EP2597249B1 - Bohrgerät und Verfahren zum Erstellen einer vertikalen Bohrung - Google Patents

Bohrgerät und Verfahren zum Erstellen einer vertikalen Bohrung Download PDF

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EP2597249B1
EP2597249B1 EP11009332.5A EP11009332A EP2597249B1 EP 2597249 B1 EP2597249 B1 EP 2597249B1 EP 11009332 A EP11009332 A EP 11009332A EP 2597249 B1 EP2597249 B1 EP 2597249B1
Authority
EP
European Patent Office
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drilling apparatus
basic body
removal
axis
removal unit
Prior art date
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Active
Application number
EP11009332.5A
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English (en)
French (fr)
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EP2597249A1 (de
Inventor
Stefan Michael Finkenzeller
Andreas Stimpfle-Ziegler
Günther Körber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bauer Spezialtiefbau GmbH
Original Assignee
Bauer Spezialtiefbau GmbH
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Publication date
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Priority to CA2793583A priority patent/CA2793583A1/en
Priority to SG2012080719A priority patent/SG190517A1/en
Priority to MYPI2012005038A priority patent/MY173700A/en
Publication of EP2597249A1 publication Critical patent/EP2597249A1/de
Priority to HK13107771.5A priority patent/HK1180749A1/xx
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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
    • E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/20—Driving or forcing casings or pipes into boreholes, e.g. sinking; Simultaneously drilling and casing boreholes
    • E21B7/208—Driving or forcing casings or pipes into boreholes, e.g. sinking; Simultaneously drilling and casing boreholes using down-hole drives
    • 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
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/64—Drill bits characterised by the whole or part thereof being insertable into or removable from the borehole without withdrawing the drilling pipe
    • E21B10/66—Drill bits characterised by the whole or part thereof being insertable into or removable from the borehole without withdrawing the drilling pipe the cutting element movable through the drilling pipe and laterally shiftable

Definitions

  • the invention relates to a drilling device for creating a vertical bore with a base body, arranged on a rear side of the body suspension for suspending the drill in the bore, a rotatably mounted about an eccentric removal unit, which eccentrically on one side of the body to a central axis of the body arranged and circumferentially mounted about the center axis, and a drive unit for rotationally driving the Abtragsech about the eccentric axis according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for creating a vertical bore.
  • Such a drill is for example from the DE 10 2008 028 997 A1 out.
  • This known drill has an approximately cylindrical housing which is sunk vertically into the ground.
  • Eccentric to the center axis of the drill a conical drilling tool is provided, which is driven by a motor rotating.
  • the individual drilling tool rotates planetary the center axis of the drill, wherein the distance between the eccentric axis of the drilling tool and the center axis of the drill is variable, so as to be able to cover the entire borehole bottom.
  • Such drilling tools with an eccentrically arranged removal tool are particularly advantageous for working in hard soil or rock.
  • conventional drilling tools with continuous cutting edges currently only a small area of the borehole bottom is always processed in the generic drills. This considerably reduces the load and thus the wear of the removal tool and of the entire drilling tool.
  • the invention has for its object to provide a drill and a method for creating a vertical bore, with which holes can be created very efficiently, even in hard soil material.
  • the drill according to the invention is characterized in that the Abtragsech is disc-shaped and that the eccentric axis of the disc-shaped Abtragsech angled at an acute angle to the borehole axis and / or to the center axis of the body is arranged.
  • the Abtragstician is arranged disc-shaped, so not provided with a defined, lying on the eccentric axis drill bit. Due to the eccentric and angled arrangement of the Abtragshim results in a kind of tumbling movement about the center axis, which usually corresponds to the drilling axis of the drill and thus a borehole axis. In this tumbling movement, only a constantly changing portion of the Abtragsaku with the soil to be removed is in contact. As a result, overheating of the removal unit and thus excessive wear can be avoided, since during the rotational movement individual peripheral areas of the disc-shaped removal unit are not or only slightly loaded depending on their rotational position.
  • a conical borehole bottom is produced by an acute angle of the eccentric axis with downward increasing distance to the center axis.
  • Such a Conical borehole bottom facilitates centering of the drill in the borehole. As a result, the leadership of the drill in the borehole is improved.
  • the acute angle is between 2 ° and 30 °, preferably 5 °.
  • a further improvement of the guide results according to a preferred embodiment of the invention in that at least one support element is arranged on the front side of the main body next to the removal unit, which is designed to rest on a bottom of the bore.
  • the support element is arranged with respect to the center axis opposite to the front side of the base body.
  • the support element is preferably rod-shaped. It is spring-mounted or telescopic. This can counteract unwanted tilting of the drill in the borehole and the orientation can be controlled.
  • a measuring device is provided on the support element for determining a bearing force of the drill.
  • corresponding force sensors may be present, by means of which the pressure force on the support element can be determined.
  • the compressive force on the support element allows conclusions about the bearing force of the opposing Abtragsaku. In this way, the pressing force and the speed can be matched to each other in a favorable manner, so that sets a high progress with low wear.
  • the removal unit can be a disk with ablation teeth arranged on the circumference.
  • a particularly preferred embodiment of the invention consists in that the removal unit has a carrier disk on which a plurality of removal tools are respectively mounted rotatably about a tool axis.
  • the removal tools can be designed as a roller chisel. Other removal tools are possible, such as multihammers (MHD).
  • MHD multihammers
  • the tool axes can be spaced and arranged transversely to the eccentric axis of the carrier disc of the removal unit. In this way, the rotating Abtragswerkmaschinemaschinee can roll on the bottom of the hole. This further improves the removal and wear behavior.
  • the removal tools can also be driven in rotation by a gear in the carrier disk.
  • the removal tools each have a plurality of Abtragszähne arranged.
  • the erosion teeth are arranged radially protruding to the outer periphery.
  • the removal tools preferably have a removal tip, so that there is substantially a punctiform, chisel-like contact with the ground. In contrast to linear cutting edges, this further improves the wear behavior.
  • the rotatable removal tools are driven circumferentially to the eccentric axis.
  • the orbital movement of the removal tools thus does not result as a rolling movement due to the rotation of the drill as a whole, but is specifically effected by a drive, which is preferably arranged in the carrier disc of the removal unit.
  • the Abtragswerkmaschinee may also be milling discs, which are planetary driven around the eccentric axis circumferentially.
  • a suction opening is provided on the end face of the main body, via which abraded soil material can be suctioned off via a suction line from a bottom hole.
  • the drill can thus operate in a well filled with suspension or liquid bore. This not only serves to support the borehole wall. But the liquid also cools the Abtragswerkmaschinee, which is advantageous in the processing of hard rock.
  • the suction opening the removed soil material can be sucked together with surrounding liquid via a suction line. This extends through the body through to the back of the body.
  • a pump can be arranged in the base body itself and / or a pumping device can be arranged over days.
  • a good guidance and a high rate of drilling progress is achieved according to the invention in a preferred manner, that on the base body a torque arm is arranged, with which the base body relative to a surrounding wall of the bore can be supported.
  • the torque arm has a plurality of radially extendable support elements.
  • the radial extension can by means of hydraulic Cylinder or by a corresponding lever mechanism done.
  • at least part of the basic body is supported relative to the borehole wall so that reaction forces can be introduced directly into the borehole wall.
  • it is no longer absolutely necessary to supply a torque via a rigid drill pipe exclusively from above to the drill. This is particularly advantageous if larger drilling depths of 30 to 100 m and below are sunk.
  • the base body has a rear upper part and a front-side lower part, which are axially displaceable to each other, that on the upper part of the torque arm and the lower part of the Abtragsaku are arranged, and that a displacement device for axial displacement of the Lower part is provided relative to the upper part.
  • the rear upper part of the main body can thus be fixed via the torque arm in the radial and / or axial direction relative to the surrounding soil.
  • a displacement device which comprises in particular hydraulic actuating cylinder.
  • the torque is supplied via a rigid drill pipe from above ground.
  • the drive unit may be a gear which receives a torque from a central drill pipe and converts this into corresponding output torques for the removal unit, in particular for the removal tools. It can be achieved as a fixed ratio of the torques and speeds between the individual rotatably driven elements of the Abtragsaku.
  • the drive unit comprises a motor which is supplied with hydraulic and / or electrical energy.
  • the engine may be provided alternatively from the outside or in addition to the supply of torque.
  • the energy is supplied from over days via an electrical line or hydraulic lines.
  • a motor converts this energy into a mechanical rotary motion. It can according to the invention also a plurality of motors may be provided so that overall an individual adjustment of the speeds and torques of the individual driven elements is made possible.
  • an inventive drill 10 which has an approximately cylindrical base body 12 with a central axis 11.
  • the center axis 11 corresponds to a rotary drive of the drilling apparatus 10 via a square suspension device 18 for a Kelly bar a drilling axis of the forming wellbore.
  • the main body 12 comprises a cylindrical upper part 14 and a cylindrical lower part 16, which are mounted to each other axially displaceable.
  • the suspension device 18 is attached for connection to a drill pipe.
  • a central shaft 15 extends coaxially to the center axis 11.
  • the tubular central shaft 15 protrudes into a sleeve-shaped receptacle 17.
  • the sleeve-shaped receptacle 17 and the Mittenschaft 15 are axially displaceable relative to each other, but rotatably connected to each other.
  • an annular stop 13 is arranged on the central shaft 15.
  • axial webs are provided below the annular stop 13 on a lower shaft portion 19 of the central shaft 15, axial webs, not shown, for forming the axially movable rotary joint.
  • the lifting cylinders 72 are secured with their cylinder housing on an upper side of the lower part 16, while the pistons 74 are attached via a retaining ring, not shown, on the upper part 14.
  • a disk-shaped removal unit 20 is arranged eccentrically to the center axis 11.
  • the removal unit 20 is rotatably supported and driven about an axis of rotation 11 spaced apart from the center axis 11 eccentric.
  • roller-shaped removal tools 26 are mounted rotatably about tool axes 28 on the underside facing the bottom.
  • Abtragswerkmaschinene 26 not shown Abtragszähne 30 for removing rocks or hard soil material are arranged.
  • the support element 50 Radially to the center axis 11 opposite a support element 50 is disposed on the circular disk-shaped underside of the lower part 14.
  • the support element 50 includes an axially downwardly projecting shaft 54, on which a circulation roller 52 is arranged, which is rotatably mounted about a transverse to the center axis 11 directed roller axis.
  • the support element 50 serves to support and balance the asymmetrically arranged individual removal unit 20 in order to counteract tilting of the drilling device 10 during operation.
  • a measuring device may be provided, with which a pressure force of the drill 10 can be determined on the bottom of the hole. In this way, a suitable pressure force can be adjusted via the displacement device 70 to the removal unit 20.
  • a torque arm 60 is arranged, with which the upper part 14 relative to the surrounding borehole wall can be supported and fixed in the circumferential direction and in the axial direction.
  • the torque arm 60 three distributed by 120 ° around the central axis 11 arranged plate-shaped support members 62, which are each articulated via two adjusting lever 64 radially aus plausible on the central shaft 15.
  • an adjusting cylinder 66 is arranged on each support member 62.
  • the actuating cylinder 66 and also the pistons 74 are connected to the central shaft 15 via suitable retaining rings (not shown).
  • a torque is transmitted to a central sun gear 41 via a drill string, not shown.
  • the sun gear 41 drives a first pinion 42 which is non-rotatably connected to a drive shaft 43 leading to the lower part 16.
  • the drive shaft 43 comprises a shaft upper part 44, which projects axially displaceably into a sleeve-shaped receptacle of a shaft lower part 45, in order to ensure an axial displaceability of the lower part 16 relative to the upper part 14 in accordance with the stroke h.
  • the shaft base 45 drives a drive shaft 47 of the removal unit 20.
  • the drive shaft 47 has a drive pinion 21 with a curved toothing.
  • the axis of rotation of the drive shaft 47 is coaxial with the eccentric axis 22 of the Abtragstician 20, wherein the eccentric axis 22 is disposed at an acute angle to the center axis 11 of the drill 10. In the present embodiment, the angle is 5 °.
  • the removed soil material is sucked up via a suction opening 38 on the underside of the lower part 16 via an extending through the entire drill 10 suction line 39 under the support of a suction effect causing turbine wheel 49 upwards.
  • the turbine wheel 49 is driven by the sun gear 41 via a second pinion 48.
  • the suction line 39 may be performed for the suspension device 18 in the interior of the drill string upwards, or on a Top of the upper part 14 may be connected via a line connection with a hose.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Bohrgerät zum Erstellen einer vertikalen Bohrung mit einem Grundkörper, einer an einer Rückseite des Grundkörpers angeordneten Aufhängeeinrichtung zum Aufhängen des Bohrgerätes in der Bohrung, einer um eine Exzenterachse drehbar gelagerten Abtragseinheit, welche an einer Seite des Grundkörpers exzentrisch zu einer Mittenachse des Grundkörpers angeordnet und umlaufend um die Mittenachse gelagert ist, und einer Antriebseinheit zum rotierenden Antreiben der Abtragseinheit um die Exzenterachse gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erstellen einer vertikalen Bohrung.
  • Ein derartiges Bohrgerät geht beispielsweise aus der DE 10 2008 028 997 A1 hervor. Dieses bekannte Bohrgerät weist ein etwa zylindrisches Gehäuse auf, welches vertikal in den Boden abgeteuft wird. Exzentrisch zur Mittenachse des Bohrgerätes ist ein konisches Bohrwerkzeug vorgesehen, welches über einen Motor drehend angetrieben wird. Das einzelne Bohrwerkzeug umläuft planetenartig die Mittenachse des Bohrgerätes, wobei der Abstand zwischen der Exzenterachse des Bohrwerkzeuges und der Mittenachse des Bohrgerätes veränderbar ist, um so den gesamten Bohrlochgrund überstreichen zu können.
  • Derartige Bohrgeräte mit einem exzentrisch angeordneten Abtragswerkzeug sind insbesondere zum Arbeiten in hartem Boden oder Gestein vorteilhaft. Im Gegensatz zu herkömmlichen Bohrwerkzeugen mit durchgehenden Schneidkanten wird bei den gattungsgemäßen Bohrgeräten momentan stets nur ein kleiner Bereich des Bohrlochgrundes bearbeitet. Dies reduziert die Belastung und damit den Verschleiß des Abtragswerkzeuges und des gesamten Bohrwerkzeuges erheblich.
  • Aufgrund der exzentrischen Anordnung des Bohrwerkzeuges ergibt sich im Betrieb eine asymmetrische Belastung des Bohrgerätes. Derartige asymmetrische Krafteinwirkungen können zu einer Ablenkung des Bohrgerätes aus der gewünschten vertikalen Bohrrichtung führen. In dem genannten Stand der Technik ist es vorgeschlagen, das Bohrgerät in einer nachführbaren Verrohrung zu führen, welche das Bohrloch auskleidet. Das Vorsehen und Nachführen einer Verrohrung des Bohrloches ist aufwändig.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bohrgerät und ein Verfahren zum Erstellen einer vertikalen Bohrung anzugeben, mit welchen Bohrungen auch in hartem Bodenmaterial besonders effizient erstellt werden können.
  • Die Aufgabe wird nach der Erfindung durch ein Bohrgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Das erfindungsgemäße Bohrgerät ist dadurch gekennzeichnet, dass die Abtragseinheit scheibenförmig ausgebildet ist und dass die Exzenterachse der scheibenförmigen Abtragseinheit angewinkelt in einem spitzen Winkel zur Bohrlochachse und/oder zu der Mittenachse des Grundkörpers angeordnet ist.
  • Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird eine besonders günstige Kraftverteilung und damit ein günstiges Verschleißverhalten bei hoher Abtragsleistung erreicht. Zum einen ist die Abtragseinheit scheibenförmig angeordnet, also nicht mit einer definierten, auf der Exzenterachse liegenden Bohrspitze versehen. Durch die exzentrische und angewinkelte Anordnung der Abtragseinheit ergibt sich eine Art taumelnde Bewegung um die Mittenachse, welche in der Regel der Bohrachse des Bohrgerätes und damit einer Bohrlochachse entspricht. Bei dieser taumelnden Bewegung ist lediglich ein sich beständig wechselnder Teilbereich der Abtragseinheit mit dem abzutragenden Boden in Kontakt. Hierdurch kann eine Überhitzung der Abtragseinheit und damit ein übermäßiger Verschleiß vermieden werden, da während der Drehbewegung einzelne Umfangsbereiche der scheibenförmigen Abtragseinheit abhängig von ihrer Drehposition nicht oder nur geringer belastet sind.
  • Zudem wird durch einen spitzen Winkel der Exzenterachse mit nach unten zunehmendem Abstand zur Mittenachse ein konischer Bohrlochgrund erzeugt. Ein derartiger konischer Bohrlochgrund erleichtert das Zentrieren des Bohrgerätes im Bohrloch. Hierdurch wird die Führung des Bohrgerätes im Bohrloch verbessert. Der spitze Winkel beträgt zwischen 2° und 30°, vorzugsweise 5°.
  • Eine weitere Verbesserung der Führung ergibt sich nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dadurch, dass an der Stirnseite des Grundkörpers neben der Abtragseinheit mindestens ein Auflageelement angeordnet ist, welches zum Aufliegen auf einem Grund der Bohrung ausgebildet ist. Bei einer bevorzugten asymmetrischen Anordnung des Bohrgerätes mit einer einzelnen Abtragseinheit ist das Auflageelement in Bezug auf die Mittenachse gegenüberliegend an der Stirnseite des Grundkörpers angeordnet. Das Auflageelement ist dabei vorzugsweise stangenförmig. Es ist federnd gelagert oder teleskopierbar. Hierdurch kann einem unerwünschten Verkippen des Bohrgerätes im Bohrloch entgegengewirkt und die Ausrichtung gesteuert werden.
  • Dabei ist es nach der Erfindung besonders bevorzugt, dass eine Messeinrichtung an dem Auflageelement zum Bestimmen einer Auflagekraft des Bohrgerätes vorgesehen ist. Hierzu können entsprechende Kraftsensoren vorhanden sein, durch welche die Druckkraft auf das Auflageelement ermittelt werden kann. Die Druckkraft auf das Auflageelement erlaubt Rückschlüsse auf die Auflagekraft der gegenüberliegenden Abtragseinheit. Auf diese Weise können die Andruckkraft und die Drehzahl in günstiger Weise aufeinander abgestimmt werden, so dass sich ein hoher Fortschritt bei geringem Verschleiß einstellt.
  • Grundsätzlich kann die Abtragseinheit in einem einfachen Ausführungsfall eine Scheibe mit am Umfang angeordneten Abtragszähnen sein. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die Abtragseinheit eine Trägerscheibe aufweist, an welcher mehrere Abtragswerkzeuge jeweils drehbar um eine Werkzeugachse gelagert sind. Die Abtragswerkzeuge können als Rollenmeißel ausgebildet sein. Auch andere Abtragswerkzeuge sind möglich, etwa Multihämmer (MHD). Die Werkzeugachsen können dabei beabstandet und quer zu der Exzenterachse der Trägerscheibe der Abtragseinheit angeordnet sein. Auf diese Weise können die rotierenden Abtragswerkzeuge am Bohrlochgrund abrollen. Dies verbessert noch weiter das Abtrags- und Verschleißverhalten. Die Abtragswerkzeuge können auch durch ein Getriebe in der Trägerscheibe rotierend angetrieben werden.
  • Diese Anordnung ist in bevorzugter Weise dadurch weitergebildet, dass die Abtragswerkzeuge jeweils mehrere angeordnete Abtragszähne aufweisen. Die Abtragszähne sind dabei radial vorstehend zum Außenumfang angeordnet. Die Abtragswerkzeuge weisen vorzugsweise eine Abtragsspitze auf, so dass im Wesentlichen ein punktförmiger, meißelartiger Kontakt zum Boden besteht. Im Gegensatz zu linienförmigen Schneidkanten wird hierdurch das Verschleißverhalten weiter verbessert.
  • Um eine hohe Abtragsleistung zu gewährleisten, ist es bevorzugt, dass die drehbaren Abtragswerkzeuge umlaufend zur Exzenterachse angetrieben sind. Die Umlaufbewegung der Abtragswerkzeuge ergibt sich somit nicht als eine Abrollbewegung aufgrund der Drehung des Bohrgerätes insgesamt, sondern wird gezielt durch einen Antrieb bewirkt, welcher vorzugsweise in der Trägerscheibe der Abtragseinheit angeordnet ist. Die Abtragswerkzeuge können auch Frässcheiben sein, welche planetenartig um die Exzenterachse umlaufend angetrieben werden.
  • Weiterhin ist nach der Erfindung bevorzugt, dass an der Stirnseite des Grundkörpers eine Absaugöffnung vorgesehen ist, über welche abgetragenes Bodenmaterial über eine Saugleitung von einer Bohrlochsohle absaugbar ist. Das Bohrgerät kann somit in einer mit Suspension oder Flüssigkeit gefüllten Bohrung arbeiten. Dies dient nicht nur dem Abstützen der Bohrlochwandung. Sondern die Flüssigkeit kühlt auch die Abtragswerkzeuge, was bei der Bearbeitung harten Gesteines vorteilhaft ist. Über die Saugöffnung kann das abgetragene Bodenmaterial zusammen mit umgebender Flüssigkeit über eine Saugleitung abgesaugt werden. Diese erstreckt sich durch den Grundkörper hindurch bis zur Rückseite des Grundkörpers. Dort befindet sich in der Regel ein Anschluss für eine Schlauchleitung, so dass das Bodenmaterial von der Sohle des Bohrloches nach über Tage abgepumpt werden kann. Dabei kann im Grundkörper selbst eine Pumpe angeordnet sein und/oder eine Pumpeinrichtung über Tage angeordnet werden.
  • Eine gute Führung und ein hoher Bohrfortschritt wird nach der Erfindung in bevorzugter Weise dadurch erreicht, dass an dem Grundkörper eine Drehmomentstütze angeordnet ist, mit welcher der Grundkörper gegenüber einer umgebenden Wand der Bohrung abstützbar ist.
  • Dabei ist es besonders bevorzugt, dass die Drehmomentstütze mehrere radial ausfahrbare Stützelemente aufweist. Das radiale Ausfahren kann mittels hydraulischer Zylinder oder durch eine entsprechende Hebelmechanik erfolgen. Hierdurch wird zumindest ein Teil des Grundkörpers so gegenüber der Bohrlochwandung abgestützt, dass Reaktionskräfte unmittelbar in die Bohrlochwandung eingeleitet werden können. Somit ist es nicht mehr zwingend erforderlich, ein Drehmoment über ein starres Bohrgestänge ausschließlich von über Tage an das Bohrgerät zuzuführen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn größere Bohrtiefen von 30 bis 100 m und tiefer abgeteuft werden.
  • Besonders zweckmäßig ist es dabei nach der Erfindung, dass der Grundkörper ein rückwärtiges Oberteil und ein stirnseitiges Unterteil aufweist, welche axial zueinander verschiebbar sind, dass an dem Oberteil die Drehmomentstütze und an dem Unterteil die Abtragseinheit angeordnet sind, und dass eine Verschiebeeinrichtung zum axialen Verschieben des Unterteiles relativ zum Oberteil vorgesehen ist. Das rückwärtige Oberteil des Grundkörpers kann somit über die Drehmomentstütze in radialer und/oder axialer Richtung gegenüber dem umgebenden Boden fixiert werden. Auf diese Weise kann über eine Verschiebeeinrichtung, welche insbesondere hydraulische Stellzylinder umfasst, eine axiale Druckkraft von dem Oberteil auf das darunterliegende Unterteil aufgebracht werden. Mit der Verschiebeeinrichtung kann so sehr exakt die Andruckkraft auf die Abtragseinheit eingestellt und gesteuert werden.
  • Grundsätzlich ist es nach der Erfindung weiterhin möglich, dass das Drehmoment über ein starres Bohrgestänge von über Tage zugeführt wird. Die Antriebseinheit kann dabei im einfachsten Fall ein Getriebe sein, welches von einem mittigen Bohrgestänge ein Drehmoment aufnimmt und dieses in entsprechende Abtriebsdrehmomente für die Abtragseinheit, insbesondere für die Abtragswerkzeuge umsetzt. Es kann so ein festes Verhältnis der Drehmomente und Drehzahlen zwischen den einzelnen drehbar angetriebenen Elementen der Abtragseinheit erreicht werden.
  • Besonders vorteilhaft ist es nach der Erfindung, dass die Antriebseinheit einen Motor umfasst, welcher mit hydraulischer und/oder elektrischer Energie versorgt ist. Der Motor kann dabei alternativ zur Zuführung des Drehmomentes von außen oder ergänzend vorgesehen sein. Die Energie wird von über Tage über eine elektrische Leitung oder hydraulische Leitungen zugeführt. Ein Motor setzt diese zugeführte Energie in eine mechanische Drehbewegung um. Dabei können nach der Erfindung auch mehrere Motoren vorgesehen sein, so dass insgesamt eine individuelle Einstellung der Drehzahlen und Drehmomente der einzelnen angetriebenen Elemente ermöglicht wird.
  • Schließlich wird die eingangs gestellte Aufgabe verfahrensmäßig noch durch ein Verfahren zum Erstellen einer vertikalen Bohrung gelöst, wobei ein Bohrgerät nach der vorbeschriebenen Erfindung eingesetzt wird. Mit dem Bohrgerät können so in besonders effizienter Weise Bohrungen in hartem Boden und Gestein hergestellt werden.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen weiter beschrieben, welche schematisch in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. In den Zeichnungen zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Bohrgerätes mit eingefahrenem Unterteil;
    Fig. 2
    eine schematische Seitenansicht des Bohrgerätes von Fig. 1 mit ausgefahrenem Unterteil;
    Fig. 3
    eine Teilquerschnittsansicht des erfindungsgemäßen Bohrgerätes gemäß Fig. 2; und
    Fig. 4
    eine Detailquerschnittsansicht der Abtragseinheit gemäß dem Schnitt A-A.
  • Gemäß den Figuren 1 und 2 ist ein erfindungsgemäßes Bohrgerät 10 dargestellt, welches einen etwa zylindrischen Grundkörper 12 mit einer Mittenachse 11 aufweist. Die Mittenachse 11 entspricht bei einem rotierenden Antrieb des Bohrgerätes 10 über eine Vierkant-Aufhängungseinrichtung 18 für eine Kellystange einer Bohrachse des sich bildenden Bohrloches.
  • Der Grundkörper 12 umfasst ein zylindrisches Oberteil 14 und ein zylindrisches Unterteil 16, welche zueinander axial verschiebbar gelagert sind. An einer Oberseite des kastenförmigen Oberteiles 14 ist die Aufhängeeinrichtung 18 zum Anschluss an ein Bohrgestänge befestigt. Von einer Unterseite des Oberteiles 14 erstreckt sich ein Mittenschaft 15 koaxial zur Mittenachse 11. Der rohrförmige Mittenschaft 15 ragt in eine hülsenförmige Aufnahme 17 hinein. Die hülsenförmige Aufnahme 17 und der Mittenschaft 15 sind axial zueinander verschiebbar, jedoch drehfest miteinander verbunden. Zur Begrenzung eines axialen Verfahrweges ist an dem Mittenschaft 15 ein ringförmiger Anschlag 13 angeordnet. Unterhalb des ringförmigen Anschlages 13 an einem unteren Schaftbereich 19 des Mittenschaftes 15 sind nicht dargestellte Axialstege zum Bilden der axial beweglichen Drehverbindung vorgesehen. Über drei um 120° versetzt zueinander angeordnete Hubzylinder 72 einer Verschiebeeinrichtung 70 ist das Unterteil 16 um einen Hub h gegenüber dem Oberteil 14 ausfahrbar, so dass sich eine axiale Länge des Bohrgerätes 10 vergrößert, wie in Fig. 2 dargestellt. Die Hubzylinder 72 sind mit ihrem Zylindergehäuse an einer Oberseite des Unterteiles 16 befestigt, während die Kolben 74 über einen nicht dargestellten Haltering an dem Oberteil 14 angebracht sind.
  • An einer Unterseite des Unterteiles 16 ist eine scheibenförmige Abtragseinheit 20 außermittig zur Mittenachse 11 angeordnet. Die Abtragseinheit 20 ist um eine radial zur Mittenachse 11 beabstandete Exzenterachse 22 drehbar gelagert und angetrieben. An einer Trägerscheibe 24 der Abtragseinheit 20 sind an der zum Boden gerichteten Unterseite walzenförmige Abtragswerkzeuge 26 drehbar um Werkzeugachsen 28 gelagert. An den Außenseiten der walzenförmigen Abtragswerkzeuge 26 sind nicht näher dargestellte Abtragszähne 30 zum Abtragen von Gestein oder hartem Bodenmaterial angeordnet.
  • Radial zur Mittenachse 11 gegenüberliegend ist an der kreisscheibenförmigen Unterseite des Unterteiles 14 ein Auflageelement 50 angeordnet. Das Auflageelement 50 umfasst einen axial nach unten vorstehenden Schaft 54, an welchem eine Umlaufrolle 52 angeordnet ist, welche um eine quer zur Mittenachse 11 gerichteten Rollenachse drehbar gelagert ist. Das Auflageelement 50 dient zum Abstützen und Ausgleichen der asymmetrisch angeordneten einzelnen Abtragseinheit 20, um einem Verkippen des Bohrgerätes 10 im Betrieb entgegenzuwirken.
  • An dem Auflageelement 50 kann eine Messeinrichtung vorgesehen sein, mit welcher eine Aufdruckkraft des Bohrgerätes 10 auf den Bohrlochgrund ermittelt werden kann. Auf diese Weise kann eine geeignete Andruckkraft über die Verschiebeeinrichtung 70 auf die Abtragseinheit 20 eingestellt werden.
  • Hierzu ist es weiterhin vorgesehen, dass an dem Oberteil 14 eine Drehmomentstütze 60 angeordnet ist, mit welcher das Oberteil 14 gegenüber der umgebenden Bohrlochwandung in Umfangsrichtung und in axialer Richtung abgestützt und festgelegt werden kann. Hierzu weist die Drehmomentstütze 60 drei um 120° um die Mittenachse 11 verteilt angeordnete, plattenförmige Stützelemente 62 auf, welche jeweils über zwei Stellhebel 64 radial ausstellbar an dem Mittenschaft 15 angelenkt sind. Zum Ausstellen beziehungsweise Einfahren ist an jedem Stützelement 62 ein Stellzylinder 66 angeordnet. Die Stellzylinder 66 sowie auch die Kolben 74 sind über geeignete, nicht dargestellte Halteringe jeweils mit dem Mittenschaft 15 verbunden.
  • Aufbau und Funktionsweise des erfindungsgemäßen Bohrgerätes 10 und insbesondere von dessen Antriebseinheit 40 wird weiter im Zusammenhang mit der Querschnittsansicht von Fig. 3 erläutert. Über die Aufhängevorrichtung 18 wird über ein nicht dargestelltes Bohrgestänge ein Drehmoment auf ein mittiges Sonnenrad 41 übertragen. Das Sonnenrad 41 treibt ein erstes Ritzel 42 an, welches drehfest mit einer zum Unterteil 16 führenden Antriebswelle 43 verbunden ist. Die Antriebswelle 43 umfasst ein Wellenoberteil 44, welches axial verschiebbar in eine hülsenförmige Aufnahme eines Wellenunterteiles 45 hineinragt, um entsprechend dem Hub h eine axiale Verschiebbarkeit des Unterteiles 16 relativ zum Oberteil 14 zu gewährleisten. Über ein Stirnradgetriebe 46 treibt das Wellenunterteil 45 einen Antriebsschaft 47 der Abtragseinheit 20 an. Hierzu weist der Antriebsschaft 47 ein Antriebsritzel 21 mit einer Bogenverzahnung auf.
  • Wie näher in Fig. 4 dargestellt ist, ist die Drehachse des Antriebsschaftes 47 koaxial zur Exzenterachse 22 der Abtragseinheit 20, wobei die Exzenterachse 22 in einem spitzen Winkel zur Mittenachse 11 des Bohrgerätes 10 angeordnet ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt der Winkel 5°. Durch diese Schrägstellung der rotierend um die Exzenterachse 22 angetriebenen Abtragseinheit 20 wird ein verbesserter Bodenabtrag und ein geringerer Verschleiß der Abtragswerkzeuge 26 erzielt.
  • Das abgetragene Bodenmaterial wird über eine Absaugöffnung 38 an der Unterseite des Unterteiles 16 über eine sich durch das gesamte Bohrgerät 10 erstreckende Absaugleitung 39 unter Unterstützung eines eine Saugwirkung bewirkenden Turbinenrades 49 nach oben abgesaugt. Das Turbinenrad 49 wird über ein zweites Ritzel 48 von dem Sonnenrad 41 angetrieben. Die Absaugleitung 39 kann für die Aufhängeeinrichtung 18 im Inneren des Bohrgestänges nach oben geführt sein, oder an einer Oberseite des Oberteiles 14 über einen Leitungsanschluss mit einer Schlauchleitung verbunden sein.

Claims (14)

  1. Bohrgerät zum Erstellen einer vertikalen Bohrung mit
    - einem Grundkörper (12),
    - einer an einer Rückseite des Grundkörpers (12) angeordneten Aufhängeeinrichtung (18) zum Aufhängen des Bohrgerätes (10) in der Bohrung,
    - einer um eine Exzenterachse (22) drehbar gelagerten Abtragseinheit (20), welche an einer Stirnseite des Grundkörpers (12) exzentrisch zu einer Mittenachse (11) des Grundkörpers (12) angeordnet und umlaufend um die Mittenachse (11) gelagert ist, und
    - einer Antriebseinheit (40) zum rotierenden Antreiben der Abtragseinheit (20) um die Exzenterachse (22),
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass die Abtragseinheit (20) scheibenförmig ausgebildet ist und
    - dass die Exzenterachse (22) der scheibenförmigen Abtragseinheit (20) angewinkelt in einem spitzen Winkel zur Bohrlochachse und/oder zu der Mittenachse (11) des Grundkörpers (12) angeordnet ist.
  2. Bohrgerät nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass an der Stirnseite des Grundkörpers (12) neben der Abtragseinheit (20) mindestens ein Auflageelement (50) angeordnet ist, welches zum Aufliegen auf einem Grund der Bohrung ausgebildet ist.
  3. Bohrgerät nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass eine Messeinrichtung an dem Auflageelement (50) zum Bestimmen einer Auflagekraft des Bohrgerätes (10) vorgesehen ist.
  4. Bohrgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Abtragseinheit (20) eine Trägerscheibe (24) aufweist, an welcher mehrere Abtragswerkzeuge (26) jeweils drehbar um eine Werkzeugachse (28) gelagert sind.
  5. Bohrgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Abtragswerkzeuge (26) jeweils mehrere angeordnete Abtragszähne (30) aufweisen.
  6. Bohrgerät nach Anspruch 4 oder 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Werkzeugachsen (28) der Abtragswerkzeuge (26) versetzt und/oder quer zur Exzenterachse (22) angeordnet sind.
  7. Bohrgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die drehbaren Abtragswerkzeuge (26) planetenartig umlaufend zur Exzenterachse (22) angetrieben sind.
  8. Bohrgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass an der Stirnseite des Grundkörpers (12) eine Absaugöffnung (38) vorgesehen ist, über welche abgetragenes Bodenmaterial über eine Saugleitung (39) von einer Bohrlochsohle absaugbar ist.
  9. Bohrgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass an dem Grundkörper (12) eine Drehmomentstütze (60) angeordnet ist, mit welcher der Grundkörper (12) gegenüber einer umgebenden Wand der Bohrung abstützbar ist.
  10. Bohrgerät nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Drehmomentstütze (60) mehrere radial ausfahrbare Stützelemente (62) aufweist.
  11. Bohrgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Grundkörper (12) ein rückwärtiges Oberteil (14) und ein stirnseitiges Unterteil (16) aufweist, welche axial zueinander verschiebbar sind, dass an dem Oberteil (14) die Drehmomentstütze (60) und an dem Unterteil (16) die Abtragseinheit (20) angeordnet sind, und
    dass eine Verschiebeeinrichtung (70) zum axialen Verschieben des Unterteiles (16) relativ zum Oberteil (14) vorgesehen ist.
  12. Bohrgerät nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass an dem Oberteil (14) des Grundkörpers (12) die Antriebseinheit (40) vorgesehen ist.
  13. Bohrgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Antriebseinheit (40) einen Motor umfasst, welcher mit hydraulischer und/oder elektrischer Energie versorgt ist.
  14. Verfahren zum Erstellen einer vertikalen Bohrung,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass ein Bohrgerät (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 eingesetzt wird.
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