieser Verfahren, Vorrichtungen und Arbeitseinrichtungen wenn überhaupt,
dann nur unter einem ganz erheblichen Aufwand an Zeit-, Arbeits-, Energie-, Vorrichtungjs-
und \ierkzeugkosten realisieren.
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Eines dieser Bohrverfahren, bekannt unter der Bezeichnung"Rotary-Verfahren",
bedient sich eines drehbaren, in Teillangen ( von ca.
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9 mtr. ) zerlegbaren Bohrgestnges, welches in einem turmähnlichen
Gittergeriist,
dem sogenannten Bohrturm, aufgehängt ist.
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im unteren Ende trägt das Bohrgestänge auswechselbar verbunden das
Bohrwerkzeug; am oberen Ende d.h. im Bohrturmbereich greift der Drehantrieb an.
Über das mit zunehmender Tiefe länger und schwerer werdende Bohrgestänge wird das
Bohrwerkzeug angetrieben.
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Dieser Anordnung haftet der nachteil an, daß zum Auswechseln eines
stumpfgewordenen Bohrwerkzeuges das gesamte, bei tiefen und extrem tiefen Bohrungen
entsprechend lange und schwere Bohrgestänge hochgezogen, dabei in seine Einzelteile
zerlegt nach Auswechseln des Bohrwerkzeuges wieder zusammengekoppelt, auf Arbeitstiefe
abgesenkt werden muß; ein Vorgang, der mit einem ganz beträchtlichen Kraft-, Zeit-
und Arbeitsaufwand verbunden ist.
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Ganz abgesehen davon sind die mit zunehmender Tiefe immer zahlreicher
werdenden Teilstücke des Bohrgestänges sorgfältig zu lagern damit die Gewindeverbindungen
nicht beschädigt werden. Letzteres ein nicht unerheblicher Nachteil vor allem bei
Offshore -Bohrungen wegen des begrenzten Raumangebotes.
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Ein weiterer Nachteil ergibt sich bei diesem Verfahren aus der Länge
des zu drehenden, zusammengekoppelten Bohrgestänges, vor allem bei tiefen und extrem
tiefen Bohrungen. Das lange Bohrgestange biegt durch und reibt an der Bohrungswandung,
was naturgemäß zu einer entsprechenden Erhöhung des Antriebsaufwandes fAhrt.
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Darüberhinaus neigt das Bohrwerkzeug mit wachsender Tiefe und zunehmender
Länge des Bohrgestänges zum Auswandern aus der Senkrechtachse, was ebenfalls Reibung
an der Bohrlochwandung und damit Erhöhung des Antriebsaufwandes bedingt und die
Gefahr eines Bohrgestängebruchs herbeiführt.
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Die Drehgeschwindigkeit des Bohrwerkzeuges läßt sich wegen des bei
großer Tiefe langen und schweren und infolge übergroße Reibung schwer drehbaren
Bohrgestänges nur innerhalb relativ enger Grenzen verändern und den gegebenen BohrvrhLtnissen
anpassen. Das Gewicht
des Bohrgestnges muß zur Entlastung des Bohrwerkzeuges
mit wachsender Tiefe fortlauSenMkompensiert werden. Die tragenden und antreibenden
Bauelemente müssen dem beträchtlichen Endgewicht des Bohrgestänges jeweils Rechnung
tragen. Eine Anwendung von Schlagbohrtechniken, wie sie beim Bohren in hartem Gestein
zweckmäßig wäre, ist wegen des hohen, ständig achsial zu bewegenden Bohrgestängegewichts
und der vielen Verbindungen kaum oder nur mit geringer Effizienz realisierbar. Lassen
sich beim Bohren in hartem Gestein und dies wiegt in großen Tiefen vor,aber Schlagbohrtechniken
nicht anwenden, so erhöhen sich der Werkzeugverschleiß der relativ teuren Bohrwerkzeuge
und damit die Kosten erheblich. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Bohrungswandung
nicht in direktem Verfolg des Bohrwerkzeuges armiert werden kann. Dies zwingt zu
einer, nach unten im Durchmesser, abgestuften Bohrung.
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Bei einem ebenfalls bekanntgewordenen Bohrverfahren, mit Turbinenbohren
" bezeichnet, wird das Bohrwerkzeug direkt von einer am unteren Ende einer zerlegbaren
Rohrleitung angeordneten Turbine angetrieben. Als Antriebsmittel für die Turbine
dient die, durch die Rohrleitung gepreßte SpülflWssigkeit. Eine solche Anordnung
hat gegenüber dem Rotaryverfahren wohl den Vorzug, daß das Bohrwerkzeug kaum mehr
auswandern und wenn, dann ein drehendes Bohrgestänge nicht mehr an der Bohrungswand
reiben und evtl. brechen kann, jedoch bleibt der Nachteil bestehen, daß die Rohrleitung
ebenfalls in relativ kurze Einzelteile zerlegt und wieder zusammengekoppelt werden
muß, soll ein abgestumpftes Bohrwerkzeug aus der Tiefe hochgeholt, ausgewechselt
und wieder abgesenkt werden. Anch mittels dieser Anordnung lassen sich nur senkrechte
Bohrungen herstellen. Die Drehzahlen der Turbine und somit des Bohrwerkzeuges können
nur innerhalb eines geringen Bereiches beeinflußt werden.
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Das Gewicht der Rohrleitung muß zur Entlastung des Bohrwerkzeuges
mit zunehmender Tiefe ebenfalls laufend kompensiert werden. Das wachsende Gewicht
der Rohrleitung muß bei der Konstruktion des Bohrturms berücksichtigt werden. Die
Anwendung von Schlagbohrtechniken beim Bohren in hartem Gestein ist auch hier praktisch
nicht
gut durchführbar, da nicht nur das Bohrwerkzeug allein, sondern
auch Leitung und Turbine die schlagende Bewegung mitvollziehen müßten.
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Demgegenüber verfügt das erfindungsgemäße Verfahren mit seinen Vorrichtungen
und Arbeitseinrichtungen über folgende Vorzüge.
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1/ Das Absetzen des Bohrwerkzeuges auf Arbeitstiefe und Hochholen
desselben ist selbst bei Bohrarbeiten in extremen Tiefen ohne größeren Arbeitsaufwand
und im Bruchteil der Zeit möglich, die bei den bislang bekannten vorbeschriebenen
Verfahren, unumgänglich ist 2/ Das arbeits- und zeitaufwendige Zusammenkoppeln bzw.
Zerlegen von Bohrgestänge oder Rohrleitung wie beim Turbinenbohren resp.
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Rotary-Verfahren und die Aufbewahrung der zahlreichen einzelnen Teilstücke
entfällt.
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3/ Es lassen sich nicht nur senkrechte Bohrungen herstellen, sondern
auch Bohrungen abweichend von der Senkrechtachse sofort ansetzen, oder ab einer
beliebigen Tiefe einleiten.
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4/ Eine Gewichtskompensation des mit zunehmender Tiefe langer und
schwerer werdenden Bohrgestänges und damit verbunden eine entsprechende Auslegung
von tragenden Bauelementen, Arbeits-und Antriebseinrichtungen entfällt.
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5/ Beim Bohren in hartem Gestein können selbst in größter Tiefe differenzierte
Schlagbohrtechniken angewandt werden.
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6/ Die Gefahr eines Gestängebruchs durch Auswandern des Bohrwerkzeuge,
sowie ständig wachsender Kraft- bzw. Energieaufwand, verursacht durch Zunahme der
Gestängereibung an der Bohrungswandung, scheiden aus.
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7/ Nach Belieben kann unter Anwendung bekannter Spültechniken oder
auch trocken gebohrt werden.
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8/ Die Bohrungswandung kann in direktem Verfolg des Bohrwerkzeuges
mechanisch verdichtet, chemisch verfestigt oder durch Verrohrung armiert werden.
Der ursprünglich angesetzte Bohrungsdurchmesser läßt sich bis zur Endtiefe erhalten
und dies trotz unmittelbar nachfolgender Verrohrung.
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9/ Die Drehzahl des Bohrwerkzeuges kann beliebig innerhalb eines weiten
Bereiches verändert und somit den Bohrverhältnissen angepaßt werden.
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10/ Die erbohrte Substanz kann wahlweise mittels des herkömmlichen
Spülverfahrens oder aber auf mechanischem Wege zutage gefördert werden.
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11/ Niedergebrachte Bohrungen in nichtstehendem oder sich nachträglich
verformenden und die Bohrung verengenden plastischen Gestein können beim Aufholen
der Bohrvorrichtung wieder freigebohrt werden. Bohrvorrichtung und Bohrwerkzeug
können demnach kaum im Bohrloch steckenbleiben und verlorengehen.
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12/ Es können geschlossene Bohrkerne, geeignet für Untersuchungs-und
Forschungszwecke gewonnen und gegebenenfalls unabhängig vom Fortgang der Bohrarbeit
zur Brdoberflächa transportiert werden.
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13/ Der Vortrieb kleinerer Sub bohrungen ist möglich. Es können somit
Sprenglöcher vorbereitet werden, sodaß das Bohren in hartem Gestein durch voreilende
Sprengungen unterstützt werden kann.
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14/ Offshore-Bohrungen müssen nicht mehr unbedingt von einer starrstehenden
Bohrinsel aus niedergebracht werden, es kann auch von einer verankerten schwimmenden
Plattform aus gebohrt
werden, da Schwankungen und leichte Verschiebungen
der Plattform über der Bohrung keinerlei Einfluß auf die Bohroperation selbst ha
und das Gewicht von Bohrvorrichtung und Arbeitseinrichtungen sich mit wachsender
Tiefe nicht wesentlich verändert.
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15/ Zur Erreichung extrem tiefer Bohrungen kann das Eigengewicht der
Werkzeugaufhängung kompensiert werden.
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Vorgenannte Vorzüge werden erfindungsgemäß aufgrund eines Bohrverfahrens
realisiert, welches sich u.a. hauptsächlich auf eine eigenständig in der Erde operierende,
ferngesteuerte und fernbediente, fernversorgte und fernentsorgte Bohrvorrichtung
stützt.
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Diese Bohrvorrichtung wird von einem Tragseil getragen. Sie läßt sich
somit vermittels einer Seilwinde ohne größeren Arbeitsaufwand auch aus extremer
Tiefe schnell hochholen und wieder auf Arbeitstiefe absenken.
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Die der Fernsteuerung bzw. Fernbedienung, Fernver- und Pernentsorgung
dienenden Leitungen z.B. für elektrischen Strom. Druckluft, Hydraulikflüssigkeit
oder Spülmittel gelangen vorzugsweise flexibel, endlos oder endlos aneinandergekoppelt
zum Einsatz, wodurch sie analog der Tragseilaufhängung hochgezogen und oben durch
Aufspulen oder auch anderweitig schnell versorgt werden können.
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Im Rahmen dieser eigenständigen Bohrvorrichtung sind alle zweckdienlichen,
auf eine eigenständige Bohroperation in der Erde abzielenden Antriebsaggregate,
Bauelemente, Arbeits- und Steuereanrichtungen installiert wie z.B.
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Drehbohr- und Schlagbohrantriebe für das Bohrwerkzeug, Antrieb zum
Spreizen bzw. Vergrößern und Verkleinern des Bohrwerkzeugs, Antriebe zum Feststellen
der Bohrvorrichtung gegenüber der Bohrungswandung, Antrieb und Einrichtungen für
Vorschub, Vorwärts- und Rückwärtsbewegung der Bohrvorrichtung und des Bohrwerkseuges,
Fördereinrichtungen
für die Bohrsubstanzen innerhalb der Bohrvorrichtung, Einrichtungen zur Bohrrichtungsänderung
Einrichtungen zur mechanischen Verdichtung oder chemisch Verfestigung der Bohrungswandung
Einrichtungen zum rückwärtigen Freibohren u. s.w.
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Einrichtungen zum Kühlen in extremer Tiefe z.B. mittels flüssiger
Luft Der Erfindungsgedanke zieht in Betracht: Sämtliche Antriebs-, Arbeits- und
Steuereinrichtungen können sowohl vollhydraulisch, elektrohydraulisch, pneumatisch,
hydropneumatisch, elektropneumatisch, elektromechanisch als auch untereinander kombiniert
oder mittels eines anderen geeigneten Antriebsystems betrieben werden.
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Die der Fernsteuerung, Fernbedienung, Fernversorg- und Entsorgung
dienenden Leitungen wie z.B. Kabel-, Schlauchleitungen etc. können sowohl neben
dem Tragseil geführt, als auch in diesem integriert oder mit diesem in irgendeiner
Form verbunden sein.
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Zum Einsatz können sowohl starre Bohrwerkzeuge bekannter Konstruktion
und Ausführung, als auch neuerungsgemäß im Bohrdurchmesser veränderbar ausgeführte
Bohrwerkzeuge gelangen.
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Es können Bohrwerkzeuge eingesetzt werden, welche mit Subwerkzeugen
bestückt sind, die ihrerseits eigenständig radiale und/oder achsiale Bewegungen
auszuführen vermögen.
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Das Bohrwerkzeug kann entweder eine insgesamt drehbohrende und schlagbohrende
Bewegung ausführen oder es können nur die Subwerkzeuge drehbohrend, schlagbohrend
oder quertrennend in Tätigkeit treten, wobei es wahlweise möglich ist das Bohrwerkzeug
stehend, kontinuierlich drehend oder sich taktend drehend in Bewegung zu setzen.
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Der Transport der erbohrten Substanz zur Erdoberfläche kann mittels
Spülverfahren in bekannter Form durchgeführt werden. Das erfindungsgemaß Verfahren
zieht jedoch auch den Einsatz eines mit der Bohrvorrichtung verbundenen Sammelbehälters
in Betracht, sodaß die Bohrsubstanz zusammen mit der Bohrvorrichtung hochgeholt
werden kann. Ferner ist daran gedacht einen eigenständig zwischen Bohrvorrichtung
und Erdoberfläche hin- und herpendelnden Transportcontainer einzusetzen, welcher
ebenfalls von einem Tragseil getragen, das Material vom SammelbehElter in der Tiefe
übernimmt und unabhängig von der weitergehenden Bohrarbeit zur Erdoberfläche transportiert.
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Der Einsatz eines im Durchmesser verstellbaren Bohrwerkzeuges bietet
die Möglichkeit einer Verrohrung der Bohrung in direktem Verfolg der Bohrvorrichtung
bzw. des Bohrwerkzeuges, ohne daß sich der ursprüngliche Bohrungsdurehmesser ändert.
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Es läßt sich die Installation einer Einrichtung vorsehen mittels welcher
die Bohrungswandung mechanisch verdichtet und/oder nach bekannten chemischen Verfahren
direkt im Verfolg des Bohrwerkzeuges verfestigt werden kann.
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Etir den Fall, daß sich die Bohrung im Nachgang verengen sollte, sei
es durch arbeitendes Gebirge oder wegen sich bei großen Tiefen plastisch verformenden
Gesteins, ist vorgesehen am rückwärtigen Bohrvorrichtungsende ein separates Bohrwerkzeug
zu installieren, welches die Bohrvorrichtung beim Hochziehen freizubohren vermag.
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Hinsichtlich der Fortbewegung und Vortrieb bzw. Vorschubs wird sowohl
eine kontinuierliche Fortbewegung als auch ein taktender Vortrieb von Bohrvorrichtung
und Bohrwerkzeug in Betracht gezogen.
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Eine kontinuierliche Fortbewegung läOt sich z.B. mittels Raupenkettenantriebs
oder vermittels sich schneckenförmig drehender Fortbewegungseinrichtungen erreichen,
die sich n der Bohnmgswandung abstützen.
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Bei Wahl einer taktenden Fortbewegungsart können fluidtechnisch oder
mechanisch arbeitende Linearmotore zum Einsatz gelangen.
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Wird eine Änderung der Bohrlochrichtung innerhalb bestimmter Tiefen
in Erwägung gezogen, muß die Bohrvorrichtung aus möglichst kurzen1 beweglich miteinander
verbundenen Gliedern gestaltet werden, sodaß eine seitliche Abwanderung der einzelnen
Glieder nacheinander möglich ist.
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Die absolut erreichbare Bohrtiefe - dies gilt für alle Bohrverfahren
- wird begrenzt durch das Eigengewicht der das Bohrwerkzeug bzw. die Bohrvorrichtung
tragenden Bauelemente in Verbindung mit der spezifischen Tragfestigkeit.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zieht einerseits eine Steigerung der
er-eichbaren Bohrtiefe durch Abstufungen der Tragseilstärken in Betracht, andererseits
eine Kompensation der Eigengewichte von Tragseil, Steuer-, Bedien-, Ver- und Entsorgungsleitungen
vermittels auttrieberzeugender Körper, welche in Abständen oder auch fortlaufend
integriert in, oder verbunden mit Tragseil und Leitungen bei flüssigkeitsgefüllter
Bohrung die gewünschte Gewichtsentlastung bewirken.
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Zu geologischen Untersuchungs- und Xorschungsswecken sollten vorzugsweise
zusammenhängende Bohrkerne gewonnen und zur Erdoberflache verbracht werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eröffnet hierzu eine solche Möglichkeit.
Es ist der Einsatz eines Bohrwerkzeuges vorgesehen mittels welchem zunächst ein
Bohrkern bestimmter Länge erbohrt wird, der dann mittels einer rennvorrichtung von
seiner Basis getrennt wird, um entwedgermliFS§§r Bohrvorrichtung oder aber vermittels
des Transportcontainers an die Erdoberfläche hochgeholt zu werden.
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Beim Bohren in extremer Tiefe besteht die Gefahr,daß Bohrwerkzeug
oder Aggregate der Bohrvorrichtung durch die Umgebungswärme überhitzt werden. Eine
Kühlung vermittels flüssiger Luft wird in Betracht gezogen. Eine entsprechende Einrichtung
läßt sich im Rahmen der Bohrvorrichtung installieren.