EP2984273B1 - Verfahren zur meissellosen erstellung von bohrlöchern für tiefbohrungen sowie meisselloses bohrsystem zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zur meissellosen erstellung von bohrlöchern für tiefbohrungen sowie meisselloses bohrsystem zur durchführung des verfahrens Download PDF

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EP2984273B1
EP2984273B1 EP14723976.8A EP14723976A EP2984273B1 EP 2984273 B1 EP2984273 B1 EP 2984273B1 EP 14723976 A EP14723976 A EP 14723976A EP 2984273 B1 EP2984273 B1 EP 2984273B1
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EP
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chisel
drilling system
borehole
drill head
less
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Pro4innovation Ug
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    • E21B33/00—Sealing or packing boreholes or wells
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    • E21B33/138—Plastering the borehole wall; Injecting into the formation
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    • E21B47/06—Measuring temperature or pressure
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    • E21B49/00—Testing the nature of borehole walls; Formation testing; Methods or apparatus for obtaining samples of soil or well fluids, specially adapted to earth drilling or wells
    • E21B49/003—Testing the nature of borehole walls; Formation testing; Methods or apparatus for obtaining samples of soil or well fluids, specially adapted to earth drilling or wells by analysing drilling variables or conditions
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    • 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
    • E21B7/24—Drilling using vibrating or oscillating means, e.g. out-of-balance masses

Definitions

  • the invention relates to a method for chisel-free creation of wells for deep wells by means of high-pressure water jet cutting. Furthermore, the invention relates to a chisel-free drilling system for carrying out the method.
  • a drilling turbine which is located directly above the drill bit.
  • the drill string adjoining the drill bit counter to the drilling direction does not rotate with the drill bit in this method, but only serves for the bit feed and the supply of the rinsing liquid.
  • Drill bits with diamond or tungsten carbide fillings have a shelf life of 70 to 100 hours under normal soil conditions. Then, to replace and refurbish the drill bit, the entire drill string must be pulled out of the wellbore and disassembled to subsequently be lowered back into the wellbore with the new drill bit. Thus, in the conventional deep drilling method results in a discontinuous course of the drilling process.
  • the wellbore To prevent the wellbore from collapsing, the wellbore must be supported, which is done by conventional tubing drilling. This is done in stages with decreasing pipe diameter such that, for example, at a depth of 3000 m deep oil well, a first reaching to a depth of 5 m pipe with an outer diameter of 473 mm is introduced. After a drilling depth of 150 m, a casing or casing called a 340 mm outer diameter is pushed in to the bottom of the hole and the gap between the borehole wall and the casing is filled with cement slurry. At a drilling depth of 1500 m and a final depth of 3000 m, further casings with casing pipes each have a smaller outer diameter than the previous casing pipes, so that the outer diameter of the last casing after reaching the final depth is only 140 mm.
  • a generic alternative deep drilling method is for example from the DE 10 2010 005 264 A1 Known in which the creation of the wellbore is done chiseless by means of water jet cutting.
  • Drilling head for carrying out this known method is annular and has a plurality of juxtaposed water outlet nozzles. With this annular drill head, only a rock formation, but not the entire borehole diameter, is comminuted in the manner of a core drilling machine. After reaching a predeterminable depth of 5 m or 10 m radially inwardly facing water outlet nozzle are activated on the drill head to radially cut free the core along its outer surface exposed core. Then the cut core is pulled up out of the hole. The lining of the borehole takes place in this known method via a respective arc of 120 ° spanning sub-segments.
  • this chisel-free drilling process works discontinuously, as the cut cores each have to be removed from the well.
  • the borehole must have a very large minimum diameter to to have the appropriate scope for the transport of the cores.
  • the US 3,251,424 relates to a method and apparatus for drilling a well into the earth by means of high velocity water jets.
  • the water jets are generated in the form of pulses with alternating high and low acoustic pressures and passed into the soil to be removed.
  • the flushing medium is supplied from outside the borehole (passive boring head).
  • the flushing medium is increased in terms of its discharge pressure due to the passage through holes, but is only at 6,700 psi, which corresponds to about 462 bar.
  • Soil can be flushed out of a well.
  • a water jet cutting can not be carried out in this way, however, because pressures from 4,000 bar are needed for this purpose. These can not be provided.
  • the invention has for its object to provide a process for the chisel without creation of holes for deep wells, that a substantially continuous drilling operation possible.
  • the solution to this problem is inventively characterized by a combination of the process high-pressure water jet cutting with high-frequency Steinzertrümm réelle.
  • High-pressure water jet cutting is understood to mean the cutting or severing of the rock with a jet of water or several high-pressure water jets.
  • Such water jets can have a pressure from 1,000 bar. Preferably, pressures of 4,000 to 6,000 bar are used.
  • An abrasive can be added to the water in order to increase the cutting performance, which is preferably done only at pressures above 3,000 bar. These water jets reach discharge speeds of up to 1000 m / s.
  • the inventive combination of high pressure water jet cutting with high frequency stone fragmentation it is possible to provide an efficient and continuous drilling method, wherein the high frequency stone fragmentation is alternately to high pressure water jet cutting or operated in parallel to use the most effective way, the break up the rock layer to be drilled.
  • the invention proposes that the pressures for the high-pressure water jet cutting process and the frequencies of the high-frequency rock fragmentation be variably adjusted are.
  • the inner wall of the borehole is continuous with a reinforcement, for example a fiber reinforced shotcrete, lined.
  • a reinforcement for example a fiber reinforced shotcrete
  • a drilling system according to the invention for carrying out the chisel-free drilling method according to the invention is characterized in that sonotrodes for transmitting high-frequency vibrations are arranged on the front end side of the drill head in addition to the water outlet nozzles for the high-pressure water jet cutting.
  • the drill head or at least a front plate of the drill head provided with the water outlet nozzles and the sonotrodes, is designed to be rotatable about the central axis in order to produce a uniform and substantially full-surface treatment of the rock to be drilled over the entire borehole diameter to ensure.
  • At least one safety module and at least one borehole lining module be arranged in the drilling direction behind the drill head.
  • the individual components can be arranged rigidly or movably one behind the other relative to one another.
  • Security module at least one locking element for positive locking of the bore hole inside diameter and clamping elements for non-positive fixing of the drilling system in the borehole.
  • the positive closure of the borehole diameter can be done, for example, with an expander ring which closes the borehole to the overpressure then be able to reduce controlled by suitable pressure valves.
  • the clamping elements, with which the entire drilling system can claw in a non-positive manner in the borehole, are designed according to the invention, for example, as radially upwardly and outwardly pointing barbs which fix the drilling system in the respective position in the borehole.
  • the borehole lining module has spray nozzles for applying a hardening medium, such as concrete, as well as a reinforcing fabric laying device.
  • a hardening medium such as concrete
  • the borehole wall serving hybrid material consisting of a reinforcing fiber and a thermosetting medium preferably carbon fibers and concrete are used.
  • the deployment of the fiber braid can be carried out according to the invention via a cone, via which the reinforcing fiber can be applied directly to the borehole wall, in order to be subsequently wetted with the hardening medium can.
  • the lining of the borehole can be single-layered or multi-layered.
  • the supply of the drilling system according to the invention consisting of the drill head, the safety module and the Bohrlochaus modeemodul advantageously via flexible pipe and / or hose lines through which the drilling system is connected to utilities outside the borehole, wherein the pipe and / or hose lines for supply and Removal of the drilling system related materials and to supply the electrical supply lines serve.
  • Each individual line of this flexible pipe and / or hose lines is preferably designed as an endless line that can be kept ready on drums.
  • the drive and the steering and control device for the drill head are arranged directly on the drill head.
  • the pumps for high pressure water jet cutting and for the suction of the flushing medium at the drill head and / or arranged on the security module are provided.
  • data lines e.g. a bus system via which the drill head and / or the safety module and / or the borehole lining module are connected to an out-of-well stand.
  • all environmental parameters in the borehole can be determined via the data lines in addition to the system parameters, such as feed rate and pump pressure, via sensors coupled to the data lines and can be transmitted to the workstation for controlling the drilling system.
  • Fig. 1 shows a drilling system 1 for vertical deep wells, which consists essentially of a drill head 2, a safety module 3 and a borehole lining module 4, wherein the individual assemblies 2, 3 and 4, depending on the application, are arranged rigidly or movably one behind the other.
  • the supply of existing from the drill head 2, the safety module 3 and the Bohrlochaus schemeemodul 4 drilling system 1 via flexible pipe and / or hose lines 6, via the drilling system 1 with utilities 7 outside of the borehole 5 is connected.
  • the pipe and / or hose lines 6, which are used for supplying and discharging the drilling system 1 relevant materials and for supplying the electrical supply lines, the individual pipe and / or hose lines 6 are formed as an endless line that can be kept on drums.
  • the individual pipe and / or hose lines 6 are connected at intervals with spacers and thus form a supply line, which is guided into the borehole 5.
  • steel cables are preferably carried, which are stored outside of the borehole 5 accordingly.
  • floating body it is possible to specify floating body to the pipe and / or hose assemblies 6, the absorb the tensile load, since the borehole 5 is under water during the drilling process.
  • water outlet nozzles 8 for the high-pressure water jet cutting and sonotrodes 9 for transmitting high-frequency vibrations for the high-frequency stone fragmentation are arranged on the front end side of the drill head 2.
  • the entire boring head 2 In order to ensure uniform and substantially full-surface machining of the rock to be drilled over the entire borehole diameter, the entire boring head 2, or at least a face plate 10 of the boring head 2 provided with the water outlet nozzles 8 and the sonotrodes 9, is rotatable about the central axis.
  • suction openings 17 are provided in the face plate 10, via which the drilling mud can be sucked off and pumped out of the borehole 5 through the pipe and / or hose lines 6.
  • the drill head 2 which are each coupled to a consisting of a sonotrode 9 and an amplitude transformer amplifying unit.
  • a sonotrode 9 In order to protect the sonotrodes 9 from wear, they are advantageously coated, for example with polycrystalline diamond.
  • the pumps for the high-pressure water jet cutting and for the suction of the flushing medium are arranged on the drill head 2 and / or on the security module 3.
  • an abrasive such as quartz sand, can be added to the water jet, which is supplied to the drill head 2 via the flexible pipe and / or hose lines 6 and mixed with the water jet in the water outlet nozzle 8 To keep the wear on the lines as low as possible.
  • the addition of the abrasive can be done continuously or only temporarily.
  • the borehole lining module 4 has spray nozzles 11 for applying a hardening medium, such as concrete, as well as a reinforcing fabric laying device 12.
  • carbon fibers and concrete are used to make the borehole lining lining, but other fiber materials and other hardening media, such as plastics, may also be used to make the hybrid material.
  • the Arm istsgewebeverlegevoriques 12 for deploying the fiber braid can be done for example via a cone over which the reinforcing fiber can be applied directly to the borehole wall, in order to be subsequently wetted with the hardening medium can.
  • the lining of the borehole 5 can be single-layered or multi-layered.
  • the curing time of the concrete can be accelerated. In deeper regions with a higher earth temperature, the hardening time is shortened by the temperature rise alone.
  • the mixing of the concrete supplied via the pipe and / or hose lines 6 with the additives also supplied via the pipe and / or hose lines 6 takes place only at the borehole lining module 4 in order to avoid hardening in the supply lines.
  • a finished well casing 18 is shown schematically in FIG Fig. 3 shown.
  • the safety module 3 serves, in the event of a sudden increase in pressure in the borehole 5, for example by drilling a gas bubble, on the one hand to prevent uncontrolled escape of the gas from the borehole 5 and on the other hand to prevent the entire drilling system 1 from rising due to the pressure rise the borehole 5 can be pushed.
  • the security module 3 has at least one blocking element 13 for the positive closing of the inner diameter of the borehole as well as clamping elements 14 for frictional fixing of the drilling system 1 in the borehole 2.
  • the positive locking of the borehole diameter over the blocking element 13 can, for example, take place with an expander ring which closes the borehole 5 in order to then be able to reduce the overpressure in a controlled manner by means of suitable pressure valves.
  • the drive and the steering and control device for the drill head 2 are arranged on the drill head 2.
  • the drive for the drill head 2 as arranged on the outside of the drill head 2 caterpillar drive 15 is formed.
  • all environmental parameters in the borehole 5 can be determined and transmitted to the control of the drilling system 1 to the workstation 16.
  • the control of the drilling system 1 can be arranged on only one of the components drill head 2, safety module 3 or borehole lining module 4 or distributed over a plurality of the components 2, 3 and 4.
  • the complete drilling system 1 remains in the hole 5 after completion of the drilling operation and can be used after the capping of the supply lines via the existing data lines for data exchange with the workstation 16.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur meißellosen Erstellung von Bohrlöchern für Tiefbohrungen mittels Hochdruck-Wasserstrahlschneidens. Weiterhin betrifft die Erfindung ein meißelloses Bohrsystem zur Durchführung des Verfahrens.
  • Die Erstellung von Bohrlöchern für vertikale Tiefbohrungen, das heißt Bohrungen, die in eine Tiefe von über 500 m in den Boden getrieben werden, erfolgt in der Praxis nach dem sogenannten Rotary-Verfahren, bei dem mittels eines sich drehenden Meißels das zu durchbohrende Gestein schabend zerkleinert wird und durch eine Spülflüssigkeit, die durch das Bohrgestänge nach unten gepumpt wird, kontinuierlich abgeführt wird.
  • Bei sehr tiefen Bohrungen kommt zumeist eine Bohrturbine zum Einsatz, die direkt über dem Bohrmeißel angeordnet ist. Das sich entgegen der Bohrrichtung an den Bohrmeißel anschließende Bohrgestänge dreht sich bei diesem Verfahren nicht mit dem Bohrmeißel, sondern dient nur dem Meißelvorschub sowie der Zufuhr der Spülflüssigkeit.
  • Bohrmeißel mit Diamant- oder Hartmetallbesatz haben bei üblichen Bodenverhältnissen eine Haltbarkeit von 70 bis 100 Stunden. Dann muss zum Austausch und zur Aufarbeitung des Bohrmeißels der gesamte Bohrstrang aus dem Bohrloch gezogen und zerlegt werden, um nachfolgend mit dem neuen Bohrmeißel wieder in das Bohrloch abgesenkt zu werden. Somit ergibt sich bei dem herkömmlichen Tiefbohrverfahren ein diskontinuierlicher Verlauf des Bohrvorgangs.
  • Um zu verhindern, dass das Bohrloch einstürzt, muss das Bohrloch abgestützt werden, was bei den konventionellen Tiefbohrungen durch Verrohren erfolgt. Dies erfolgt in Etappen mit abnehmendem Rohrdurchmesser derart, dass beispielsweise bei einer 3000 m tiefen Erdölbohrung zunächst ein bis in eine Tiefe von 5 m reichendes Rohr mit einem Außendurchmesser von 473 mm eingebracht wird. Nach 150 m Bohrtiefe wird ein Futterrohr oder Casing genanntes Rohr mit einem Außendurchmesser von 340 mm bis zur Bohrsohle eingeschoben und der Zwischenraum Bohrlochwand und Futterrohr mit einer Zementbrühe verfüllt. Bei 1500 m Bohrtiefe sowie der Endtiefe von 3000 m erfolgen weitere Verrohrungen mit Futterrohren die jeweils einen geringeren Außendurchmesser als die vorherigen Futterrohre aufweisen, so dass der Außendurchmesser des letzten Futterrohrs nach Erreichen der Endtiefe nur noch 140 mm beträgt.
  • Zwar hat sich dieses bekannte Tiefbohrverfahren in der Praxis bewährt, jedoch sind aufgrund des diskontinuierlichen Bohrens und der stetigen Aufarbeitung bzw. Neubereitstellung der Bohrmeißel sowie des Bohrgestänges die Kosten für derartige Tiefbohrungen ausgesprochen hoch.
  • Ein gattungsgemäßes alternatives Tiefbohrverfahren ist beispielsweise aus der DE 10 2010 005 264 A1 bekannt, bei dem das Erstellen des Bohrlochs meißellos mittels Wasserstrahlschneidens erfolgt. Bohrkopf zur Durchführung dieses bekannten Verfahrens ist ringförmig ausgebildet und weist eine Vielzahl nebeneinander angeordneter Wasseraustrittsdüsen auf. Mit diesem ringförmigen Bohrkopf wird nach der Art einer Kernbohrmaschine nur ein Gesteinsring, nicht aber der gesamte Bohrlochdurchmesser zerkleinert. Nach Erreichen einer vorgebbaren Tiefe von 5 m oder 10 m werden radial nach innen weisende Wasseraustrittsdüse am Bohrkopf aktiviert, um den entlang seiner Mantelfläche freigelegten Bohrkern radial freizuschneiden. Anschließend wird der freigeschnittene Bohrkern nach oben aus dem Bohrloch gezogen. Das Auskleiden des Bohrlochs erfolgt bei diesem bekannten Verfahren über jeweils einen Bogen von 120° umspannende Teilsegmente.
  • Auch dieses meißellose Bohrverfahren arbeitet diskontinuierlich, da die freigeschnittenen Bohrkerne jeweils aus dem Bohrloch entfernt werden müssen. Darüber hinaus muss das Bohrloch einen sehr großen Mindestdurchmesser aufweisen, um die entsprechenden Handlungsfreiräume für den Transport der Bohrkerne zu haben.
  • Die US 3,251,424 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bohren eines Bohrlochs in die Erde mittels Wasserstrahlen hoher Geschwindigkeit. Die Wasserstrahlen werden in Form von Impulsen mit abwechselnd hohen und niedrigen akustischen Drücken erzeugt und in das abzutragende Erdreich geleitet. Das Spülmedium wird von außerhalb des Bohrlochs zugeführt (Passivbohrkopf). Das Spülmedium wird aufgrund der Durchführung durch Löcher hinsichtlich seines Austrittsdrucks erhöht, liegt jedoch lediglich bei 6.700 psi, was ca. 462 bar entspricht. Somit kann mittels des Verfahrens und mittels der Vorrichtung der US 3,251,424 Erdreich aus einem Bohrloch ausgespült werden. Ein Wasserstrahlschneiden kann auf diese Art und Weise jedoch nicht durchgeführt werden, weil hierzu Drücke ab 4.000 bar benötigt werden. Diese können nicht bereitgestellt werden.
  • Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur meißellosen Erstellung von Bohrlöchern für Tiefbohrungen zu schaffen, dass einen im Wesentlichen kontinuierlichen Bohrbetrieb ermöglicht.
  • Die Lösung dieser Aufgabenstellung ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine Kombination des Prozesses Hochdruck-Wasserstrahlschneiden mit Hochfrequenz-Steinzertrümmerung.
  • Unter Hochdruck-Wasserstrahlschneiden wird das Zerschneiden oder Zertrennen des Gesteins mit einem Wasserstrahl oder mehreren Wasserstrahlen mit hohem Druck verstanden. Derartige Wasserstrahlen können einen Druck ab 1.000 bar aufweisen. Vorzugsweise werden Drücke von 4.000 bis 6000 bar eingesetzt. Dem Wasser kann ein Abrasivmittel zugesetzt werden, um die Schneidleistung zu erhöhen, was vorzugsweise erst bei Drücken ab 3.000 bar geschieht. Diese Wasserstrahlen erreichen Austrittsgeschwindigkeiten von bis zu 1000 m/s.
  • Durch die erfindungsgemäße Kombination des Hochdruck-Wasserstrahlschneidens mit der Hochfrequenz-Steinzertrümmerung ist es möglich, eine effizient und kontinuierlich arbeitendes Bohrverfahren bereitzustellen, wobei die Hochfrequenz-Steinzertrümmerung alternierend zum Hochdruck-Wasserstrahlschneiden oder parallel dazu betreibbar ist, um die jeweils effektivste Möglichkeit zu nutzen, die zu durchbohrende Gesteinsschicht aufzubrechen.
  • Um die Prozesse des Hochdruck-Wasserstrahlschneidens und der Hochfrequenz-Steinzertrümmerung bestmöglich aufeinander und auf die vor Ort im Bohrloch erforderlichen Bedingungen anpassen zu können, wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass die Drücke für das Hochdruck-Wasserstrahlschneidprozesses sowie die Frequenzen der Hochfrequenz-Steinzertrümmerung variabel einstellbar sind.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Innenwand des Bohrlochs kontinuierlich mit einer Armierung, beispielsweise einem faserverstärkten Spritzbeton, ausgekleidet. Durch dieses kontinuierliche Auskleiden des Bohrlochs direkt nach dem Bohren wird der gesamte Bohrvorgang noch effizienter, da auch hier auf Unterbrechungen verzichtet werden kann, wie diese beispielsweise bei der aus der Praxis bekannten Verrohrung der Bohrlöcher erforderlich sind.
  • Ein erfindungsgemäßes Bohrsystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen meißellosen Bohrverfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass an der vorderen Stirnseite des Bohrkopf zusätzlich zu den Wasseraustrittsdüsen für das Hochdruck-Wasserstrahlschneiden Sonotroden zur Übertragung hochfrequenter Schwingungen angeordnet sind.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Bohrkopf, zumindest aber eine mit den Wasseraustrittsdüsen sowie den Sonotroden versehene Stirnplatte des Bohrkopfes, um die Mittelachse rotierbar ausgebildet ist, um eine gleichmäßige und im Wesentlichen vollflächige Bearbeitung des zu durchbohrenden Gesteins über den gesamten Bohrlochdurchmesser zu gewährleisten.
  • Mit einer praktischen Ausführungsform zur Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Bohrsystems wird vorgeschlagen, dass in Bohrrichtung hinter dem Bohrkopf mindestens ein Sicherheitsmodul sowie mindestens ein Bohrlochauskleidemodul angeordnet sind. Die einzelnen Baugruppen können je nach Anwendungsfall starr oder relativ zueinander beweglich hintereinander angeordnet sein.
  • Um im Falle eines plötzlichen Druckanstiegs im Bohrloch, beispielsweise durch das Anbohren einer Gasblase, einerseits ein unkontrolliertes Austreten des Gases aus dem Bohrloch zu verhindern und andererseits zu verhindern, dass das gesamte Bohrsystem durch den Druckanstieg nach oben aus dem Bohrloch geschoben werden kann, weist das Sicherheitsmodul mindestens ein Sperrelement zum formschlüssigen Verschließen des Bohrlochinnendurchmessers sowie Klemmelemente zum kraftschlüssigen Festlegen des Bohrsystems im Bohrloch auf.
  • Das formschlüssige Verschließen des Bohrlochdurchmessers kann beispielsweise mit einem Expanderring erfolgen, der das Bohrloch verschließt, um den Überdruck dann über geeignete Druckventile kontrolliert abbauen zu können. Die Klemmelemente, mit denen sich das gesamte Bohrsystem kraftschlüssig im Bohrloch verkrallen kann, sind erfindungsgemäße beispielsweise als radial nach oben und außen weisende Widerhaken ausgebildet, die das Bohrsystem in der jeweiligen Position im Bohrloch fixieren.
  • Zur Sicherung des Bohrlochs wie auch zur Abschirmung des Bohrlochs zu Grundwasser führenden Schichten wird das Bohrloch direkt nach dem Bohren kontinuierlich ausgekleidet. Hierzu weist das erfindungsgemäße Bohrlochauskleidemodul Spritzdüsen zum Auftragen eines aushärtenden Mediums, wie beispielsweise Beton, sowie eine Armierungsgewebeverlegevorrichtung auf. Zur Ausbildung dieses zur Auskleidung der Bohrlochwand dienenden Hybridwerkstoffs, bestehend aus einer Armierungsfaser sowie einem aushärtenden Medium werden vorzugsweise Kohlenstofffasern und Beton verwendet. Das Ausbringen des Fasergeflechts kann erfindungsgemäß über einen Konus erfolgen, über den die Armierungsfaser direkt auf die Bohrlochwand aufgebracht werden kann, um anschließend mit dem aushärtenden Medium benetzt werden zu können. Je nach Anforderung kann die Auskleidung des Bohrlochs einlagig oder mehrlagig erfolgen.
  • Alternativ zu den genannten Kohlenstofffasern und dem Beton als aushärtendem Medium können selbstverständlich auch andere Faserstoffe und andere aushärtende Medien zum Auskleiden des Bohrlochs verwendet werden.
  • Die Versorgung des erfindungsgemäßen Bohrsystems, bestehend aus der Bohrkopf, dem Sicherheitsmodul sowie dem Bohrlochauskleidemodul erfolgt vorteilhafterweise über flexible Rohr- und/oder Schlauchleitungen, über die das Bohrsystem mit Versorgungseinrichtungen außerhalb des Bohrlochs verbunden ist, wobei die Rohr- und/oder Schlauchleitungen zur Zufuhr und Abfuhr der das Bohrsystem betreffenden Materialen sowie zur Zuleitung der elektrischen Versorgungsleitungen dienen. Jede Einzelleitung dieser flexiblen Rohr- und/oder Schlauchleitungen ist dabei vorzugsweise als Endlosleitung ausgebildet, die auf Trommeln bereitgehalten werden können.
  • Weiterhin wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass der Antrieb sowie die Lenk- und Steuerungsvorrichtung für den Bohrkopf direkt am Bohrkopf angeordnet sind.
  • Um das erfindungsgemäße Bohrsystem möglichst unabhängig von außerhalb des Bohrlochs angeordneten Versorgungsstationen zu machen, sind gemäß einer praktischen Ausführungsform der Erfindung die Pumpen für das Hochdruck-Wasserstrahlschneiden sowie für das Absaugen des Spülmediums am Bohrkopf und/oder am Sicherheitsmodul angeordnet.
  • In den flexiblen Rohr- und/oder Schlauchleitungen, über die das Bohrsystem mit Versorgungseinrichtungen außerhalb des Bohrlochs verbunden ist, befinden sich zusätzlich zu den elektrischen Versorgungsleitungen auch Datenleitungen, z.B. ein Bus-System, über die der Bohrkopf und/oder das Sicherheitsmodul und/oder das Bohrlochauskleidemodul mit einem Arbeitsstand außerhalb des Bohrlochs verbunden sind.
  • Erfindungsgemäß sind über die Datenleitungen zusätzlich zu den Systemparametern, wie beispielsweise Vorschubgeschwindigkeit und Pumpendruck, über mit den Datenleitungen gekoppelte Sensoren sämtliche Umgebungsparameter im Bohrloch, wie beispielsweise Temperatur, Druck, Gesteinsdichte und dergleichen, ermittelbar und zur Steuerung des Bohrsystems an den Arbeitsstand übermittelbar.
  • Schließlich wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass zur Erzeugung der Hochfrequenzimpulse für die Hochfrequenz-Steinzertrümmerung Piezoelemente im Bohrkopf angeordnet sind, die jeweils mit einer aus einer Sonotrode sowie einem Amplitudentransformator bestehenden Verstärkungseinheit gekoppelt sind.
  • Aufgrund der Ausstattung des Bohrsystems mit den Piezoelementen und Sonotroden zur Erzeugung der Hochfrequenzimpulse ist es nach Erreichen der Zielbohrtiefe möglich, mit Hilfe der Hochfrequenz-Steinzertrümmerung das Gestein in der Art des Frackings, jedoch ohne Chemikalieneinsatz aufzubrechen.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der zugehörigen Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen meißellosen Bohrsystems nur beispielhaft dargestellt ist, ohne die Erfindung auf dieses Ausführungsbeispiel zu beschränken. In den Zeichnungen zeigt:
    • Fig. 1
    eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen meißellosen Bohrsystems;
    Fig. 2
    eine Vorderansicht des Bohrkopfes gemäß Fig. 1 und
    Fig. 3
    eine Ansicht gemäß Fig. 1, jedoch das Bohrsystem in einem Bohrloch zeigend.
  • Fig. 1 zeigt ein Bohrsystem 1 für vertikale Tiefbohrungen, das im Wesentlichen aus einem Bohrkopf 2, einem Sicherheitsmodul 3 sowie einem Bohrlochauskleidemodul 4 besteht, wobei die einzelnen Baugruppen 2, 3 und 4 je nach Anwendungsfall starr oder relativ zueinander beweglich hintereinander angeordnet sind.
  • Auch wenn es vertikale Tiefbohrungen heißt, ist es mit dem nachfolgend beschriebenen Verfahren sowie Bohrsystem 1 möglich, den Bohrverlauf auch aus der Vertikalen heraus bis in einen horizontalen Verlauf zu steuern, wenn dies erforderlich ist. Die Hauptbohrrichtung ist aber die tiefe Vertikalbohrung.
  • Wie aus der in Fig. 3 dargestellten Anordnung des in einem Bohrloch 5 angeordneten Bohrsystems 1 ersichtlich, erfolgt die Versorgung des aus der Bohrkopf 2, dem Sicherheitsmodul 3 sowie dem Bohrlochauskleidemodul 4 bestehenden Bohrsystems 1 über flexible Rohr- und/oder Schlauchleitungen 6, über die das Bohrsystem 1 mit Versorgungseinrichtungen 7 außerhalb des Bohrlochs 5 verbunden ist. Die Rohr- und/oder Schlauchleitungen 6, die zur Zufuhr und Abfuhr der das Bohrsystem 1 betreffenden Materialen sowie zur Zuleitung der elektrischen Versorgungsleitungen dienen, sind die einzelnen Rohr- und/oder Schlauchleitungen 6 als Endlosleitung ausgebildet, die auf Trommeln bereitgehalten werden können.
  • Die einzelnen Rohr- und/oder Schlauchleitungen 6 werden in bestimmten Abständen mit Abstandshalterungen verbunden und bilden so ein Zuleitungspaket, das in das Bohrloch 5 geführt wird. Um die Zugkräfte, die durch das Eigengewicht der Rohr- und/oder Schlauchleitungen 6 und das Gewicht des Bohrsystems 1 entstehen aufnehmen zu können, werden vorzugsweise Stahlseile mitgeführt, die außerhalb des Bohrlochs 5 entsprechend gelagert sind. Weiterhin besteht die Möglichkeit, Schwimmkörper an den Rohr- und/oder Schlauchleitungen 6 festzulegen, die die Zugbelastung aufnehmen, da das Bohrloch 5 während des Bohrvorgangs unter Wasser steht.
  • Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind an der vorderen Stirnseite des Bohrkopf 2 Wasseraustrittsdüsen 8 für das Hochdruck-Wasserstrahlschneiden sowie Sonotroden 9 zur Übertragung hochfrequenter Schwingungen für die Hochfrequenz-Steinzertrümmerung angeordnet.
  • Um eine gleichmäßige und im Wesentlichen vollflächige Bearbeitung des zu durchbohrenden Gesteins über den gesamten Bohrlochdurchmesser zu gewährleisten, ist der gesamte Bohrkopf 2, zumindest aber eine mit den Wasseraustrittsdüsen 8 sowie den Sonotroden 9 versehene Stirnplatte 10 des Bohrkopfes 2, um die Mittelachse rotierbar ausgebildet.
  • Zum Absaugen des beim Bohrvorgang anfallenden Bohrschlamms sind in der Stirnplatte 10 Absaugöffnungen 17 vorgesehen, über die der Bohrschlamm abgesaugt und durch die Rohr- und/oder Schlauchleitungen 6 aus dem Bohrloch 5 gepumpt werden kann.
  • Zur Erzeugung der Hochfrequenzimpulse für die Hochfrequenz-Steinzertrümmerung sind Piezoelemente im Bohrkopf 2 angeordnet, die jeweils mit einer aus einer Sonotrode 9 sowie einem Amplitudentransformator bestehenden Verstärkungseinheit gekoppelt sind. Um die Sonotroden 9 vor Verschleiß zu schützen, werden diese vorteilhafterweise beschichtet, beispielsweise mit polykristallinem Diamant.
  • Die Pumpen für das Hochdruck-Wasserstrahlschneiden sowie für das Absaugen des Spülmediums sind am Bohrkopf 2 und/oder am Sicherheitsmodul 3 angeordnet. Um die Schneidwirkung des Hochdruck-Wasserstrahls zu erhöhen, kann dem Wasserstrahl ein Abrasivmittel, wie beispielsweise Quarzsand, zugegeben werden, dass dem Bohrkopf 2 über die flexiblen Rohr- und/oder Schlauchleitungen 6 zugeführt und erst in der Wasseraustrittsdüse 8 mit dem Wasserstrahlgemischt wird, um den Verschleiß an den Leitungen so gering wie möglich zu halten. Der Zusatz des Abrasivmittels kann dabei kontinuierlich oder auch nur zeitweise erfolgen.
  • Durch die Kombination des Hochdruck-Wasserstrahlschneidens mit dem Hochfrequenz-Steinzertrümmern, sowie durch die flächige Ausbildung des Bohrkopfes 2 und die entsprechende Platzierung der Wasseraustrittsdüsen 8 und Sonotroden 9 ist es möglich, den Bohrvorgang kontinuierlich durchzuführen, das heißt ohne Unterbrechungen für das Aufarbeiten eines Bohrmeißels oder zum Entfernen eines freigeschnittenen Bohrkerns, wie es bei den aus dem Stand der Technik bekannten Tiefbohrverfahren erforderlich ist.
  • Um ein kontinuierlich arbeitendes Bohrverfahren möglichst effizient nutzen zu können, ist es vorteilhaft, wenn auch die Sicherung und Auskleidung des Bohrlochs 5 im Wesentlichen kontinuierlich erfolgen kann.
  • Zur Sicherung des Bohrlochs 5 wie auch zur Abschirmung des Bohrlochs zu Grundwasser führenden Schichten wird das Bohrloch 5 direkt nach dem Bohren ausgekleidet. Hierzu weist das erfindungsgemäße Bohrlochauskleidemodul 4 Spritzdüsen 11 zum Auftragen eines aushärtenden Mediums, wie beispielsweise Beton, sowie eine Armierungsgewebeverlegevorrichtung 12 auf.
  • Vorzugsweise werden Kohlenstofffasern und Beton verwendet, um den zur Auskleidung der Bohrlochwand dienenden Hybridwerkstoff herzustellen, jedoch sind auch andere Faserwerkstoffe und andere aushärtende Medien, wie beispielsweise Kunststoffe, zur Herstellung des Hybridwerkstoffs einsetzbar.
  • Die Armierungsgewebeverlegevorrichtung 12 zum Ausbringen des Fasergeflechts kann beispielsweise über einen Konus erfolgen, über den die Armierungsfaser direkt auf die Bohrlochwand aufgebracht werden kann, um anschließend mit dem aushärtenden Medium benetzt werden zu können. Je nach Tiefe und geologischen Bedingungen kann die Auskleidung des Bohrlochs 5 einlagig oder mehrlagig erfolgen. Durch die Zugabe spezieller Additive kann die Aushärtezeit des Betons beschleunigt werden. In tieferen Regionen mit einer höheren Erdtemperatur verkürzt sich die Aushärtezeit allein schon durch den Temperaturanstieg. Das Vermischen des über die Rohr- und/oder Schlauchleitungen 6 zugeführten Betons mit den ebenfalls über die Rohr- und/oder Schlauchleitungen 6 zugeführten Additiven erfolgt erst am Bohrlochauskleidemodul 4, um ein Aushärten in den Zuführleitungen zu vermeiden.
  • Eine fertige Bohrlochauskleidung 18 ist schematisch in Fig. 3 dargestellt.
  • Das Sicherheitsmodul 3 dient dazu, im Falle eines plötzlichen Druckanstiegs im Bohrloch 5, beispielsweise durch das Anbohren einer Gasblase, einerseits ein unkontrolliertes Austreten des Gases aus dem Bohrloch 5 zu verhindern und andererseits zu verhindern, dass das gesamte Bohrsystem 1 durch den Druckanstieg nach oben aus dem Bohrloch 5 geschoben werden kann. Hierzu weist das Sicherheitsmodul 3 mindestens ein Sperrelement 13 zum formschlüssigen Verschließen des Bohrlochinnendurchmessers sowie Klemmelemente 14 zum kraftschlüssigen Festlegen des Bohrsystems 1 im Bohrloch 2 auf.
  • Das formschlüssige Verschließen des Bohrlochdurchmessers über das Sperrelement 13 kann beispielsweise mit einem Expanderring erfolgen, der das Bohrloch 5 verschließt, um den Überdruck dann über geeignete Druckventile kontrolliert abbauen zu können. Die Klemmelemente 14, mit denen sich das gesamte Bohrsystem1 kraftschlüssig im Bohrloch 5 verkrallen kann, sind beispielsweise als radial nach oben und außen weisende Widerhaken ausgebildet, die das Bohrsystem 1 im Bedarfsfall in der jeweiligen Position im Bohrloch 5 fixieren.
  • Der Antrieb sowie die Lenk- und Steuerungsvorrichtung für den Bohrkopf 2 sind am Bohrkopf 2 angeordnet. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Antrieb für den Bohrkopf 2 als auf der Außenseite des Bohrkopfs 2 angeordneter Raupenantrieb 15 ausgebildet.
  • In den flexiblen Rohr- und/oder Schlauchleitungen 6, über die das Bohrsystem 1 mit Versorgungseinrichtungen 7 außerhalb des Bohrlochs 5 verbunden ist, befinden sich zusätzlich zu den elektrischen Versorgungsleitungen auch Datenleitungen, z.B. ein Bus-System, über die der Bohrkopf 2 und/oder das Sicherheitsmodul 3 und/oder das Bohrlochauskleidemodul 4 mit einem Arbeitsstand 16 außerhalb des Bohrlochs 5 verbunden sind.
  • Über diese Datenleitungen sind zusätzlich zu den Systemparametern, wie beispielsweise Vorschubgeschwindigkeit und Pumpendruck, über mit den Datenleitungen gekoppelte Sensoren sämtliche Umgebungsparameter im Bohrloch 5, wie beispielsweise Temperatur, Druck, Gesteinsdichte und dergleichen, ermittelbar und zur Steuerung des Bohrsystems 1 an den Arbeitsstand 16 übermittelbar.
  • Die Steuerung des Bohrsystems 1 kann an nur einem der Bauteile Bohrkopf 2, Sicherheitsmodul 3 oder Bohrlochauskleidemodul 4 oder aber verteilt auf mehrere der Bauteile 2, 3 und 4 angeordnet sein.
  • Da insbesondere der Bohrkopf 2 einen größeren Außendurchmesser als das fertig ausgekleidete Bohrloch 5 aufweist, verbleibt das komplette Bohrsystem 1 nach der Beendigung des Bohrvorgangs im Bohrloch 5 und kann nach dem Kappen der Zuführleitungen über die weiter bestehenden Datenleitungen zum Datenaustausch mit dem Arbeitsstand 16 verwendet werden.
  • Das voranstehend beschriebene Bohrverfahren, dass für Geothermiebohrungen sowie zur Erschließung von Erdgas- oder Erdöllagerstätten einsetzbar ist, zeichnet sich dadurch aus, dass einen kontinuierlichen Bohrvorgang ermöglicht und durch den Verzicht auf Bohrgestänge und dergleichen einen weitaus geringeren Materialaufwand als die aus dem Stad der Technik bekannten Bohrverfahren benötigt, was zu deutlich günstigeren Preisen für die Erstellung einer Tiefbohrung führt. Bezudszeichenliste
    1 Bohrsystem 18 Bohrlochauskleidung
    2 Bohrkopf
    3 Sicherheitsmodul
    4 Bohrlochauskleidemodul
    5 Bohrloch
    6 Rohr- und/oder Schlauchleitung
    7 Versorgungseinrichtung
    8 Wasseraustrittsdüse
    9 Sonotrode
    10 Stirnplatte
    11 Spritzdüse
    12 Armierungsgewebeverlegevorrichtung
    13 Sperrelement
    14 Klemmelement
    15 Raupenantrieb
    16 Arbeitsstand
    17 Absaugöffnungen

Claims (15)

  1. Verfahren zur meißellosen Erstellung von Bohrlöchern für Tiefbohrungen mittels Hochdruck-Wasserstrahlschneidens,
    gekennzeichnet durch,
    eine Kombination des Prozesses Hochdruck-Wasserstrahlschneiden mit Hochfrequenz-Steinzertrümmerung durch Sonotroden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenz-Steinzertrümmerung alternierend zum Hochdruck-Wasserstrahlschneiden oder gleichzeitig mit dem Hochdruck-Wasserstrahlschneiden eingesetzt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drücke des Hochdruck-Wasserstrahlschneidprozesses sowie die Frequenzen der Hochfrequenz-Steinzertrümmerung variabel einstellbar sind.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das die Wand des Bohrlochs (5) kontinuierlich mit einer Armierung ausgekleidet wird.
  5. Meißelloses Bohrsystem zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einem mit Wasseraustrittsdüsen (8) versehenen Bohrkopf (2),
    dadurch gekennzeichnet,
    dass an der vorderen Stirnseite des Bohrkopf (2) zusätzlich zu den Wasseraustrittsdüsen (8) für das Hochdruck-Wasserstrahlschneiden Sonotroden (9) zur Übertragung hochfrequenter Schwingungen angeordnet sind.
  6. Meißelloses Bohrsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Bohrkopf (2), zumindest aber eine mit den Wasseraustrittsdüsen (8) sowie den Sonotroden (9) versehene Stirnplatte (10) des Bohrkopfes (2), um die Mittelachse rotierbar ausgebildet ist.
  7. Meißelloses Bohrsystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Bohrrichtung hinter dem Bohrkopf (2) mindestens ein Sicherheitsmodul (3) sowie mindestens ein Bohrlochauskleidemodul (4) angeordnet sind.
  8. Meißelloses Bohrsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Sicherheitsmodul (3) mindestens ein Sperrelement (13) zum formschlüssigen Verschließen des Bohrlochinnendurchmessers sowie Klemmelemente (14) zum kraftschlüssigen Festlegen des Bohrsystems (1) im Bohrloch (5) aufweist.
  9. Meißelloses Bohrsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bohrlochauskleidemodul (4) Spritzdüsen (11) zum Auftragen eines aushärtenden Mediums sowie eine Armierungsgewebeverlegevorrichtung (12) aufweist.
  10. Meißelloses Bohrsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Bohrkopf (2), das Sicherheitsmodul (3) sowie das Bohrlochauskleidemodul (4) über flexible Rohr- und/oder Schlauchleitungen (6) mit Versorgungseinrichtungen (7) außerhalb des Bohrlochs (5) verbunden sind, wobei die Rohr- und/oder Schlauchleitungen (6) zur Zufuhr und Abfuhr der das Bohrsystem (1) betreffenden Materialen sowie zur Zuleitung der elektrischen Versorgungsleitungen dienen.
  11. Meißelloses Bohrsystem nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb sowie die Lenk- und Steuerungsvorrichtung für den Bohrkopf (2) am Bohrkopf (2) angeordnet sind.
  12. Meißelloses Bohrsystem nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpen für das Hochdruck-Wasserstrahlschneiden sowie für das Absaugen des Spülmediums am Bohrkopf (2) und/oder am Sicherheitsmodul (3) angeordnet sind.
  13. Meißelloses Bohrsystem nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Bohrkopf (2) und/oder das Sicherheitsmodul (3) und/oder das Bohrlochauskleidemodul (4) über Datenleitungen, z.B. ein Bus-System, mit einem Arbeitsstand (16) außerhalb des Bohrlochs (5) verbunden sind.
  14. Meißelloses Bohrsystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass über die Datenleitungen zusätzlich zu den Systemparametern, wie beispielsweise Vorschubgeschwindigkeit und Pumpendruck, über mit den Datenleitungen gekoppelte Sensoren sämtliche Umgebungsparameter im Bohrloch (5), wie beispielsweise Temperatur, Druck, Gesteinsdichte und dergleichen, ermittelbar und zur Steuerung des Bohrsystems (1) an den Arbeitsstand (16) übermittelbar sind.
  15. Meißelloses Bohrsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Hochfrequenzimpulse für die Hochfrequenz-Steinzertrümmerung Piezoelemente im Bohrkopf (2) angeordnet sind, die jeweils mit einer aus einer Sonotrode (9) sowie einem Amplitudentransformator bestehenden Verstärkungseinheit gekoppelt sind.
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