EP1704297B1 - Bohrvorrichtung - Google Patents

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EP1704297B1
EP1704297B1 EP04804208.9A EP04804208A EP1704297B1 EP 1704297 B1 EP1704297 B1 EP 1704297B1 EP 04804208 A EP04804208 A EP 04804208A EP 1704297 B1 EP1704297 B1 EP 1704297B1
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sealing
borehole
drilling device
drill rod
disk
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Franz-Josef Blickhan
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Prakla Bohrtechnik GmbH
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Prakla Bohrtechnik GmbH
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B21/00—Methods or apparatus for flushing boreholes, e.g. by use of exhaust air from motor
    • E21B21/12—Methods or apparatus for flushing boreholes, e.g. by use of exhaust air from motor using drilling pipes with plural fluid passages, e.g. closed circulation systems

Definitions

  • the invention relates to a drilling apparatus with a drill pipe having a central delivery channel and a supply air duct and a Senkhammer boring head, wherein a between the drill pipe and the borehole wall existing well annulus is sealed by a well seal to the atmosphere, wherein the borehole seal a on Drill rod axially fixed, annular sealing disc having a circumferentially arranged on its flexible sealing lip.
  • a known drilling device ( FR-A-2 597 150 ) serves a central delivery channel of the drill string to promote the cuttings through the upward flowing compressed air.
  • an air duct is arranged in the drill pipe, through which the compressed air is supplied.
  • the centric delivery channel opens into a lateral inlet opening.
  • there is a downwardly open skirt which receives the drill cuttings released by the countersink of the drill head so that it can be conveyed upwards.
  • the wellbore annulus between the drill string and the borehole wall is sealed from the atmosphere by a well seal.
  • the well seal is formed by a casing lining the well bore and an annular cover, the inner edge of which is designed as a sliding seal which sealingly surrounds the circumference of the drill string.
  • the pressure generated by the compressed air supply in the borehole is required to promote the cuttings in the central conveyor channel upwards.
  • the entire well annulus must be sealed between the drill pipe and the borehole wall, otherwise there is a risk that in case of insufficient sealing of the required delivery pressure in the central delivery channel is not available.
  • a disadvantage here proves that the required pressure in the entire well to the well seal must be maintained. This leads to high energy consumption and to a reduction in the delivery rate, especially if the borehole itself is not sufficiently dense on the side.
  • the well seal has an axially fixed to the drill string, annular sealing disc with a on its circumference arranged flexible sealing lip.
  • the object of the invention is therefore to provide a drilling device of the type mentioned in such a way that the required for the promotion of cuttings pressure can be maintained effectively in a simpler manner.
  • the sealing disc has at its inner periphery a central plain bearing bush, which is supported on an upper, connected to the drill pipe support ring.
  • the rotation of the drill string is not hindered by the bearing of the sealing washer via the central plain bearing bush.
  • the plain bearing bush is always located at the same location on the drill string, the seal executed there as a pivot bearing can be designed so that it develops a high sealing effect with relatively low friction. This is a significant advantage over the known well seal, in which the entire drill pipe when sinking through the sealing surface must be passed so that unevenness of the outer surface of the drill string can lead to a reduction of the sealing effect and / or damage to the sealing surface of the borehole seal.
  • the sealing disc with its at least one flexible sealing lip seals directly opposite the borehole wall or that when drilling the bore on the borehole wall a lining pipe is carried, against which seals the sealing disc.
  • This measure is particularly advantageous if the rock is porous or has gaps and is therefore not suitable or even unsuitable for maintaining the pressure.
  • the sealing disc has a plurality of sealing lips on the circumference one above the other. As a result, a significant increase in the sealing effect is achieved compared to a single sealing lip.
  • the drilling apparatus shown in the drawing has a drill pipe, which has a centric conveying channel 2 (FIG. Fig. 2 ) and a surrounding air duct 3 has.
  • a countersink drill head 5 is connected via a connecting piece 4, the percussion drill bit 6 at the lowest point of the borehole 7 dissolves rock by impact, which is transported upwards as cuttings.
  • the Senkhammer-Bohrkopf 5 is supplied to drive his Schlagbohrkrone 6 with compressed air, which is supplied through the air duct 3.
  • a conveying channel section 8 runs obliquely downwards from the central conveying channel 2 of the drill pipe 1 to a lateral inlet opening 9.
  • a downwardly open skirt 10 is mounted, which is formed by a downwardly open tube which is fixed to the connecting piece 4 and is offset from the countersinking drill head 5 to the side of the inlet opening 9 toward eccentric.
  • an inflow opening 11 is formed on the side of this inlet opening 9 at a short distance above the percussion drill bit 6, which is connected via the delivery channel section 8 with the delivery channel 2 in the drill string 1.
  • annular sealing disc 12 is arranged, which is rotatably but immovably mounted on the drill pipe 1 and at its periphery a plurality of flexible sealing lips 13 which sealingly against the borehole wall 14 or at a Drilling the hole on the borehole wall entrained lining pipe 15 (only right in Fig. 1 indicated by dashed lines) seals.
  • the flexible sealing lips 13 can also be folded over in the sealing area in order to achieve an effective seal.
  • Fig. 2 As in Fig. 2 is shown in detail, the sealing disc 12 at its inner periphery on a central plain bearing bush 16, which is supported on an upper, connected to the drill string 1 support ring 17.
  • the sealing disk 12 has a plurality of rigid annular disks 18 stacked on top of one another, between which in each case a rubber-elastic annular disk 19 is arranged whose peripheral edge projecting beyond the rigid annular disks 18 forms the sealing lip 13.
  • the rigid annular discs 18 are connected by screws 20, 21 with each other. Near its inner edge, the rigid sealing discs 18 are connected by screws 21 with each other and with an upper flange 22 of the plain bearing bush 16.
  • the support ring 17 has a mounting hole 23 through which the arranged on the inner edge of the rigid annular discs 18 screws 21 are accessible one after the other rotation of the sealing disc 12.
  • the screws 21 are screwed into a lower ring 24, which compresses all the discs of the sealing disc 12 at the inner edge.
  • the central plain bearing bush 16 is rotatably received between the upper support ring 17 and a lower support ring 25 which is attached to the drill pipe 1.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Bohrvorrichtung mit einem Bohrgestänge, das einen zentrischen Förderkanal und einen Zuluftkanal aufweist und einen Senkhammer-Bohrkopf trägt, wobei ein zwischen dem Bohrgestänge und der Bohrlochwand bestehender Bohrloch-Ringraum durch eine Bohrlochdichtung gegenüber der Atmosphäre abgedichtet ist, wobei die Bohrlochdichtung eine am Bohrgestänge axial festgelegte, kreisringförmige Dichtscheibe mit einer an ihrem Umfang angeordneten flexiblen Dichtlippe aufweist.
  • Senkhammer-Bohrköpfe werden für Brunnenbohrungen und andere Tieflochbohrungen in Fels und Gestein verwendet. Der Senkhammer wird durch Pressluft angetrieben, die durch das Bohrgestänge zugeführt wird. Die Pressluft tritt an der Schlagbohrkrone aus und fördert das anfallende Bohrklein nach oben.
  • Bei einer bekannten Bohrvorrichtung ( FR-A-2 597 150 ) dient ein zentrischer Förderkanal des Bohrgestänges zur Förderung des Bohrkleins durch die nach oben strömende Pressluft. Am Umfang des zentrischen Förderkanals ist im Bohrgestänge ein Luftkanal angeordnet, durch den die Pressluft zugeführt wird. Der zentrische Förderkanal mündet in einer seitlichen Eintrittsöffnung. Im Bereich der seitlichen Eintrittsöffnung befindet sich eine nach unten offene Schürze, die das durch den Senkhammer des Bohrkopf losgeschlagene Bohrklein aufnimmt, so dass es nach oben gefördert werden kann.
  • Bei einer bekannten Bohrvorrichtung der eingangs genannten Gattung ( EP 0 690 953 B1 ) ist die Schürze gegenüber dem Senkhammer-Bohrkopf zur Seite der Eintrittsöffnung hin exzentrisch versetzt. Dadurch befindet sich der größte Eintrittsquerschnitt in die Schürze unterhalb der Eintrittsöffnung, so dass auch verhältnismäßig große Stücke des Bohrkleins ohne Schwierigkeiten weggefördert werden können.
  • Der zwischen dem Bohrgestänge und der Bohrlochwand bestehende Bohrloch-Ringraum ist durch eine Bohrlochdichtung gegenüber der Atmosphäre abgedichtet. Die Bohrlochdichtung wird durch ein die Bohrlochöffnung auskleidendes Futterrohr und einen ringförmigen Deckel gebildet, dessen innerer Rand als eine Gleitdichtung ausgeführt ist, die den Umfang des Bohrgestänges abdichtend umschließt.
  • Der durch die Pressluftzufuhr im Bohrloch erzeugte Druck ist erforderlich, um das Bohrklein im zentrischen Förderkanal nach oben zu fördern. Hierbei muss der gesamte Bohrloch-Ringraum zwischen dem Bohrgestänge und der Bohrlochwand abgedichtet werden, weil anderenfalls die Gefahr besteht, dass bei unzureichender Abdichtung der erforderliche Förderdruck im zentrischen Förderkanal nicht zur Verfügung steht. Als nachteilig erweist sich hierbei, dass der erforderliche Druck im gesamten Bohrloch bis hin zur Bohrlochdichtung aufrechterhalten werden muss. Dies führt zu einem hohen Energieverbrauch und zu einer Verringerung der Förderleistung, insbesondere wenn das Bohrloch selbst seitlich nicht ausreichend dicht ist.
  • Bei einem Wechsel des Bohrgestänges, beispielsweise zum Austauschen der Schlagbohrkrone, muss die Bohrlochdichtung abmontiert werden.
  • Da das gesamte Bohrgestänge beim Abteufen durch die Dichtfläche hindurchgeführt werden muss, führen Ungleichmäßigkeiten der äußeren Oberfläche des Bohrgestänges hierbei zu einer Verringerung der Dichtwirkung und/oder einer Beschädigung der Dichtfläche an der Bohrlochdichtung.
  • Beispielsweise in FR 2 496 160 A oder in US 4 657 092 A sind über ein Kugellager drehbar gelagerte Dichtungselemente beschrieben.
  • In US 4 057 118 A ist eine Bohrlochdichtung mit mehreren elastischen Dichtlippen beschrieben, die zu einem Paket kombiniert wurden und durch einen in axialer Richtung ausgeübten Anpressdruck miteinander verbunden sind.
  • Bei einer Bohrvorrichtung der eingangs genannten Gattung, wie sie beispielsweise in DE 42 25 806 C1 beschrieben ist, weist die Bohrlochdichtung eine am Bohrgestänge axial festgelegte, kreisringförmige Dichtscheibe mit einer an ihrem Umfang angeordneten flexiblen Dichtlippe auf.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Bohrvorrichtung der eingangs genannten Gattung so auszubilden, dass der für die Förderung des Bohrkleins erforderliche Druck in einfacherer Weise wirksam aufrechterhalten werden kann.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Dichtscheibe drehbar gelagert ist und an ihrem inneren Umfang eine zentrale Gleitlagerbüchse aufweist, dass die Dichtscheibe mehrere, übereinander gestapelte starre Ringscheiben aufweist, zwischen denen jeweils eine gummielastische Ringscheibe angeordnet ist, deren über die starren Ringscheiben hinausragender Umfangsrand die Dichtlippe bildet, dass die starren Ringscheiben nahe ihrem inneren Rand durch Schrauben miteinander und mit einem oberen Flansch der Gleitlagerbüchse verbunden sind, die sich an einem oberen, mit dem Bohrgestänge verbundenen Stützring abstützt, und dass der Stützring eine Montagebohrung aufweist, durch die die am inneren Rand der starren Ringscheiben angeordneten Schrauben nach Drehung der Dichtscheibe einzeln nacheinander zugänglich sind.
  • Die Dichtscheibe kann in geeignetem Abstand, vorzugsweise in geringem Abstand oberhalb des Bohrkopfes angeordnet werden und dichtet das Bohrloch an dieser Stelle in geringem Abstand oberhalb des Bohrkopfes ab. Eine Abdichtung am oberen Ende des Bohrlochs ist damit nicht erforderlich. Der mit Druck beaufschlagte Raum ist verhältnismäßig klein, nämlich nur der zwischen dem Bohrlochende und der Dichtscheibe liegende Abschnitt des Bohrloch-Ringraums, während der darüber liegende, wesentlich größere Teil des Bohrloch-Ringraums nicht mit erhöhtem Druck beaufschlagt ist und deshalb auch nicht abgedichtet werden muss. Eine etwaige Porosität in Bereichen des Bohrlochs, insbesondere im oberen Bereich, beeinflusst die Aufrechterhaltung des Drucks nicht oder nur unwesentlich.
  • Da die die Bohrlochdichtung bildende Dichtscheibe während des Abteufens mitgeführt wird, bleibt der mit Druck zu beaufschlagende Raum während des gesamten Bohrvorgangs unabhängig von der jeweiligen Bohrtiefe unverändert.
  • Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Dichtscheibe an ihrem inneren Umfang eine zentrale Gleitlagerbüchse aufweist, die sich an einem oberen, mit dem Bohrgestänge verbundenen Stützring abstützt. Die Drehung des Bohrgestänges wird durch die Lagerung der Dichtscheibe über die zentrale Gleitlagerbüchse nicht behindert. Da sich die Gleitlagerbüchse stets an der selben Stelle am Bohrgestänge befindet, kann die dort als Drehlager ausgeführte Dichtung so gestaltet werden, dass sie bei verhältnismäßig geringer Reibung eine hohe Dichtwirkung entfaltet. Dies ist von wesentlichem Vorteil gegenüber der bekannten Bohrlochdichtung, bei der das gesamte Bohrgestänge beim Abteufen durch die Dichtfläche hindurchgeführt werden muss, so dass Ungleichmäßigkeiten der äußeren Oberfläche des Bohrgestänges zu einer Verringerung der Dichtwirkung und/oder einer Beschädigung der Dichtfläche an der Bohrlochdichtung führen können.
  • Je nach der Beschaffenheit der Bohrlochwand kann vorgesehen sein, dass die Dichtscheibe mit ihrer mindestens einen flexiblen Dichtlippe unmittelbar gegenüber der Bohrlochwand abdichtet oder dass beim Abteufen der Bohrung an der Bohrlochwand ein Auskleidungsrohr mitgeführt wird, gegenüber dem die Dichtscheibe abdichtet. Diese Maßnahme ist besonders vorteilhaft, wenn das Gestein porös ist oder Spalten aufweist und deshalb selbst zur Aufrechterhaltung des Drucks nicht oder wenig geeignet ist.
  • Mit der erfindungsgemäßen Maßnahme zur Abdichtung des Bohrlochs wird gegenüber dem Stand der Technik eine erhebliche Verminderung des Energiebedarfs und eine wesentliche Steigerung der Bohrleistung erreicht.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Dichtscheibe am Umfang übereinander mehrere Dichtlippen aufweist. Dadurch wird im Vergleich zu einer einzigen Dichtlippe eine wesentliche Steigerung der Dichtwirkung erreicht.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
  • Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist. Es zeigt:
    • Fig. 1 in einem vereinfachten Längsschnitt eine Bohrvorrichtung in einem Bohrloch und
    • Fig. 2 eine vergrößerte Schnittdarstellung der bei der Bohrvorrichtung nach Fig. 1 verwendeten Dichtscheibe und des zugehörigen Bohrgestängeabschnitts.
  • Die in der Zeichnung dargestellte Bohrvorrichtung weist ein Bohrgestänge auf, das einen zentrischen Förderkanal 2 (Fig. 2) und einen umgebenden Luftkanal 3 besitzt. Am Bohrgestänge 1 ist über ein Verbindungsstück 4 ein Senkhammer-Bohrkopf 5 angeschlossen, dessen Schlagbohrkrone 6 an der tiefsten Stelle des Bohrlochs 7 durch Schlagwirkung Gestein löst, das als Bohrklein nach oben transportiert wird.
  • Der Senkhammer-Bohrkopf 5 wird zum Antrieb seiner Schlagbohrkrone 6 mit Pressluft versorgt, die durch den Luftkanal 3 zugeführt wird. Im Verbindungsstück 4 verläuft ein Förderkanalabschnitt 8 vom zentrischen Förderkanal 2 des Bohrgestänges 1 schräg nach unten zu einer seitlichen Eintrittsöffnung 9.
  • Am Verbindungsstück 4 ist eine nach unten offene Schürze 10 angebracht, die von einem nach unten offenen Rohr gebildet wird, das am Verbindungsstück 4 befestigt ist und gegenüber dem Senkhammer-Bohrkopf 5 zur Seite der Eintrittsöffnung 9 hin exzentrisch versetzt ist. Dadurch wird auf der Seite dieser Eintrittsöffnung 9 in geringem Abstand oberhalb der Schlagbohrkrone 6 eine Einströmöffnung 11 gebildet, die über den Förderkanalabschnitt 8 mit dem Förderkanal 2 im Bohrgestänge 1 verbunden ist.
  • In geringem Abstand oberhalb des Bohrkopfes ist eine kreisringförmige Dichtscheibe 12 angeordnet, die drehbar, aber unverschiebbar am Bohrgestänge 1 gelagert ist und an ihrem Umfang mehrere flexible Dichtlippen 13 aufweist, die abdichtend an der Bohrlochwand 14 oder an einem beim Abteufen der Bohrung an der Bohrlochwand mitgeführten Auskleidungsrohr 15 (nur rechts in Fig. 1 mit gestrichelten Linien angedeutet) abdichtet. Abweichend von der Darstellung in Fig. 1 können sich die flexiblen Dichtlippen 13 im Dichtbereich auch umlegen, um eine wirksame Abdichtung zu erreichen.
  • Wie in Fig. 2 in Einzelheiten dargestellt ist, weist die Dichtscheibe 12 an ihrem inneren Umfang eine zentrale Gleitlagerbüchse 16 auf, die sich an einem oberen, mit dem Bohrgestänge 1 verbundenen Stützring 17 abstützt.
  • Die Dichtscheibe 12 weist mehrere, übereinander gestapelte starre Ringscheiben 18 auf, zwischen denen jeweils eine gummielastische Ringscheibe 19 angeordnet ist, deren über die starren Ringscheiben 18 hinausragender Umfangsrand die Dichtlippe 13 bildet.
  • Die starren Ringscheiben 18 sind durch Schrauben 20, 21 miteinander verbunden. Nahe ihrem inneren Rand sind die starren Dichtscheiben 18 durch Schrauben 21 miteinander und mit einem oberen Flansch 22 der Gleitlagerbüchse 16 verbunden.
  • Der Stützring 17 weist eine Montagebohrung 23 auf, durch die die am inneren Rand der starren Ringscheiben 18 angeordneten Schrauben 21 nach Drehung der Dichtscheibe 12 einzeln nacheinander zugänglich sind. Die Schrauben 21 sind in einen unteren Ring 24 eingeschraubt, der alle Scheiben der Dichtscheibe 12 am inneren Rand zusammenpresst.
  • Die zentrale Gleitlagerbüchse 16 ist zwischen dem oberen Stützring 17 und einem unteren Tragring 25, der am Bohrgestänge 1 angebracht ist, drehbar aufgenommen.
  • Durch die Pressluft, die dem Senkhammer-Bohrkopf durch den Luftkanal 3 zugeführt wird und ihn antreibt und die an der Unterseite des Bohrkopfs austritt, wird das anfallende Bohrklein durch die Eintrittsöffnung 11 der Schürze 10, den Förderkanalabschnitt 8 und den zentrischen Förderkanal 2 nach oben gefördert. Zugleich wird dadurch in einem unterhalb der Dichtscheibe 12 liegenden Bohrloch-Ringraumabschnitt 26 ein erhöhter Druck aufgebaut, der durch die Dichtwirkung der Dichtscheibe 12 aufrechterhalten wird. Beim weiteren Abteufen des Bohrkopfes wird die Dichtscheibe 12 mitgeführt.

Claims (4)

  1. Bohrvorrichtung mit einem Bohrgestänge (1), das einen zentrischen Förderkanal (2) und einen Zuluftkanal aufweist und einen Senkhammer-Bohrkopf (5) trägt, wobei ein zwischen dem Bohrgestänge (1) und der Bohrlochwand bestehender Bohrloch-Ringraum durch eine Bohrlochdichtung gegenüber der Atmosphäre abgedichtet ist, wobei die Bohrlochdichtung eine am Bohrgestänge (1) axial festgelegte, kreisringförmige Dichtscheibe (12) mit einer an ihrem Umfang angeordneten flexiblen Dichtlippe (13) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtscheibe (12) drehbar gelagert ist und an ihrem inneren Umfang eine zentrale Gleitlagerbüchse (16) aufweist, dass die Dichtscheibe (12) mehrere, übereinander gestapelte starre Ringscheiben (18) aufweist, zwischen denen jeweils eine gummielastische Ringscheibe (19) angeordnet ist, deren über die starren Ringscheiben (18) hinausragender Umfangsrand die Dichtlippe (13) bildet, dass die starren Ringscheiben (18) nahe ihrem inneren Rand durch Schrauben (21) miteinander und mit einem oberen Flansch (22) der Gleitlagerbüchse (16) verbunden sind, die sich an einem oberen, mit dem Bohrgestänge (1) verbundenen Stützring (17) abstützt, und dass der Stützring (17) eine Montagebohrung (23) aufweist, durch die die am inneren Rand der starren Ringscheiben (18) angeordneten Schrauben (21) nach Drehung der Dichtscheibe (12) einzeln nacheinander zugänglich sind.
  2. Bohrvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Gleitlagerbüchse (16) zwischen dem oberen Stützring (17) und einem unteren Tragring (25) des Bohrgestänges (1) drehbar aufgenommen ist.
  3. Bohrvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtscheibe (12) mit ihren flexiblen Dichtlippen (13) gegenüber einem beim Abteufen der Bohrung an der Bohrlochwand (14) mitgeführten Auskleidungsrohr (15) abdichtet.
  4. Bohrvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtscheibe (12) mit ihren flexiblen Dichtlippen (13) gegenüber der Bohrlochwand (14) abdichtet.
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