DE3729138C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen untertägiger horizontaler Kernbohrungen zum Gewinnen von Bodenproben, von übertage, wonach zunächst eine vertikale Vollbohrung bis in vorgegebene Bohrtiefe niedergebracht und dann unter Ablenkung des Vollbohrstranges in vorgegebene Bohrrichtung eine richtungsorientierte Ablenkungsbohrung vorgenommen wird. - Unter Querbohrungen sind im Rahmen der Erfindung Bohrungen mit beliebiger Neigung zu verstehen.

Zum Niederbringen von Vollbohrungen kennt man den Einsatz eines rotativ angetriebenen Vollbohrgestänges mit Vollbohrkopf. Durch die hohlen Bohrstangen wird während des Bohrens mittels Pumpe eine Spültrübe herabgedrückt, die im Raum zwischen Vollbohrgestänge und Bohrlochwandung wieder hochsteigt und im Kreislauf gehalten wird. Diese Umlauftrübe tritt am Vollbohrkopf aus, kühlt den heiß laufenden Vollbohrkopf und transportiert das Bohrklein an die Erdoberfläche. In diesem Zusammenhang sind richtungsorientierte Vollbohrungen bekannt, wonach sich an eine vertikale Vollbohrung über eine Ablenkungsbohrung eine horizontale Vollbohrung anschließt. Problematisch bei derartigen richtungsorientierten Vollbohrungen ist die Tatsache, daß sich das Vollbohrgestänge über die gesamte Stranglänge dreht, folglich vom Rotationsantrieb nicht nur besonders hohe Drehmomente aufgebracht werden 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 Formationen zu erhalten.

Eine andere Art des rotativen Bohrens zur Gewinnung von Bohrproben 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 Tatsache, 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 erheblich reduziert wird. Soweit untertägige horizontale Kernbohrungen zur Untersuchung von Gebirgsformationen verlangt werden, sind untertägige Sonderauffahrungen, Energiegestellung, Entsorgung und Wasserhaltung, Logistik usw. in Grubenbetrieben erforderlich (DE-PS 31 07 973).

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

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, wonach sich untertägige horizonatale Kernbohrungen zum Gewinnen von Bodenproben, mit einer übertätigen Bohranlage zweckmäßig 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 Verbindungsstange durch den Vollbohrstrang in die Startbohrung gefördert und an das freie Ende des Vollbohrstranges angeschlossen 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 Vollbohrstranges 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 Kernbohrstrang mit der hydraulisch angetriebenen Bohrturbine und dem Kernrohr gleichsam die Funktion eines aktiven Bohrstranges. Diese Unterteilung des gesamten Bohrstranges in einen passiven Vollbohrstrang und einen aktiven Kernbohrstrang führt zu einer extremen Verschleißreduzierung und Minimierung der aufzubringenden 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/ Kernbohrstrang durch die Bohrturbine zum Kernrohr gepumpt. Das Rückstellmoment der Bohrturbine gewährleistet das sichere Ein­ rasten des aktiven Kernbohrstranges bzw. seines Verbindungsrohres 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 erfindungsgemäßen Bohrverfahren lassen sich untertägige horizontale Kernbohrungen oder Querbohrungen unterschiedlicher Neigung mit einer übertägigen Bohranlage in rationeller und wirtschaftlicher Weise herstellen. So sind beispielsweise Bohrungen im unverritzten Gebirge möglich, lassen sich mehrere Bohrungen von einem Standpunkt aus in verschiedene Richtungen vornehmen. 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 erforderliche Einsatz von schlagwettergeschützten Antriebs- und Meßgeräten in Untertagebetrieben.

Weitere erfindungsgemäße Merkmale der Erfindung sind im folgenden 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 aufspreizbaren Kupplungselementen, welche in entsprechende Kupplungsausnehmungen am Ende des Vollbohrstranges eingreifen. Vorzugsweise 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 gewährleistet ist, wird zumindest in die vertikale Vollbohrung zweckmäßigerweise eine Futterrohrtour eingebracht. Nach Erreichen der maximalen Bohrlänge des aktiven Kernbohrstranges kann der passive Vollbohrstrang mittels einer Erweiterungsbohrkrone nachgesetzt werden, in diesem Fall kann die Vollboh­ rung durch Nachfahren einer Schutzrohrtour gesichert werden. - Im ganzen ist die Sicherheit des Bohrloches mit tiefbohrtechnischen 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 Vollbohrgestänge unter Zwischenschaltung einer Gestängekupplung und sukzessivem Nachsetzen von einer vorgegebenen Kernmarschlänge entsprechenden Bohrstangen ein Kernbohrgestänge mit Bohrturbine und Kernrohr anschließbar ist, wobei das Kernrohr über die Bohrturbine rotativ angetrieben und über das rotationsfreie 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. Hinzu kommt, daß die zu ungestörten Azimutmessungen erforderlichen antimagnetischen Bohrstangen im Kernbohrstrang durch die hier geringere mechanische Beanspruchung entsprechend kleiner dimensioniert sind.

Wenn die maximale Länge des voreilenden aktiven Kernbohrstranges erreicht ist, wird der passive Vollbohrstrang mittels der Bohranlage nachgesetzt. Die dafür notwendige Erweiterungskrone befindet sich ständig im vorderen Teil der Verbindungskonstruktion 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 Vollbohrstrang 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 Herstellen von horizontalen Kernbohrungen 2 zur Gewinnung von Bohrproben von übertage dargestellt. Diese Bohranlage 1 weist ein Vollbohrgestänge 3 auf, welches dazu dient, zunächst eine vertikale Vollbohrung bis in vorgegebene Bohrtiefe niederzubringen, dann unter Ablenkung des Vollbohrstranges in vorgebenene Bohrrichtung eine richtungsorientierte Ablenkungsbohrung 4 durchzuführen und anschließend eine horizontale Startbohrung 5 vorgegebener Länge vorzunehmen. An das Voll­ bohrgestänge 3 ist unter Zwischenschaltung einer Gestängekupplung 6 und sukzessivem Nachsetzen von einer vorgegebenen Kernmarschlänge von z. B. sechs Metern entsprechende Bohrstangen 7 ein Kernbohrgestänge mit Verbindungsstange 8, Bohrturbine 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 Bohrturbine 9 mit dem Kernrohr 10 und der Verbindungsstange 8 werden durch den Vollbohrstrang in die Startbohrung 5 gefördert und an das freie Ende des nunmehr passiven Vollbohrgestänges 3 angeschlossen. Dann wird eine Kernbohrung über eine Kernmarschlänge von eben sechs Metern vorgenommen. Nach Fertigstellen dieser ersten Kernbohrung wird das Vollbohrgestänge 3 um die Kernmarschlänge gezogen und das Kernbohrgestänge 8-10 gelöst sowie zutage gezogen. Dann wird eine der Kernmarschlänge entsprechende Bohrstange 7 an das Kernbohrgestänge 8-10 angeschlossen und der verlängerte Kernbohrstrang durch den passiven Vollbohrstrang erneut in die Startbohrung 5 gefördert und endseitig an das Vollbohrgestänge 3 angeschlossen, sodann kann die nächste Kernbohrung vorgenommen werden und so fort.

Claims (8)

1. Verfahren zum Herstellen untertägiger horizontaler Kernbohrungen zum Gewinnen von Bodenproben, von übertage, wonach zunächst eine vertikale Vollbohrung bis in vorgegebene Bohrtiefe niedergebracht und dann unter Ablenkung des Vollbohrstranges in vorgegebene Bohrrichtung 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 Vollbohrstrang 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 Kernmarschlänge vorgenommen und der dazu erforderliche Bohrdruck und Vorschub durch eine rotationsfreie Vortriebsbewegung des passiven Vollbohrstranges erzeugt wird, daß nach Fertigstellen der Kernbohrung der passive Vollbohrstrang um die Kernmarschlänge gezogen und der aktive Kernbohrstrang gelöst sowie zutage gezogen wird, daß dann eine der Kernmarschlänge entsprechende Bohrstange in den aktiven Kernbohrstrang nachgesetzt 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 gekennzeichnet, daß der aktive Kernbohrstrang mittels einer an einem Seil eingefahrenen oder eingepumpten Fangvorrichtung aus seiner Verbindung mit dem passiven Vollbohrstrang gelöst und gezogen oder gepumpt wird.

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

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, 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 Schutzrohrtour 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 sukzessivem Nachsetzen von einer vorgegebenen Kernmarschlänge entsprechenden Bohrstangen (7) ein Kernbohrgestänge mit Bohrturbine (9) und Kernrohr (10) anschließbar ist, wobei das Kernrohr (10) über die Bohrturbine (9) rotativ angetrieben und über das rotationsfreie Vollbohrgestänge (3) der Bohrdruck und Vorschub erzeugt wird.