DE4038424C1 - Kelly borehole drilling arrangement - involves telescopically nested pipes connected to drill head - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kellystangen-Bohrvorrich­ tung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ange­ gebenen Art.

Es ist bekannt, für Erdbohrungen Kellystangen-Bohr­ vorrichtungen einzusetzen, die mehrere teleskopisch ineinandergeschobene Rohre aufweisen, welche als Kelly­ stangen bezeichnet werden. Im Unterschied zu denjenigen Bohrverfahren, bei denen Rohre mit im wesentlichen gleichen Durchmesser miteinander verschraubt werden und bei denen es erforderlich ist, jeweils ein Rohr hinter das andere zu setzen, ermöglichen Kellystangen das Bohren in der Weise, daß die einzelnen Rohre (Kelly­ stangen) nacheinander teleskopisch ausgefahren werden, so daß es nicht erforderlich ist, eine neue Bohrstange an dem Bohrstrang zu montieren, wenn der Bohrvorschub um die Länge einer Bohrstange fortgeschritten ist. Eine Kellystangen-Bohrvorrichtung nach dem Stand der Technik ist bekannt aus DE 87 14 200 U1 Die bekannten Kelly­ stangen-Bohrvorrichtungen haben einen drehangetriebenen Bohrkopf, durch den die äußere Kellystange hindurch­ geht. Diese Kellystange hat längslaufende Mitnehmer­ leisten, die mit Stütznocken an der Innenseite des drehenden Zahnkranzes des Bohrkopfes in Eingriff sind, so daß die äußere Kellystange von dem Zahnkranz drehend angetrieben wird, sich jedoch in Längsrichtung ver­ schieben kann. Die nächst-innere Kellystange weist ebenfalls Mitnehmerleisten auf. Diese stehen mit Stütz­ nocken, die an der Innenseite der äußeren Kellystange angebracht sind, in Eingriff, so daß die innere Kelly­ stange von der äußeren Kellystange drehend angetrieben wird, sich jedoch gegenüber dieser in Langsrichtung ebenfalls verschieben kann.

Bei den bekannten Kellystangen-Bohrvorrichtungen ver­ laufen sämtliche Kellystangen durch den Durchgangs­ kanal, der durch den Zahnkranz des Bohrkopfes hindurch­ geht. Der Durchgangskanal muß also einen Durchmesser haben, der etwa dem Außendurchmesser der äußeren Kelly­ stange entspricht. Aus praktischen Gründen werden normalerweise nicht mehr als drei Kellystangen ineinan­ der angeordnet. Bei noch mehr Kellystangen würde der Durchmesser des Bohrkopfes, durch den sämtliche Kelly­ stangen durchgehen, zu groß werden. Die maximale Bohr­ tiefe beträgt etwa das Dreifache der Länge einer einzi­ gen Kellystange. Es gibt Anwendungen, bei denen die Längen der Kellystangen begrenzt sind, beispielsweise wenn vertikale Bohrungen im Boden einer Halle von begrenzter Dachhöhe durchgeführt werden müssen. Beträgt die verfügbare Höhe beispielsweise 7,5 m, kann kann mit einer Kellystangen-Bohrvorrichtung bekannter Art nur bis zu einer Bohrtiefe von etwa 16 m gebohrt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kelly­ stangen-Bohrvorrichtung zu schaffen, die es ermöglicht, mit einem Bohrkopf relativ kleinen Durchmessers Bohr­ löcher großer Tiefe in einem Zuge, also ohne zusätz­ liche Rohrmontage, zu bohren.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Bei der erfindungsgemäßen Kellystangen-Bohrvorrichtung verläuft die äußere Kellystange nicht durch den Bohr­ kopf hindurch, sondern sie ist an dem üblicherweise am Bohrkopf vorhandenen Übergangsstück angebracht, das sich zusammen mit dem Zahnkranz dreht. Die äußere Kellystange befindet sich ausschließlich unterhalb des Bohrkopfes, denn sie ragt nicht durch den Durchgangs­ kanal des Bohrkopfes hindurch. Die Erfindung nutzt den Umstand aus, daß die bekannten Bohrköpfe normalerweise nicht nur im Inneren einen angetriebenen Zahnkranz aufweisen, sondern am unteren Ende auch ein mitdrehen­ des Übergangsstück. Das Übergangsstück hat Befesti­ gungseinrichtungen, an denen beim Bohren mit hinter­ einandergesetzten Rohren ein Adapter befestigt werden kann, der mit dem rückwärtigen Rohr verbunden ist. Dieses Übergangsstück wird bisher beim Bohren mit Kellystangen nicht benutzt. Erfindungsgemäß wird das Übergangsstück mit der äußeren Kellystange verbunden, so daß die äußere Kellystange nicht durch den Bohrkopf hindurchgeführt werden muß. Dadurch ist es möglich, eine Teleskopanordnung von Kellystangen zu verwenden, bei der mindestens eine (die äußerste) Kellystange nicht durch den Bohrkopf hindurchragt. Der Durchmesser der Kellystangeneinrichtung kann somit größer gemacht werden als der Durchmesser des Durchgangskanals des Bohrkopfes. Es ist somit möglich, relativ kleinforma­ tige Bohrköpfe zu verwenden. Ferner besteht die Mög­ lichkeit, die Bohrung relativ nahe an Hindernissen, wie beispielsweise Wänden, niederzubringen. Der Bohrabstand vom Hindernis wird durch den Durchmesser des Bohrkopfes bestimmt.

Die Erfindung ermöglicht es sogar, sämtliche inneren Bohrstangen ausschließlich unterhalb des Bohrkopfes anzuordnen, so daß keine der Kellystangen durch den Bohrkopf hindurchgeht. Der Durchgangskanal des Bohr­ kopfes braucht nur so groß zu sein, daß die mit der innersten Kellystange verbundene Aufhängevorrichtung hindurchpaßt. Damit kann der drehend angetriebene Zahnkranz und der gesamte Bohrkopf mit extrem kleiner Breite ausgeführt werden.

Andererseits ist es auch möglich, eine oder einige Kellystangen durch den Bohrkopf hindurchragen zu lassen, während mindestens eine Kellystange am unteren Ende des Bohrkopfes endet. Beispielsweise können, wie üblich, drei ineinanderliegende Kellystangen durch den Bohrkopf hindurchgeführt sein und eine oder zwei weitere Kellystangen können ausschließlich unterhalb des Bohrkopfes angebracht sein und Durchmesser haben, die größer sind als der Durchmesser des Durchgangs­ kanals. Hierbei kann die Antriebskraft von dem Bohrkopf doppelt auf die Kellystangenvorrichtung übertragen werden, nämlich einmal über den Zahnkranz auf die äußerste der durch den Bohrkopf hindurchgehenden Kelly­ stangen, und zum anderen durch das Übergangsstück auf die äußerste Bohrstange der gesamten Kellystangenvor­ richtung.

Eine andere Lösung der Aufgabe ist dadurch gekennzeich­ net, daß eine der inneren Kellystangen durch den Durch­ gangskanal des Bohrkopfes hindurch verläuft und mit ihren äußeren Mitnehmerleisten in Eingriff mit Dreh­ mitnehmern des Durchgangskanals steht und daß die äußere Kellystange sich nur unterhalb des Bohrkopfes erstreckt und von der nächst-inneren Kellystange drehend angetrieben ist. Hierbei erfolgt in der teles­ kopischen Kellystangenvorrichtung der Drehantrieb von einer der inneren Kellystangen zur äußersten Kelly­ stange hin. In der inneren Kellystange können noch weitere Kellystangen angeordnet sein, so daß von dieser Kellystange aus der Antrieb sowohl zu inneren als auch zu äußeren Kellystangen hin erfolgen kann. Die äußere Kellystange muß hierbei die Stützleisten an ihrer Innenseite aufweisen.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeich­ nungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Bohrgerät mit einer Kellystangen-Bohrvor­ richtung,

Fig. 2 eine geringfügig modifizierte Ausführungsform des Bohrgerätes mit der um mindestens eine äußere Kellystange ergänzten Kellystangen-Bohr­ vorrichtung,

Fig. 3 in vergrößertem Maßstab einen Längsschnitt durch die Kellystangen-Bohrvorrichtung und

Fig. 4 einen Querschnitt entlang der Linie IV-IV von Fig. 3.

Das in Fig. 1 dargestellte Bohrgerät weist ein Fahrzeug 10 auf, das einen Ausleger 11 aufweist, an dem ein Bohrmast 12 angebracht ist. Der Bohrmast 12 kann verti­ kal aufgerichtet werden und er bildet eine Führungs­ schiene für einen Schlitten 13 der Kellystangeneinrich­ tung 14. Am Schlitten 13 greift eine Antriebsvorrich­ tung 15 an, die diesen Schlitten zur Erzeugung des Bohrvortriebs und der Andruckkraft längs des Bohrmastes 12 vorschieben kann.

Am Fahrzeug 10 ist eine Winde 16 angebracht, um mit einem Seilzug 17 die Aufhängevorrichtung 18, an der die Kellystangen aufgehängt sind, parallel zum Bohrmast 12 zu bewegen.

Der Schlitten 13 trägt einen Bohrkopf 19 mit einem am Schlitten befestigten Gehäuse, einem Drehantrieb und einem Zahnkranz, der einen Durchgangskanal für die in Fig. 1 sichtbare Kellystange 20 aufweist. Das Gehäuse 21 des Bohrkopfes 19 ist drehfest mit dem Schlitten 13 verbunden. Aus dem unteren Ende des Gehäuses 21 ragt ein rohrförmiges Übergangsstück 22 heraus, das mit dem Zahnkranz verbunden ist und sich zusammen mit diesem dreht. Das Übergangsstück 22 weist einen Flansch 23 mit Durchbrechungen auf, die von Laschen 24 begrenzt sind.

Die Kellystangenanordnung ist an der Aufhängevorrich­ tung mit einem Federkranz 25 zur Stoßdämpfung aufge­ hängt. Die Aufhängevorrichtung 18 greift nur an der in Fig. 1 nicht sichtbaren innersten Kellystange an. Nahe dem unteren Ende dieser innersten Kellystange ist ein Stützteller 26 angebracht, der seitlich absteht und auf dem die übrigen Kellystangen abgestützt sind. Der Stützteller 26 ist seinerseits zur Stoßdämpfung über eine Feder 27 an einem Flansch 28 der innersten Kelly­ stange abgestützt. Mit der innersten Kellystange fest verbunden ist ferner das Bohrwerkzeug 29, bei dem es sich im vorliegenden Fall um eine Bohrschnecke handelt.

Die Kellystange 20, die mit dem Zahnkranz des Bohr­ kopfes 19 in Eingriff steht, hat an ihrer Außenseite längslaufende Mitnehmerleisten 30, die in einzelne Stufen unterschiedlicher Breite aufgeteilt sind, so daß nach oben gerichtete Druckflächen 31 entstehen. Im Inneren des Zahnkranzes, der die Kellystange 20 dreht, sind Drehmitnehmer vorhanden, die an den Seiten der Mitnehmerleisten 30 angreifen und die Kellystange drehen. Wenn der Schlitten 13 abgesenkt wird, stoßen diese Drehmitnehmer gegen eine der Druckflächen 31, so daß die Kraft des Vorschubantriebs 15 über den Bohrkopf 19 und die Druckflächen 31 auf die Kellystange über­ tragen werden kann. Die durch die Druckflächen 31 gebildeten Abstufungen befinden sich nur an einer Längskante der Mitnehmerleiste 30, während die andere Längskante geradlinig verläuft. Nur bei Drehung im Uhrzeigersinn (von oben betrachtet) ist ein Drehen mit Vorschubkraft möglich.

Die bisher anhand von Fig. 1 beschriebene Kellystangen- Bohrvorrichtung ist bekannt. Erfindungsgemäß ist an dem Übergangsstück 22 nun mindestens eine weitere äußere Kellystange 33 angebracht, die von dem Bohrkopf 19 über das Übergangsstück 22 drehend angetrieben ist und durch die der untere Teil der Kellystange 20 hindurchgeht.

Das Ausführungsbeispiel von Fig. 2 entspricht dem­ jenigen von Fig. 1, wobei lediglich der Vorschubantrieb 15a am unteren Ende des Bohrmastes 12 abgestützt ist.

Wie aus Fig. 3 erkennbar ist, verlaufen in üblicher Weise drei Kellystangen 20, 20a und 20b durch den Bohr­ kopf 19 hindurch. Dabei wird die äußere Kellystange 20 dieser drei Kellystangen drehend angetrieben und sie treibt ihrerseits die nächst-innere Kellystange 20a und diese treibt die innerste Kellystange 20b. Diese Kelly­ stange 20b ist an ihrem oberen Ende an der Aufhänge­ vorrichtung 18 aufgehängt und sie trägt an ihrem unteren Ende das Bohrwerkzeug 29.

Beim Bohren wird die Aufhängevorrichtung 18 abgesenkt, so daß das Bohrwerkzeug 29 zunächst aufgrund des Gewichts der Bohrvorrichtung gegen den Boden drückt. Durch den Drehantrieb werden sämtliche Kellystangen gedreht. Durch den Vorschubantrieb wird ferner auf die Druckflächen 31 der Kellystangen Druck ausgeübt. Mit zunehmendem Bohrfortschritt sinken sämtliche Kelly­ stangen zusammen mit dem Stützteller 26 ab. Am oberen Ende einer jeden Kellystange befinden sich nach außen gerichtete Anschläge 34 und in der Nähe des unteren Endes einer jeden Kellystange befinden sich nach innen gerichtete Anschläge 35. Zunächst stößt der Anschlag 34 der äußeren, durch den Bohrkopf 19 hindurchgehenden Bohrstange 20 gegen einen Anschlag am Bohrkopf 19, so daß diese Bohrstange am weiteren Bohrvorschub nicht mehr teilnimmt. Die inneren Bohrstangen 20a und 20b sinken auf dem Stützteller 26 weiter ab. Es bleibt also jeweils das äußere Rohr stehen, und die inneren Rohre sinken weiter, bis die gesamte Kellystangen-Bohrvor­ richtung teleskopisch ausgezogen ist. Die Auszugsbewe­ gung wird jeweils dadurch begrenzt, daß der obere äußere Anschlag 34 einer Kellystange gegen den unteren inneren Anschlag 35 der nächst-äußeren Kellystange stößt.

Wie weiterhin aus Fig. 3 hervorgeht, sind außer den durch den Bohrkopf 19 hindurchgehenden Kellystangen 20, 20a und 20b die diese Kellystangen umgebenden weite­ ren Keliystangen 33 und 33a vorgesehen, die sich jedoch ausschließlich unter dem Bohrkopf 19 erstrecken. Die äußerste Kellystange 33 ist am oberen Ende mit einer seitlich abstehenden Konsole 36a versehen, von der Laschen 36 abstehen, von denen jede durch einen Schlitz des Flansches 23 des Übergangsstücks 22 hindurchragt und zwischen zwei Laschen 24 dieses Übergangsstücks ragt. Durch miteinander fluchtende Bohrungen der Laschen 24 und der Laschen 36 sind Bolzen 37 gesteckt, um die äußerste Kellystange 33 fest mit dem Übergangs­ stück 22 zu verbinden. Daher wird die äußerste Kelly­ stange 33 von dem Übergangsstück 22 drehend ange­ trieben.

Die nächst-innere Kellystange 33a steht über äußere Mitnehmerleisten mit inneren Drehmitnehmern der äußersten Kellystange 33 in Eingriff, so daß sie von der äußersten Kellystange angetrieben wird. Auch die Kellystange 33a ruht mit ihrem unteren Ende auf dem Stützteller 26. Das untere Ende der äußersten Kelly­ stange 33 bildet einen Anschlag zur Begrenzung der Aufwärtsbewegung des Stütztellers 26.

Fig. 4 zeigt den im Inneren des Gehäuses 21 des Bohr­ kopfes 19 angetriebenen Drehkranz 39 sowie die durch den Bohrkopf hindurchgehenden Kellystangen 20, 20a und 20b. Jede dieser Kellystangen weist nach außen ab­ stehende abgestufte Mitnehmerleisten mit Druckflächen 31 auf, wie sie in Fig. 1 dargestellt sind. Die nächst-äußere Kellystange weist jeweils an ihrer Innenseite nach innen gerichtete Drehmitnehmer 40 in Form von Stütznocken auf, die mit den Stützleisten 30 der nächst-inneren Kellystange zusammengreifen und dabei von oben her gegen die Druckflächen 31 drücken. Die Antriebsdrehrichtung beim Bohren ist durch den Pfeil 41 gekennzeichnet. Wenn die Länge eines Stufen­ abschnitts einer Stützleiste gebohrt worden ist, wird der Antrieb auf Gegendrehung eingestellt (reversiert) und anschließend wieder in Vorwärtsrichtung betrieben, bis der betreffende Drehmitnehmer 40 an der nächst­ folgenden Druckfläche 31 angreift.

In Fig. 4 ist ferner der Durchgangskanal 42 des Zahn­ kranzes 39 des Bohrkopfes 19 erkennbar, durch den bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Kellystangen 20, 20a und 20b hindurchgehen.

In Fig. 3 ist ferner eine Rohrführung 43 dargestellt, die mit einem Halter 44 am unteren Ende des Bohrmastes 12 geführt ist und die das gesamte Rohrbündel um­ schließt. Diese Rohrführung kann für die Rohrmontage geöffnet und zur Seite geklappt werden. Sie wird zusammen mit dem Schlitten 13 vertikal bewegt.

Claims (7)

1. Kellystangen-Bohrvorrichtung mit einem drehange­ triebenen Bohrkopf (19), der einen Durchgangskanal (42) und am unteren Ende ein mitdrehendes Über­ gangsstück (22) aufweist, und einer drehfest mit dem Bohrkopf (19) gekoppelten Kellystangeneinrich­ tung (14) aus relativ zueinander teleskopisch verschiebbaren Kellystangen, die miteinander über Mitnehmerleisten (30) und Drehmitnehmer (40) zusammengreifen, dadurch gekennzeichnet, daß die äußerste Kellystange (33) sich nur unter­ halb des Bohrkopfes (19) erstreckt und in dreh­ festem Eingriff mit dem Übergangsstück (22) steht.

2. Kellystangen-Bohrvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche in der äußeren Kellystange verlaufenden inneren Kelly­ stangen von der äußeren Kellystange angetrieben sind.

3. Kellystangen-Bohrvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine (20) der inneren Kellystangen durch den Durchgangskanal (42) des Bohrkopfes (19) hindurch verläuft und mit ihren äußeren Mitnehmerleisten (30) in Eingriff mit Drehmitnehmern (40) des Durchgangskanals (42) steht.

4. Kellystangen-Bohrvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die äußerste Kellystange (33) am oberen Ende min­ destens eine seitlich abstehende Konsole (36a) aufweist, von der Laschen (36) aufragen, welche mit dem Übergangsstück (22) lösbar verbunden sind.

5. Kellystangen-Bohrvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrkopf (19) an einem an einem Bohrmast (12) geführten antreibbaren Schlitten (13) montiert ist.

6. Kellystangen-Bohrvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchgangskanal (42) frei von Drehmitnehmern ist.

7. Kellystangen-Bohrvorrichtung mit einem drehange­ triebenen Bohrkopf (19), der einen Durchgangskanal (42) und am unteren Ende ein mitdrehendes Über­ gangsstück (22) aufweist, und einer drehfest mit dem Bohrkopf (19) gekoppelten Kellystangeneinrich­ tung (14) aus relativ zueinander teleskopisch verschiebbaren Kellystangen, die miteinander über Mitnehmerleisten (30) und Drehmitnehmer (40) zusammengreifen, dadurch gekennzeichnet, daß eine der inneren Kellystangen durch den Durchgangskanal des Bohrkopfes hindurch verläuft und mit ihren äußeren Mitnehmerleisten in Eingriff mit Drehmit­ nehmern des Durchgangskanals steht und daß die äußerste Kellystange sich nur unterhalb des Bohr­ kopfes erstreckt und von der nächst-inneren Kelly­ stange drehend angetrieben ist.