DE3539450A1 - Bohrverfahren zum abteufen von erdbohrungen, gestaenge und gestaengeverbindung dazu - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Bohrverfahren zum Abteufen von Erdbohrungen, bei welchem ein Bohrwerkzeug an einem Gestänge gedreht und mittels Druckluft als Hammer betätigt wird.

Die Erfindung betrifft ferner ein Ge­ stänge zur Durchführung dieses Verfahrens sowie eine Verbindung für ein derartiges Gestänge.

Beim bekannten Drehbohrverfahren, welches beispielsweise bei Aufschlußbohrungen und allgemein beim Abteufen sehr tiefer Bohrungen Anwendung findet, wird als Bohrwerkzeug ein mit dem Gestänge drehender Bohrmeissel ver­ wendet. Durch das Innere des Bohrgestänges wird eine Spülflüssigkeit eingepumpt, welche durch den Bohrmeissel austritt, diesen dabei kühlt und das Bohrgut vom Bohrlochgrund weg nach oben spült.

Eine höhere Bohrgeschwindigkeit läßt sich mit einem anderen bekannten Verfahren, z.B. für Explorationsbohrungen, insbesondere für Meß- und Forschungszwecke oder Wasserbohrungen, erzielen, bei welchem eine übliche Drehbohran­ lage in Kombination mit einem pneumatisch arbeitenden Bohrhammer, einem sog. Imlochhammer verwendet wird. Als Bohrwerkzeug dient hier ein Bohrmeissel, der mit dem Gestänge mitdreht und auf welchen ein druckluftbeaufschlagter Kolben direkt einwirkt. Zur Erzeugung der im Inneren des Drehbohrgestänges zum Bohrwerkzeug geleiteten Druckluft dient ein Kompressor mit einer Kapa­ zität von 7-14 kp/cm² bei einem mittleren Luftbedarf des Bohrhammers etwa zwischen 10 und 18 m³/min. Dieses bekannte Verfahren er­ möglicht eine höhere Bohrgeschwindigkeit als die üblichen Drehbohrverfahren. Nachteilig ist eine verhältnismäßig hohe Kompressorleistung, da die Druckluft durch den Bohrhammer nach außen und zwischen Gestänge und Bohrlochwand nach oben geleitet wird, wobei mit erheb­ lichen Druckverlusten zu rechnen ist.

Der Luftdruck beim Austritt aus dem Bohrwerkzeug muß noch genügen, um das Bohrklein nach oben aus dem Bohrloch zu befördern; je nach Bohr­ tiefe und Meisseldurchmesser sind daher ent­ sprechend stark dimensionierte Kompressoren erforderlich. Infolgedessen liegt die maximale Bohrtiefe etwa bei 150 m. Da dieses Verfahren trocken, also ohne Spülung arbeitet, ergeben sich zusätzliche Schwierigkeiten durch Druck­ verluste bei Wasserzuflüssen im Inneren des Bohrlochs.

Die Bohrgeschwindigkeit bei diesem bekannten Ver­ fahren hängt unmittelbar mit der Kompressor­ kapazität zusammen; beträgt der Luftdruck am Bohrwerkzeug beispielsweise statt 17,5 kp/cm² nur 14,5 kp/cm² ergibt sich daraus bereits eine Reduzierung der Bohrgeschwindigkeit um 20%.

Ein anderes bekanntes Trockenbohrverfahren, welches für Aufschlußzwecke bis zu Teufen von 60 m An­ wendung findet, verwendet als Bohrwerkzeug einen an einem Seil hängenden Meissel, der von einem druckluftbetätigten Kolben beaufschlagt wird. Die Druckluft wird über eine Schlauchverbindung zu- und wieder abgeleitet. Zwischen Hammer­ teil und Bohrkrone ist ein Kernrohr vorge­ sehen, mit welchem das Bohrloch in seiner ganzen Länge Zug um Zug gekernt wird. Entsprechend dem Bohrfortschritt wird eine Verrohrung von oben nachgeschoben. Mit dem bekannten Ver­ fahren, bei welchem das Bohrwerkzeug auch als "Rammbohrhammer" bezeichnet wird, ist, ver­ glichen mit dem oben beschriebenen bekannten Bohrverfahren, eine höherere Bohrgeschwindig­ keit erzielbar.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bohrverfahren zu schaffen, mit welchem Bohrlöcher bis zu 200 m und darüber abgeteuft werden können, welches sich für jedes Gebirge eignet und bei welchem die Bohrgeschwindigkeit höher ist als bei den vorbeschriebenen Bohrverfahren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem Bohrverfahren der eingangs genannten Art die Austragung des Bohrguts mittels Spülflüssigkeit im Spülbohrverfahren erfolgt und bei welchem die Abluft durch das Gestänge wieder (drucklos) ins Freie geleitet wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren stellt demnach eine besonders vorteilhafte Kombination aus den eingangs erläuterten drei bekannten Ver­ fahren dar, wobei als Bohrwerkzeug bevorzugt ein Rammbohrhammer verwendet wird. Dieser ermöglicht das Erzielen einer besonders hohen Bohrgeschwindigkeit.

Dadurch, daß die Abluft in einem eigenen Abluftkanal im Inneren des Gestänges wieder nach oben in die Atmosphäre geleitet wird, genügt für den Betrieb des Hammers ein verhältnismäßig kleiner Kompressor mit einer Kapazität von etwa 4,5 m³/min bei 7 bar. Ein derartiges Gerät ist geeignet bis zu Teufen von ca. 200 m.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich in jedem Gebirge anwenden, also auch in wasserführenden Schichten, da es sich um kein Trockenbohrverfahren handelt. Wie beim üb­ lichen Drehbohrverfahren wird eine tixotrope Spülflüssigkeit verwendet.

Das erfindungsgemäße Verfahren vereinigt auf sich demnach die Vorteile eines wirt­ schaftlichen Betriebs bei großen Bohrtiefen in jedem Gebirge.

Wie beim üblichen Spülbohrverfahren dient die Spülflüssigkeit einerseits der Kühlung des Bohrwerkzeugs, andererseits zum Austragen des Bohrguts von der Bohrlochsohle an die Oberfläche.

Wie beim bekannten Rammbohrhammer wirkt der Hammer unmittelbar auf das Bohrwerkzeug, hier einem Rammeissel mit Austrittsöffnungen für die Spülflüssigkeit. Dabei sind die Druck­ luftverluste auf die Leitungsverluste in den Leitungen für Zu- und Abluft beschränkt, d.h. nahezu die gesamte Energie der Druckluft beim Austritt aus dem Kompressor steht für die Be­ tätigung des Hammers zur Verfügung.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich mit einem üblichen einwandigen Drehbohr­ spülgestänge nicht durchführen, da drei getrennte Kanäle benötigt werden.

Es ist daher ein wesentlicher Teil der vorliegenden Erfindung, ein zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens ge­ eignetes Gestänge vorzuschlagen. Die Lösung ist ein Dreifachgestänge mit Außen-, Mittel- und Innenrohr, wobei die Kanäle für Zuluft, Abluft und Spülflüssigkeit zwischen den Rohren und im Inneren des Innenrohrs verlaufen. Aus Gründen der Kühlung ist es zweckmäßig, daß der Kanal für die Zufuhr der Spülflüssigkeit durch den Ringraum zwischen Außen- und Mittel­ rohr gebildet ist, daß der Kanal für die Abluftführung durch den Ringraum zwischen Mittel- und Innenrohr gebildet ist und daß der Kanal für die Druckluftzufuhr durch den Innenraum des Innenrohrs gebildet ist.

Da derartige Gestänge nur für den genannten Zweck sehr kostspielig sind, geht ein weiterer Vorschlag derErfindung dahin, daß das Außenrohr als übliches Drehbohrspülgestänge mit einem Innengewinde im Muffen- und Zapfenteil ausgebildet ist und daß Innen- und Mittelrohr im Verbindungs­ bereich an ihren jeweiligen Enden demontier­ bar über schraubbare Einsatzstücke zueinander­ und zum Außenrohr konzentrisch gehalten sind.

Dieser Aufbau ermöglicht ein stufenweises Montieren des Dreifachgestänges aus Außenrohr, Mittelrohr und Innenrohr. Duch diesen Ge­ stängeaufbau ist es möglich, auch das Außen­ rohr allein, also für das übliche Drehbohr­ verfahren mit Spülung zu verwenden; darüber hinaus besteht die Möglichkeit, ebenfalls für andere Zwecke, wie Saugbohrarbeiten, lediglich ein Zweifach­ gestänge aus Außenrohr und Mittelrohr zu verwenden. Die für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderliche Investition für ein Dreifachgestänge betrifft also im wesentlichen nur den Anteil des Innenrohrs, da wie erläutert, Außen- und Innenrohr auch für andere Bohrauf­ gaben eingesetzt werden können.

Bezüglich des konstruktiven Aufbaus der Verbindung für das Bohrgestänge, d.h. der Verbindung zwischen dem Muffenteil eines Rohres mit dem Zapfenteil eines weiteren Rohres, wird auf die Unteransprüche 8 bis 14 verwiesen. Für die dort gekennzeichnete Ausgestaltung der Rohrverbindung ist wesentlich, daß alle Einzelteile der Rohrverbindung durch Verschrauben lösbar miteinander verbunden sind. Dabei ist auch erforderlich, die drei Kanäle gegeneinander abzudichten, nämlich das Innen­ rohr gegenüber einem inneren Einsatzstück im Verbindungsbereich und das Mittelrohr gegenüber dem äußeren Einsatzstück im Verbindungsbereich. Durch die genannten Einsatzstücke sind Mittel- und Innenrohr konzentrisch zum Außenrohr fixiert. Die beiden Einsatzstücke selbst sind miteinander verschraubt, wobei das äußere Einsatzstück mit dem Innengewinde des Muffen- bzw. Zapfenteils der Außenverrohrung verschraubt ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden Beschreibungsteil näher erläutert, wobei darauf verzichtet wird, das Bohrwerkzeug einerseits und den Spülkopf andererseits dar­ zustellen, da diese Bauteile im Rahmen fach­ männischer Kenntnisse ohne weiteres an das erfindungsgemäß verwendete Dreifachgestänge an­ gepaßt werden können. In diesem Zusammenhang wird nochmals auf die obigen Ausführungen zum Stand der Technik in Zusammenhang mit dem bekannten Imlochhammer bzw. Senkhammer und dem be­ kannten Rammbohrhammer verwiesen.

Der Verbindungsbereich des erfindungsgemäßen Bohrgestänges wird im folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen hälftigen Längsschnitt durch den Verbindungsbereich,

Fig. 2 einen Schnitt gem. II-II der Fig. 1 und

Fig. 3 einen Schnitt gem. III-III der Fig. 1.

Fig. 1 zeigt einen Halbschnitt durch das Dreifach­ bohrgestänge im Verbindungsbereich und zwar als Halbschnitt durch die Längsachse a. Außerhalb des Verbindungsbereichs besteht das Bohrgestänge aus drei konzentrischen Stahlrohren, nämlich dem Außenrohr 1, dem Mittelrohr 2 und dem Innenrohr 3. An den Enden des Außenrohrs 1 ist einerseits ein Muffenteil 4, andererseits ein Zapfenteil 5 durch Schweißnähte 6 angeschweißt. Der Muffenteil 4 besitzt ein konisches Innen­ gewinde 7, mit welchem er auf ein konisches Außen­ gewinde des Zapfenteils 5 aufgeschraubt ist. Eine Ringdichtung 9 dichtet den Ringspalt 10 zwischen Muffenteilende und Zapfenteil ab. Der Zapfenteil 5 weist an seinem Ende in Höhe des konischen Außengewindes 8 ein zylindrisches Innengewinde 11 auf, in welches ein äußeres Einsatzstück 12 mit einem entsprechenden Außengewinde 13 eingeschraubt ist. Das Einsatz­ stück 12 ist ringförmig ausgebildet und be­ sitzt an seinem Außenumfang eine Anzahl von gleichmäßig verteilten Nuten 14, welche sich im Bereich des Außengewindes 13 axial erstrecken. An seinem axialinneren Ende besitzt das äußere Einsatzstück 12 eine Eindrehung 15, in welcher das Ende des Mittelrohrs 2 aufgenommen ist. Eine ringförmige Dichtung 16 dient der Abdichtung des Spaltes zwischen der Innenseite des Mittelrohrs 2 und der entsprechenden Sitzfläche der Eindrehung 15.

Das zapfenseitig vorgesehene äußere Einsatz­ stück 14 besitzt an seiner Innenseite ein zylindri­ sches Innengewinde 17, in welches ein inneres Einsatzstück 18, welches ebenfalls ringförmig ausgebildet ist, mit einem Außengewinde 19 einge­ schraubt ist. Das innere Einsatzstück 18 besitzt an seinem axial und radial inneren Ende eine Eindrehung 20, welche einen Sitz für die Aufnahme des Endes des Innenrohrs 3 bildet. Das Innen­ rohr 3 ist an seinem Außenumfang mittels einer Ringdichtung 47 gegenüber dem inneren Einsatz­ stück 18 abgedichtet. Das innere Einsatzstück 18 besitzt an seinem Außenumfamg durchlaufende Nuten 21, welche gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet sind.

Die in Fig. 3 gezeigte Schnittdarstellung be­ zieht sich auf das muffenseitige Rohrende, welches im Querschnitt dem zapfenseitigen Rohrende gleichartig aufgebaut ist. Von außen nach innen reihen sich über Gewindever­ bindungen ineinander: das Außenrohr 1 mit dem Innengewinde 22, ein äußeres Zwischenstück 23 mit einem Außengewinde 24 und Umfangsnuten 25 sowie ein inneres Einsatzstück 26 mit einem Außengewinde 48, welche in ein Innengewinde 28 des äußeren Einsatzstücks 23 eingeschraubt ist. Auch das innere Einsatzstück 26 besitzt am Um­ fang verteilt angeordnete Nuten 27, die sich dort axial über die gesamte Länge des inneren Einsatzstücks 26 erstrecken. Sowohl das äußere Einsatzstück 23, als auch das innere Einsatz­ stück 26 besitzen am Außenumfang bzw. am Innen­ umfang jeweils eine Eindrehung 29 bzw. 30 zur Aufnahme der Enden des Mittelrohrs 2 bzw. des Innenrohrs 3. Ringdichtungen 31, 32 dienen der Abdichtung des äußeren Einsatzstücks 23 gegen­ über dem Mittelrohr 2 bzw. des inneren Einsatz­ stücks 26 gegenüber dem Innenrohr 3.

Darüber hinaus besitzen zapfenseitig sowohl das äußere Einsatzstück 12 als auch das innere Einsatzstück 18 an ihren muffenseitigen Enden zu ihrer Gewindeverbindung hin auslaufende ring­ förmige Ausnehmungen 33 bzw. 34, welche zusammen einen gegenüber den miteinander fluchtenden Nuten 21 bzw. 27 der beiden inneren Einsatzstücke 18 bzw. 26 erweiterten Ringraum 37 bilden. Ein verbleibender Ringsteg 35 des äußeren Einsatzstücks 12 auf der Zapfenseite greift über eine entsprechende Ein­ drehung 36 des äußeren Einsatzstückes 23 auf der Muffenseite. Ein verbleibender, an den genannten Ringraum 37 angrenzender Ringsteg 38 des inneren Einsatzstücks 18 auf der Zapfenseite greift über eine entsprechende Eindrehung 39 des inneren Einsatzstücks 26 auf der Muffenseite. Die beiden Ringstege 35, 38 der zapfenseitigen Einsatzstücke sind mit Ringdichtungen 40, 41 gegenüber den entsprechenden muffenseitigen Einsatzstücken 23, 26 bzw. deren Eindrehungen 36, 39 abgedichtet. Ebenfalls ein erweiterter Ringraum 42 ist zwischen den Nuten 14 bzw. 25 des äußeren Einsatzstücks 12 der Zapfenseite bzw. des äußeren Einsatzstücks 23 der Muffenseite vorgesehen. Infolge des Ringraums 42, der sich in axialer Richtung zwischen den beiden Enden der äußeren Einsatzstücke 12, 23 befindet, und des anderen Ringraums 37, der sich zwischen den stirnseitigen Enden der beiden inneren Einsatzstücke 18 bzw. 26 befindet, ist die Leitung des jeweiligen Mediums im Bereich der Nuten 14, 25 bzw. 21, 27 auch dann gegeben, wenn diese Nuten nicht miteinander in axialer Richtung fluchten.

Die Fig. 2 und 3 entsprechen der in Fig. 1 dargestellten Rohrverbindung, wobei entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Zapfenteil 5 und Muffenteil 4 besitzen eine wesentliche größere Wandstärke als das Außen­ rohr 1. Kurz vor den Schweißnähten 6, welche die Verbindung zwischen diesen Teilen und dem Außenrohr 1 darstellen, sind daher auf der Zapfen­ seite ein radialer Übergang 43 und auf der Muffen­ seite ein radialer Übergang 44 vorgesehen. Das Zapfenteil besitzt zwischen dem radialen Über­ gang 43 und seinem Innengewinde 11 eine glatte Innenbohrung 45, deren Außendurchmesser etwa dem Kopfdurchmesser des Innengewindes 11 entspricht.

Das Mittelrohr 2 und das Innenrohr 3 sind in den entsprechenden Eindrehungen der Einsatzstücke jeweils so eingesetzt, daß sowohl zu den axialen Nuten 14, 25 der äußeren Einsatzstücke 12, 23 als auch zum inneren Gestängehohlraum 46 hin glatte, d.h. konzentrisch fluchtende Übergänge gebildet werden.

Nimmt man an, daß sich zur Darstellung gem. Fig. 1 der Spülkopf auf der rechten Seite befindet, so bedeuten die dort eingezeichneten Pfeile F 1 bis F 3 in dieser Reihenfolge den Zufluß der Spülung (F 1), die Ableitung der Abluft (F 2) und die Zuleitung der Druckluft (F 3).

Claims (14)

1. Bohrverfahren zum Abteufen von Erdbohrungen, bei welchem ein Bohrwerkzeug an einem Ge­ stänge gedreht und mittels Druckluft als Hammer betätigt wird, dadurch gekennnzeichnet, daß die Austragung des Bohrguts mittels Spülflüssigkeit im Spülbohrverfahren erfolgt und daß die Abluft durch das Gestänge wieder (drucklos) ins Freie geleitet wird.

2. Bohrverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Bohrwerkzeug ein Rammbohrhammer ver­ wendet wird.

3. Gestänge für ein Bohrverfahren nach den Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Gestänges getrennte Kanäle für die Zufuhr von Druckluft und Spülflüssigkeit sowie für die Abluft vorgesehen sind.

4. Gestänge nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es als Dreifachgestänge mit Außen- (1), Mittel- (2), und Innenrohr (3) ausgebildet ist, wobei die Kanäle für Zuluft/Abluft und Spül­ flüssigkeit zwischen den Rohren und im Inneren (46) des Innenrohrs verlaufen.

5. Gestänge nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal für die Zufuhr der Spülflüssig­ keit durch den Ringraum zwischen Außen- (1) und Mittelrohr (2) gebildet ist.

6. Gestänge nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal für die Abluftführung durch den Ringraum zwischen Mittel- (2) und Innenrohr (3) gebildet ist.

7. Gestänge nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal für die Druckluftzufuhr durch den Innenraum (46) des Innenrohrs (3) gebildet ist.

8. Verbindung für Bohrgestänge gemäß den An­ sprüchen 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Außenrohr (1) als übliches Drehbohr­ spülgestänge mit einem Innengewinde im Muffen- (4) und Zapfenteil (5) ausgebildet ist und daß Innen- (3) und Mittelrohr (2) an ihren jeweiligen Enden demontierbar über schraubbare Einsatzstücke (12, 18; 23, 26) zueinander und zum Außenrohr (1) konzentrisch gehalten sind.

9. Verbindung für Bohrgestänge nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Muffenteil (4) und im Zapfenteil (3) jeweils ein äußeres Einsatzstück (12; 23) zur Halterung des Mittelrohrs (2) einschraubbar ist und daß ein inneresEinsatzstück (18; 26) zur Halterung des Innenrohrs (3) jeweils in ein Innengewinde (17; 28) des äußeren Einsatzstücks (12; 23) einschraubbar ist.

10. Verbindung für Bohrgestänge nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere bzw. innere Einsatzstück (12 bzw. 18; 23 bzw. 26) jeweils eine Ein­ drehung (15 bzw. 20; 29 bzw. 30) zur Aufnahme des Mittel- (2) bzw. Innenrohrs (3) und im Gewindebereich über dem Gewindeumfang verteilte axiale Nuten (14 bzw. 21; 25 bzw. 27) aufweist, welche im Falle des äußeren Einsatzstücks (12; 23) den Ringraum zwischen Außen- (1) und Mittelrohr (2), im Falle des inneren Einsatzstücks (18; 26) den Ringraum zwischen Mittel- (2) und Innenrohr (3) im Verbindungsbereich überbrücken.

11. Verbindung für Bohrgestänge nach Anspruch 9 oder 10 dadurch gekennzeichnet, daß im Verbindungsbereich die äußeren Einsatzstücke (12; 23) einerseits und die inneren Einsatzstücke (18; 26) andererseits, jeweils von Muffen- (4) und Zapfenteil (5), in axialer Richtung ineinandergreifen und gegeneinander abgedichtet sind.

12. Verbindung für Bohrgestänge nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrenden von Mittel- (2) bzw. Innen­ rohr (3) jeweils gegenüber der Eindrehung des äußeren bzw. inneren Einsatzstücks, in welchem sie aufgenommen sind, ringförmig abgedichtet sind.

13. Verbindung für Bohrgestänge nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Verbindungsbereich die Nuten der äußeren Einsatzstücke (12; 23) einerseits und der inneren Einsatzstücke (18; 26) andererseits in den radialen Abmessungen übereinstimmen und in axialer Richtung über einen Ringspalt (42; 37) zwischen den Gestängeenden miteinander verbunden sind.

14. Verbindung für Bohrgestänge nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden inneren Einsatzstücke (18; 26) im Innendurchmesser mit dem Innenrohr (3) übereinstimmen.