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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bohren tiefer Löcher bzw.
von Tieflöchern
in den Grund bzw. im Erdboden mittels eines Bohrstrangs, eines Schlagbohrhammers
an dem unteren Ende des Bohrstrangs und einer Schlagbohrkrone mit
einem Durchmesser von zumindest 75 mm, die mit dem Schlagbohrhammer
verbunden ist, wobei Bohrflüssigkeit
bzw. Bohrfluid dem Schlagbohrhammer und der Bohrkrone durch den
Bohrstrang zugeführt
wird und bei einer gegebenen Geschwindigkeit durch einen ringförmigen Raum
zurückgeführt wird, der
zwischen dem Bohrstrang und dem Loch gebildet ist.
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Beim
Bohren von Löchern
mittels eines Schlagbohrhammers ist es üblich, eine Bohrkrone bzw.
eine Bohrspitze zu verwenden, auf deren Stirn- bzw. Vorderfläche Einsätze oder
Einlagen aus hartem Metall vorgesehen sind. Wenn die Bohrspitze
gegen den Boden des Bohrlochs stößt, brechen
die Einlagen Stücke
unterschiedlicher Größe von dem Grundmaterial
los. Einige von diesen können
eine Größe von etwa
10 mm haben, einigermaßen
abhängig
von dem Typ des zu bohrenden Steins. Aufgrund der Dichte und Viskosität des Bohrfluids
werden diese großen
Teilchen von den Schneidungen nichtsdestotrotz entlang durch das
Bohrfluid zu der Oberfläche
durch den ringförmigen
Raum zwischen der Bohrwand und dem Bohrstrang transportiert, wobei die
Strömungsgeschwindigkeit
typischerweise in dem Bereich von 0,4 bis 2 m/s liegen wird. Die
Brocken bzw. Schneidstücke
gelangen nach oben entlang dem Kopf des Bohrers durch Kanäle in der
Seitenoberfläche
des Kopfs. Das Bohrfluid wird üblicherweise
durch zwei oder mehr Öffnungen
in der Stirn- bzw. Frontfläche
des Bohrers zugeführt,
was zumindest teilweise den Fluss radial nach außen zu dem Umfang des Bohrers
richtet, um die Schneidstücke nach
außen
zu den Kanälen
zu spülen.
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Das
Bohrfluid weist üblicherweise
eine Anzahl von Additiven auf, was es sowohl teuer als auch schädlich für die Umgebung
bzw. Umwelt macht. Folglich ist es notwendig, das Bohrfluid zurückzugewinnen,
was einen Reinigungsprozess erfordert, der wiederum eine raumgreifende
und teuere Einrichtung zum Sieben und Zentrifugieren bzw. Schleudern
des Bohrfluids mit sich bringt, bevor es wiederverwendet werden
kann.
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Der
Zweck der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, die Nachteile
und Kosten zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren, die mit der Verwendung
herkömmlicher
Bohrfluids verbunden sind.
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Gemäß der Erfindung
wird dies durch ein Verfahren des Typs erreicht, der zur Einführung eingangs
genannt ist, wobei die kennzeichnenden Merkmale sind, dass Wasser
als Bohrfluid verwendet wird und dass die durch die Bohrkrone lose
geschlagenen Brocken auf eine vorbestimmte maximale Größe zerkleinert
werden, bevor sie entlang dem Bohrer zu dem ringförmigen Raum
zwischen der Wand des Bohrlochs und dem Bohrstrang gelangen dürfen, wobei
die maximale Größe den Brocken
eine niedrigere Sinkgeschwindigkeit in Wasser verleiht als die Wassergeschwindigkeit
in dem ringförmigen
Raum ist.
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Durch
Verwendung von Wasser für
das Bohrfluid benötigt
man keine Wiedergewinnungseinrichtung, da Wasser üblicherweise in
unbegrenzten Mengen und zu sehr geringen Kosten verfügbar ist. Da
das Wasser, das nach oben durch den ringförmigen Raum fließt, allgemeinen
gesprochen, nichts außer
zerkleinertem Stein enthalten wird, was keine Verschmutzungswirkung
auf die Umgebung haben wird, kann es in der Mehrzahl der Fälle ohne
irgendeine Behandlung abgegeben werden.
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Da
jedoch Wasser eine im wesentlichen niedrigere Viskosität und Dichte
als gewöhnliche Bohrfluids
hat, werden die Schneidstücke
eine viel höhere
Sinkgeschwindigkeit in Wasser als in Bohrfluids haben. Dies bedingt,
dass die schwereren Teilchen der Schneidstücke nicht entlang durch das Wasser
in den ringförmigen
Raum transportiert werden, wenn die Fließgeschwindigkeit nicht entsprechend
erhöht
ist. Insbesondere wenn ein Bohren bei höheren Tiefen, bspw. mittels
einer Rohrwendel durchgeführt
wird, werden der Fließwiderstand
in dem Bohrstrang und andere Druckverluste es praktisch unmöglich machen,
eine ausreichende Fließrate
bereitzustellen, um die größten Teilchen
nach oben zu der Oberfläche
zu transportieren. Folglich werden die Schneidstücke sich in dem ringförmigen Raum anhäufen und
ein weiteres Bohren unmöglich
machen.
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Die
Erfindung hat dieses Problem gelöst,
indem diese sicherstellt, dass die Schneidstücke, bevor diese an dem Bohrer
vorbei und nach oben in den ringförmigen Raum geraten können, auf
ein solches Maß zerkleinert
werden, dass keine Teilchen von einer solchen Größe vorliegen, dass der Wasserfluss in
dem ringförmigen
Raum nicht in der Lage ist, diese zu der Oberfläche zu tragen. Die maximale
Teilchengröße wird
entsprechend dem Steintyp, der zu bohren ist, variieren. In Schieferstein
werden die größten Teilchen
im allgemeinen die Form von Platten haben, die auf eine Länge von
maximal 6 mm zerkleinert werden sollten. Wenn der Stein Gneis oder
Granit ist, sind die Teilchen üblicherweise
mehr rund geformt und sollten in solchen Fällen auf eine größte Abmessung
von etwa 4 mm zerkleinert werden.
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Verschiedene
Verfahren können
vorgesehen sein, um das notwendige Zerkleinern der Schneidstücke zu erreichen.
Eine bevorzugte Lösung
gemäß der Erfindung
ist jedoch sehr einfach, kostengünstig und
effizient. Diese besteht aus der Begrenzung des Flussquerschnitts,
insbesondere der Tiefe, der Rückkehrkanäle in der
Seitenoberfläche
des Bohrers. Folglich können
die Schneidstücke
nicht an dem Bohrer vorbei gelangen, bis diese auf ein ausreichendes
Maß verkleinert
wurden. Die maximale Tiefe wird selbstverständlich auch abhängig von
der Form der Schneidteilchen sein, aber für Bohrer oberhalb einer bestimmten
Größe wird
diese üblicherweise
in dem Bereich von 1,5 bis 4 mm liegen.
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Beim
Schlagbohren werden nicht nur Bodenmaterialien lose in Stücke gebrochen.
Es passiert auch, dass Stücke
der Hartmetalleinlagen oder Einsätze
des Bohrers lose geschlagen werden. Die Hartmetallstücke sind
sehr schwer und daher neigen sie dazu, sich an dem Boden des Bohrlochs
zu sammeln. Da die Ausspüllöcher bei
existierenden Bohrern üblicherweise
bei einem radialen Abstand von der zentralen Achse des Bohrers angeordnet
sind und zusätzlich
radial nach außen
gerichtet sind, wird der Ausspülvorgang
zentral im Bohrloch schwach und folglich neigen die Hartmetallstücke dazu,
sich an diesem Punkt zu sammeln und den zentralen Abschnitt des
Bohrers zu zerstören,
so dass die dichtesten Einlagen sich mit der Zeit lösen werden
und der Bohrer aufhören
wird zu bohren.
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Die
vorliegende Erfindung hat ebenfalls eine Lösung für dieses Problem. Dieses besteht
aus einem Anordnen einer Spülkanalöffnung,
vorzugsweise als die einzige, dicht oder sogar teilweise überlappend
mit der Zentralachse des Boh rers. Dies stellt ein wirksames Spülen ebenfalls
des zentralen Abschnitts des Bodens des Bohrlochs bereit, was dazu
führt, dass
alle Hartmetallstücke
nach außen
zu der Seite gespült
werden und dem Bohrfluid nach oben durch die Seitenkanäle des Bohrers
folgen werden. Die Hartmetallstücke
werden oft zu schwer sein, um weiter nach oben zu dem ringförmigen Raum
fortzufahren, aber da diese verhältnismäßig wenige
sind, können
sie auf der oberen Seite des breitesten Abschnitts des Bohrers verbleiben,
ohne bemerkbaren Schaden anzurichten.
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Bei
fast allen Bohrungen sind die Bohrkosten stark abhängig von
der Betriebsdauer des Bohrers. Ein häufiges Wechseln des Bohrers
ist sehr kostspielig, sowohl aufgrund der hohen Kosten des Bohrers, als
auch der Zeit, die der Bohrstrang außerhalb des Bohrlochs läuft und
wiederum bei jedem Ersetzen. Insbesondere wenn geothermische Löcher gebohrt werden,
bspw. Löcher
wie in der Druckschrift WO 98/22760 beschrieben, ist die Wirtschaftlichkeit
der Anlage absolut abhängig
von der Fähigkeit,
tiefe Löcher
in hartem Stein auf eine effektive Weise zu bohren. Hier ist es
daher erwünscht,
in der Lage zu sein, einen verhältnismäßig langen
Abstand zu bohren, bevor der Bohrer ersetzt werden muss, und zusätzlich ist
es äußerst erwünscht, dass
der Durchmesser des Bohrlochs bei einem höchstmöglichen Grad gehalten wird,
selbst in der letzten Phase der Lebenszeit des Bohrers.
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Bei
zuvor bekannten Schlagbohrern was es oftmals der Fall, dass die
Hartmetalleinlagen entlang dem Umfang des Bohrers die ersten waren,
die abgenutzt waren, was dazu führte,
dass der Durchmesser des Bohrlochs sich schrittweise verringerte,
bevor der Bohrer so abgenutzt war, dass dies als eine verringerte
Durchdringungsrate erfasst wurde. Der daraus folgende leicht konische
Abschnitt in dem unteren Teil des Lochs wird einfach dazu führen, dass
der neue Bohrer stockt und möglicherweise
zerstört
wird, bevor dieser den Boden des Lochs erreicht.
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Um
dieses Problem zu vermeiden und gleichzeitig ebenfalls eine im wesentlichen
erhöhte Betriebsdauer
des Bohrers zu erreichen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Anzahl
an Einlagen in der äußersten
Reihe entlang dem Umfang des Bohrers zu erhöhen. Außerdem wird vorgeschlagen, diese äußersten
Einlagen mit einem Diamantüberzug zu
versehen, der die Betriebsdauer erhöht, während in zumindest der Mehrheit
der Einlagen auf der Innenseite diese nicht mit einem solchen Überzug versehen
sind. Dies stellt sicher, dass Einlagen auf der Innenseite abgenutzt
werden und das Durchdringen des Bohrers stoppen, bevor die Einlagen
entlang dem Umfang zu einem solchen Maße abgenutzt sind, dass der
Durchmesser des Lochs auf ein bemerkbares Maß reduziert worden ist.
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Weitere
vorteilhafte Merkmale der Erfindung werden anhand der Patentansprüche und
der folgenden Beschreibung der beispielhaften Ausführungsform
eines Schlagbohrers gemäß der Erfindung,
die schematisch in der beigefügten
Zeichnung dargestellt ist, offensichtlich werden.
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1 zeigt
eine Ansicht des Bohrers von vorne betrachtet.
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2 zeigt
einen Teilschnitt entlang der Linie II-II in 1.
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Der
erfindungsgemäße Schlagbohrer 1,
der in der Darstellung gezeigt ist, umfasst einen Kopf 2 und
eine periphere Seitenoberfläche 4,
in der Hartmetalleinsätze
oder Einlagen 5, 6, 7, 8 in
der Stirnfläche 3 davon
eingesetzt sind. Die Einlagen 5 sind in einer äußeren Reihe
neben der Seiten oberfläche 4 des
Kopfs 2 des Bohrers angeordnet. Die Anzahl an Einlagen 5 ist
so groß,
dass der durchschnittliche Abstand zwischen den Einlagen geringer
als der Durchmesser der Einlagen ist. Die Einlagen 5 sind
ebenfalls mit einem Diamantmaterial überzogen, das in der Darstellung
durch eine Kreuzschraffur, die aus kreuzenden Linien besteht, angezeigt
ist. Die Einlagen 6 in der Reihe auf der Innenseite haben
einen viel größeren Abstand
und sind nicht mit einem Diamantüberzug
versehen. Innerhalb der Einlagen 6 ist eine weitere Reihe,
die aus zwei diametral gegenüberliegenden
Einlagen 7 besteht, und an innerster Stelle ist eine einzelne
Einlage 8, die einen Diamantüberzug haben kann.
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In
der Seitenoberfläche 4 des
Kopfs sind sich axial erstreckende Ausnehmungen, die Kanäle 9 bilden,
in denen Bohrfluid, in diesem Fall Wasser, das Schneidstücke entlang
trägt,
nach oben entlang dem Bohrer zu dem ringförmigen Raum zwischen der Wand
des Lochs, das durch den Bohrer gemacht ist, und dem Bohrstrang
(nicht dargestellt) fließen
kann. Die Kanäle 9 können eine
ein wenig variierende Form und Tiefe haben, aber die Tiefe, gemessen
bzgl. einer gedachten Verlängerung
der Seitenoberfläche 4, darf
nicht einen gegebenen Wert ersetzen, der bspw. durch die Steinart,
die zu bohren ist, den Querschnittsbereich des ringförmigen Raums
und die Flussrate des Bohrwassers bestimmt ist. Ein praktischer
Bereich für
diese maximale Tiefe liegt bei 1,5 bis 4 mm, das obere Limit ist
vorzugsweise niedriger als 5 mm, vorzugsweise maximal 3,5 mm, um
die Flussrate des Bohrwassers auf einem vernünftigen Niveau zu halten.
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Es
wird ebenfalls aus den Zeichnungen deutlich, dass die Stirnfläche 3 des
Bohrers eine Auslassöffnung 10 für Bohrwasser
hat, die so zentral in dem Bohrer angeordnet ist, dass diese die
Zentralachse 11 des Bohrers überlappt. Dies sichert ein
wirksames Spülen
des gesamten Bodenbereichs des Bohrlochs.
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Auch
wenn die Erfindung vorstehend unter Bezugnahme auf eine bevorzugte
beispielhafte Ausführungsform
beschrieben wurde, ist zu verstehen, dass die Erfindung auf eine
Anzahl von Arten innerhalb des Rahmens der beigefügten Ansprüche variiert
und modifiziert werden kann. Bspw. ist es nicht notwendig, einen
Kanal 9 zwischen jedem Paar der äußeren Einlagen 5 zu
haben. Weiterhin kann die Bodenform des Kanals 9 von der
elliptisch gebogenen Form abweichen, die in der Zeichnung dargestellt
ist, und die Breite in der tangentialen Richtung kann selbstverständlich ebenfalls
variieren. Der Fachmann wird ebenfalls verstehen, dass der Schlagbohrer
gemäß der Erfindung üblicherweise
mit einer Welle zum Anbringen für
einen Schlaghammer versehen ist, der wiederum durch einen Bohrmotor
oder dergleichen in Drehung versetzt werden kann.