DE3729138A1 - Verfahren und bohranlage zum herstellen untertaegiger querbohrungen, insbesondere horizontaler kernbohrungen zum gewinnen von bodenproben, von uebertage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen unter­ tägiger Querbohrungen, von übertage, wonach zunächst eine vertikale Vollbohrung bis in vorgegebene Bohrtiefe niederge­ bracht und dann unter Ablenkung des Vollbohrstranges in vor­ gegebene Bohrrichtung eine richtungsorientierte Ablenkungs­ bohrung vorgenommen wird. - Unter Querbohrungen sind im Rahmen der Erfindung Bohrungen mit beliebiger Neigung zu ver­ stehen.

Zum Niederbringen von Vollbohrungen kennt man den Einsatz eines rotativ angetriebenen Vollbohrgestänges mit Vollbohr­ kopf. Durch die hohlen Bohrstangen wird während des Bohrens mittels Pumpe eine Spültrübe herabgedrückt, die im Raum zwischen Vollbohrgestänge und Bohrlochwandung wieder hoch­ steigt und im Kreislauf gehalten wird. Diese Umlauftrübe tritt am Vollbohrkopf aus, kühlt den heißlaufenden Vollbohr­ kopf und transportiert das Bohrklein an die Erdoberfläche. In diesem Zusammenhang sind richtungsorientierte Vollbohrun­ gen bekannt, wonach sich an eine vertikale Vollbohrung über eine Ablenkungsbohrung eine horizontale Vollbohrung an­ schließt. Problematisch bei derartigen richtungsorientierten Vollbohrungen ist die Tatsache, daß sich das Vollbohrgestänge über die gesamte Stranglänge dreht, folglich vom Rotations­ antrieb nicht nur besonders hohe Drehmomente aufgebracht wer­ den müssen, sondern das Vollbohrgestänge darüber hinaus einem extrem hohen Verschleiß unterliegt. Das ist insbesondere dann nachteilig, wenn die Entnahme von Gesteins- bzw. Bodenproben beabsichtigt ist, um Aufschluß über zu durchteufende Forma­ tionen zu erhalten.

Eine andere Art des rotativen Bohrens zur Gewinnung von Bohr­ proben ist das Kernbohren. Beim Kernbohren finden z. B. eine Bohrturbine und ein Kernrohr zur Gewinnung von Bohrkernen Verwendung. In diesem Fall erfolgt die Umlaufspülung über das hohle Kernbohrgestänge, die Bohrturbine und das Kernrohr. Vorteilhaft bei diesem drehenden Bohrverfahren ist die Tat­ sache, daß die hydraulisch angetriebene Bohrturbine den sonst langen Weg der Bewegungsübertragung über das Bohrgestänge erspart und daher einerseits sehr viel geringere Drehmomente aufgebracht werden müssen, andererseits der Verschleiß erheb­ lich reduziert wird. Soweit untertägige horizontale Kernboh­ rungen zur Untersuchung von Gebirgsformationen verlangt wer­ den, sind untertägige Sonderauffahrungen, Energiegestellung, Entsorgung und Wasserhaltung, Logistik usw. in Grubenbetrie­ ben erforderlich. Das ist mit erheblichem Aufwand verbunden.

Außerdem ist es bekannt, Bohrungen mit Bohrturbinen oder Vor­ ortantrieben herzustellen, bei denen sich das Bohrgestänge nicht oder nur wenig dreht. In solchen Fällen muß jedoch stets das gesamte Bohrgestänge gezogen werden, wenn ein Bohr­ kern aus dem Kernrohr zu entfernen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzu­ geben, wonach sich untertägige Querbohrungen und insbesondere horizontale Kernbohrungen zum Gewinnen von Bodenproben, mit einer übertätigen Bohranlage rationell und wirtschaftlich herstellen lassen.

Diese Aufgabe löst die Erfindung bei einem gattungsgemäßen Verfahren dadurch, daß mit dem angelenkten Vollbohrstrang eine Startbohrung vorgegebener Länge hergestellt wird, daß dann der Vollbohrstrang gezogen und der Vollbohrkopf entfernt wird, daß dann der Vollbohrstrang unter Freilassung der Startbohrung niedergebracht wird, daß dann unter Bildung eines Kernbohrstranges eine Bohrturbine mit Kernrohr und Ver­ bindungsstange durch den Vollbohrstrang in die Startbohrung gefördert und an das freie Ende des Vollbohrstranges ange­ schlossen wird, daß dann eine erste Kernbohrung über eine vorgegebene Kernmarschlänge vorgenommen und der dazu erfor­ derliche Bohrdruck und Vorschub durch eine rotationsfreie Vortriebsbewegung des Vollbohrstranges erzeugt wird, daß nach Fertigstellen der ersten Kernbohrung der Vollbohrstrang um die Kernmarschlänge gezogen und der Kernbohrstrang gelöst sowie zutage gezogen wird, daß dann eine der Kernmarschlänge entsprechende Bohrstange in den Kernbohrstrang nachgesetzt und der verlängerte Kernbohrstrang durch den Vollbohrstrang in die Startbohrung gefördert und an das freie Ende des Voll­ bohrstranges angeschlossen wird, daß dann die nächste bzw. zweite Kernbohrung vorgenommen wird und so fort. - Nach Lehre der Erfindung wird der Vollbohrstrang lediglich so lange rotativ angetrieben, bis die vertikale Vollbohrung, die sich anschließende Ablenkungsbohrung und die Startbohrung für die horizontale Kernbohrung hergestellt worden sind. Anschließend wird aus dem Vollbohrstrang ein gleichsam passiver Bohrstrang, der lediglich die Aufgabe hat, den Bohrdruck und Vorschub für den über diesen passiven Vollbohrstrang niedergebrachten Kernbohrstrang zu erzeugen. Dagegen erfüllt der Kernbohr­ strang mit der hydraulisch angetriebenen Bohrturbine und dem Kernrohr gleichsam die Funktion eines aktiven Bohrstranges. Diese Unterteilung des gesamten Bohrstranges in einen passi­ ven Vollbohrstrang und einen aktiven Kernbohrstrang führt zu einer extremen Verschleißreduzierung und Minimierung der auf­ zubringenden Drehmomente bzw. Antriebsleistung. Hinzu kommt, daß zum Entfernen eines Bohrkerns aus dem Kernrohr nicht länger das gesamte Bohrgestänge gezogen werden muß, sondern vielmehr der Vollbohrstrang in der Vollbohrung verbleiben kann und lediglich der Kernbohrstrang zutage gezogen oder gepumpt werden muß. - Die Bohrspülung wird durch den passiven Vollbohrstrang über die Verbindung Vollbohrstrang/Kernbohr­ strang durch die Bohrturbine zum Kernrohr gepumpt. Das Rück­ stellmoment der Bohrturbine gewährleistet das sichere Ein­ rasten des aktiven Kernbohrstranges bzw. seines Verbindungs­ rohres in eine kupplungsartige Verbindungskonstruktion am Ende des aktiven Vollbohrstranges. Zu diesem Zweck oder für andere Nebenarbeiten kann auch eine leichte Rotation des Vollbohrstranges erforderlich sein. - Mit dem erfindungsge­ mäßen Bohrverfahren lassen sich untertägige horizontale Kern­ bohrungen oder Querbohrungen unterschiedlicher Neigung mit einer übertägigen Bohranlage in rationeller und wirtschaft­ licher Weise herstellen. So sind beispielsweise Bohrungen im unverritzten Gebirge möglich, lassen sich mehrere Bohrungen von einem Standpunkt aus in verschiedene Richtungen vorneh­ men. Ferner ist das Anbohren verschiedener Horizonte von einem Standpunkt möglich. Untertägige Sonderauffahrungen, Energiegestellung, Entsorgung und Wasserhaltung, Logistik oder dergleichen erübrigen sich ebenso wie der sonst erforder­ liche Einsatz von schlagwettergeschützten Antriebs- und Meß­ geräten in Untertagebetrieben. Hinzu kommt, daß sonst übliche untertagebezogene Personalkosten entfallen.

Weitere erfindungsgemäße Merkmale der Erfindung sind im fol­ genden aufgeführt. So kann der aktive Kernbohrstrang jeweils durch den gesamten passiven Vollbohrstrang eingepumpt werden. Das Ankuppeln des aktiven Kernbohrstranges an den passiven Vollbohrstrang erfolgt in bekannter Weise, z. B. unter Zwischenschaltung einer Gestängekupplung mit radial aufspreiz­ baren Kupplungselementen, welche in entsprechende Kupplungs­ ausnehmungen am Ende des Vollbohrstranges eingreifen. Vor­ zugsweise wird der aktive Kernbohrstrang mittels einer an einem Seil eingefahrenen oder eingepumpten Fangvorrichtung aus seiner Verbindung mit dem passiven Vollbohrstrang gelöst und gezogen oder gepumpt, um jeweils eine der Kernmarschlänge entsprechende Bohrstange an dem Kernbohrstrang anzuschießen. Auf diese Weise lassen sich Kernbohrungen mit einer Länge von einigen hundert Metern herstellen. - Während die Sicherheit des Bohrloches der Kernbohrung durch den natürlich vorhandenen hydrostatischen Druck der Bohrspülung bzw. Spültrübe gewähr­ leistet ist, wird zumindest in die vertikale Vollbohrung zweckmäßigerweise eine Futterrohrtour eingebracht. Nach Er­ reichen der maximalen Bohrlänge des aktiven Kernbohrstranges kann der passive Vollbohrstrang mittels einer Erweiterungs­ bohrkrone nachgesetzt werden, in diesem Fall kann die Vollboh­ rung durch Nachfahren einer Schutzrohrtour gesichert werden. - Im ganzen ist die Sicherheit des Bohrloches mit tiefbohrtech­ nischen Möglichkeiten und maximaler Flexibilität ständig gewährleistet.

Eine Bohranlage, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders geeignet ist und ein Vollbohrgestänge aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, daß an das Vollbohr­ gestänge unter Zwischenschaltung einer Gestängekupplung und sukzessivem Nachsetzen von einer vorgegebenen Kernmarschlänge entsprechenden Bohrstangen ein Kernbohrgestänge mit Bohr­ turbine und Kernrohr anschließbar ist, wobei das Kernrohr über die Bohrturbine rotativ angetrieben und über das rota­ tionsfreie Vollbohrgestänge der Bohrdruck und Vorschub für das Kernbohrgestänge erzeugt werden. Für das Kernbohrgestänge können Bohrstangen von sehr viel geringerem Durchmesser als für das Vollbohrgestänge eingesetzt werden, ferner - wegen fehlender Torsionsbeanspruchungen - mit sehr viel geringeren Festigkeits- und Qualitätseigenschaften. Auch dadurch wird eine erhebliche Kostenersparnis erzielt. Hinzu kommt, daß die zu ungestörten Azimutmessungen erforderlichen antimagneti­ schen Bohrstangen im Kernbohrstrang durch die hier geringere mechanische Beanspruchung entsprechend kleiner dimensioniert und damit erheblich kostengünstiger als sonst üblich sind.

Wenn die maximale Länge des voreilenden aktiven Kernbohr­ stranges erreicht ist, wird der passive Vollbohrstrang mittels der Bohranlage nachgesetzt. Die dafür notwendige Erweiterungs­ krone befindet sich ständig im vorderen Teil der Verbindungs­ konstruktion Vollbohrstrang/Kernbohrstrang.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Bohranlage mit einem aus der Vertikalen in die Horizontale abgelenkten Vollbohr­ strang und sich daran anschließenden Kernbohrstrang und

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt A aus dem Gegenstand nach Fig. 1.

In den Figuren ist eine übertägige Bohranlage 1 zum Herstel­ len von horizontalen Kernbohrungen 2 zur Gewinnung von Bohr­ proben von übertage dargestellt. Diese Bohranlage 1 weist ein Vollbohrgestänge 3 auf, welches dazu dient, zunächst eine vertikale Vollbohrung bis in vorgegebene Bohrtiefe niederzu­ bringen, dann unter Ablenkung des Vollbohrstranges in vor­ gebenene Bohrrichtung eine richtungsorientierte Ablenkungs­ bohrung 4 durchzuführen und anschließend eine horizontale Startbohrung 5 vorgegebener Länge vorzunehmen. An das Voll­ bohrgestänge 3 ist unter Zwischenschaltung einer Gestänge­ kupplung 6 und sukzessivem Nachsetzen von einer vorgegebenen Kernmarschlänge von z. B. sechs Metern entsprechende Bohr­ stangen 7 ein Kernbohrgestänge mit Verbindungsstange 8, Bohr­ turbine 9 und Kernrohr 10 anschließbar. Das Kernrohr 10 wird über die Bohrturbine 9 rotativ angetrieben. Der Bohrdruck und der Vorschub für das Kernbohrgestänge 8-10 wird von dem nunmehr rotationsfreien Vollbohrgestänge 3 erzeugt. Die Bohr­ turbine 9 mit dem Kernrohr 10 unter der Verbindungsstange 8 werden durch den Vollbohrstrang in die Startbohrung 5 geför­ dert und an das freie Ende des nunmehr passiven Vollbohr­ gestänges 3 angeschlossen. Dann wird eine Kernbohrung über eine Kernmarschlänge von eben sechs Metern vorgenommen. Nach Fertigstellen dieser ersten Kernbohrung wird das Vollbohr­ gestänge 3 um die Kernmarschlänge gezogen und das Kernbohr­ gestänge 8-10 gelöst sowie zutage gezogen. Dann wird eine der Kernmarschlänge entsprechende Bohrstange 7 an das Kern­ bohrgestänge 8-10 angeschlossen und der verlängerte Kern­ bohrstrang durch den passiven Vollbohrstrang erneut in die Startbohrung 5 gefördert und endseitig an das Vollbohrge­ stänge 3 angeschlossen, sodann kann die nächste Kernbohrung vorgenommen werden und so fort.

Claims (8)

1. Verfahren zum Herstellen untertägiger Querbohrungen, ins­ besondere horizontaler Kernbohrungen zum Gewinnen von Boden­ proben, von übertage, wonach zunächst eine vertikale Voll­ bohrung bis in vorgegebene Bohrtiefe niedergebracht und dann unter Ablenkung des Vollbohrstranges in vorgegebene Bohrrich­ tung eine richtungsorientierte Ablenkungsbohrung vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem abgelenkten Vollbohrstrang eine Startbohrung vorgegebener Länge hergestellt wird, daß dann der Vollbohrstrang gezogen und der Vollbohrkopf entfernt wird, daß dann der Vollbohr­ strang unter Freilassung der Startbohrung niedergebracht wird, daß dann unter Bildung eines aktiven Kernbohrstranges eine Bohrturbine mit Kernrohr und Verbindungsstange durch den Vollbohrstrang in die Startbohrung gefördert und an das freie Ende des nunmehr passiven Vollbohrstranges angeschlossen wird, daß dann eine Kernbohrung über eine vorgegebene Kernmarsch­ länge vorgenommen und der dazu erforderliche Bohrdruck und Vorschub durch eine rotationsfreie Vortriebsbewegung des passiven Vollbohrstranges erzeugt wird, daß nach Fertigstel­ len der Kernbohrung der passive Vollbohrstrang um die Kern­ marschlänge gezogen und der aktive Kernbohrstrang gelöst sowie zutage gezogen wird, daß dann eine der Kernmarschlänge entsprechende Bohrstange in den aktiven Kernbohrstrang nach­ gesetzt und der verlängerte Kernbohrstrang durch den passiven Vollbohrstrang wieder in die Startbohrung gefördert und an das freie Ende des passiven Vollbohrstranges angeschlossen wird, und daß dann die nächste Kernbohrung vorgenommen wird und so fort.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aktive Kernbohrstrang jeweils durch den gesamten passiven Vollbohrstrang eingepumpt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Bohrspülung durch den passiven Vollbohrstrang in den aktiven Kernbohrstrang durch die Bohrturbine hindurch zum Kernrohr gepumpt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der aktive Kernbohrstrang mittels einer an einem Seil eingefahrenen oder eingepumptem Fangvorrichtung aus seiner Verbindung mit dem passiven Vollbohrstrang gelöst und gezogen oder gepumpt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zumindest in die vertikale Vollbohrung eine Futterrohrtour eingebaut wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß nach Erreichen der maximalen Bohrlänge des aktiven Kernbohrstranges der passive Vollbohrstrang mittels einer Erweiterungsbohrkrone nachgesetzt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Vollbohrung durch Nachfahren einer Schutz­ rohrtour gesichert wird.

8. Bohranlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem Vollbohrgestänge, dadurch gekennzeichnet, daß an das Vollbohrgestänge (3) unter Zwischenschaltung einer Gestängekupplung (6) und suk­ zessivem Nachsetzen von einer vorgegebenen Kernmarschlänge entsprechenden Bohrstangen (7) ein Kernbohrgestänge mit Bohr­ turbine (9) und Kernrohr (10) anschließbar ist, wobei das Kernrohr (10) über die Bohrturbine (9) rotativ angetrieben und über das rotationsfreie Vollbohrgestänge (3) der Bohr­ druck und Vorschub erzeugt wird.