EP2984288B1 - Verfahren zur auskleidung von bohrlöchern für tiefbohrungen sowie vorrichtung zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zur auskleidung von bohrlöchern für tiefbohrungen sowie vorrichtung zur durchführung des verfahrens Download PDF

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EP2984288B1
EP2984288B1 EP14725908.9A EP14725908A EP2984288B1 EP 2984288 B1 EP2984288 B1 EP 2984288B1 EP 14725908 A EP14725908 A EP 14725908A EP 2984288 B1 EP2984288 B1 EP 2984288B1
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EP
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borehole
lining
drilling
lines
module
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Thomas Ludewigt
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Pro4innovation Ug
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Pro4innovation Ug
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    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B33/00—Sealing or packing boreholes or wells
    • E21B33/10—Sealing or packing boreholes or wells in the borehole
    • E21B33/13—Methods or devices for cementing, for plugging holes, crevices, or the like
    • E21B33/138—Plastering the borehole wall; Injecting into the formation
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B41/00—Equipment or details not covered by groups E21B15/00 - E21B40/00
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    • E21B47/00—Survey of boreholes or wells
    • E21B47/06—Measuring temperature or pressure
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    • E21B47/00—Survey of boreholes or wells
    • E21B47/06—Measuring temperature or pressure
    • E21B47/07—Temperature
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP 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
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
    • E21D1/00—Sinking shafts
    • E21D1/08—Sinking shafts while moving the lining downwards

Definitions

  • the invention relates to a method for lining boreholes for deep wells. Furthermore, the invention relates to a device 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.
  • the EP 1 798 370 A1 describes a method of making a wellbore drilled with a drilling apparatus, the method comprising: connecting a flexible tubular liner sleeve to the exterior of the drilling apparatus and connecting the sleeve about an upper opening of the wellbore to enter the wellbore; progressively extending the sleeve into the wellbore while maintaining communication with the wellbore and the wellbore aperture; at a predetermined point in the bore, widening the sleeve to contact the borehole wall; and seating the sleeve to be secured to the wellbore wall after expansion.
  • the EP 1 798 370 A1 also describes an apparatus for use in such a method, comprising: a flexible, expandable sleeve; a first connector for connecting the sleeve about the outside of a drilling assembly; and a second connector for connecting the sleeve about the opening of the borehole; wherein the sleeve is arranged to extend through the borehole between the connectors in the course of drilling.
  • the invention is based on the object to provide a method for lining bore holes for deep drilling that allows a quick operation at a substantially consistent borehole diameter.
  • the direct lining of the borehole according to the invention after boring with a fiber-reinforced hybrid material makes it possible for the first time-if the drilling process permits it-to provide a continuous lining method, moreover allowing a borehole lining with a substantially constant borehole diameter.
  • the curable medium is sprayed onto the fiber material.
  • the spray process ensures a uniform and rapid wetting of the fiber material with the curable medium.
  • this lining of the borehole wall serving hybrid material consisting of a reinforcing fiber and a thermosetting medium preferably carbon fibers and concrete are used.
  • the lining of the borehole can be single-layered or multi-layered.
  • thermosetting media such as plastics
  • other fibrous materials and other thermosetting media such as plastics, may be used to line the borehole as an alternative to the aforementioned carbon fibers and the concrete as a hardening medium.
  • a device according to the invention for carrying out the lining method according to the invention is characterized by a borehole lining module which has spray nozzles for applying a hardening medium and a reinforcing fabric laying device.
  • 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 spreading of the fiber braid can be done via a cone, through 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.
  • thermosetting Media such as plastics
  • the supply of Bohrlochaus modeemoduls invention is advantageously via flexible pipe and / or hose lines over which the module is connected to utilities outside the borehole, wherein the pipe and / or hose lines for supplying and discharging the at least the Bohrlochaus presentemodul relevant materials and the supply of the serve electrical supply lines.
  • 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.
  • data lines e.g. a bus system, via which at least the borehole lining module is connected to a standstill outside the wellbore.
  • 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 at least the borehole lining module.
  • 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.
  • the drilling method and the borehole lining method are described by means of a chisel-free drilling method, in which the drill head 2 is so is designed that with this both high-pressure water jet cutting and high-frequency stone smashing is feasible.
  • water outlet nozzles 8 for the high-pressure water jet cutting and sonotrodes 9 are arranged for the transmission of high-frequency vibrations for the high-frequency Steinzertrümm réelle on the front end side of the drill head.
  • 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 agent such as quartz sand, may be added to the water jet and fed to the drill head 2 via the flexible pipe and / or hose lines 6 and only in the water outlet nozzle 8 is mixed with the water jet in order 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 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, such as temperature, pressure, rock density and the like, can be ascertained and transmitted to the workstation 16 for controlling the drilling system 1.
  • the complete drilling system 1 remains after the completion of the drilling process in the hole 5 and can after capping the supply lines on the existing data lines for data exchange with the Work status 16 can be used.
  • this alternative drill head for example, be designed to be foldable so that its outer diameter is so reduced in that it can be moved through the finished borehole lining 18.
  • 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 borehole lining method described above which can be used for geothermal wells as well as for the development of natural gas or crude oil deposits, is characterized in that a quasi-continuous lining of the borehole directly after drilling is possible.
  • the well casing 18 has a substantially constant cross-section over the entire wellbore length. ⁇ B> ⁇ u> REFERENCE LIST ⁇ / u> ⁇ /b> 1 Drilling System 18 well casing 2 wellhead 3 security module 4 Bohrlochaus residueemodul 5 well 6 Pipe and / or hose line 7 supply 8th water outlet 9 sonotrode 10 faceplate 11 nozzle 12 Arm Sammlungsgewebeverlegevorraum 13 blocking element 14 clamping element 15 Track drive 16 working status 17 suction

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auskleidung von Bohrlöchern für Tiefbohrungen. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung 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 ist das diskontinuierliche Auskleiden bzw. Verrohren der Bohrlochwand sehr zeitaufwendig. Darüber hinaus ist auch der sich etappenweisen verringernde Innendurchmesser des Bohrlochs nicht für alle Anwendungsfälle vorteilhaft.
  • Die EP 1 798 370 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines mit einer Bohrvorrichtung gebohrten Bohrlochs, wobei das Verfahren umfasst: Verbinden einer flexiblen rohrförmigen Auskleidungshülse um die Außenseite der Bohrvorrichtung und Verbinden der Hülse um eine obere Öffnung des Bohrlochs, um in das Bohrloch zu gelangen; fortschreitendes Verlängern der Hülse in das Bohrloch, während die Verbindung mit der Bohrvorrichtung und der Bohrlochöffnung beibehalten wird; an einem vorbestimmten Punkt in der Bohrung Aufweiten der Hülse, um die Bohrlochwand zu berühren; und Setzen der Hülse, um nach der Aufweitung an der Bohrlochwand befestigt zu werden. Die EP 1 798 370 A1 beschreibt auch eine Vorrichtung zur Verwendung in einem solchen Verfahren, umfassend: eine flexible, expandierbare Hülse; einen ersten Verbinder zum Verbinden der Hülse um die Außenseite einer Bohranordnung; und einen zweiten Verbinder zum Verbinden der Hülse um die Öffnung des Bohrlochs; wobei die Hülse so angeordnet ist, dass sie sich im Verlauf des Bohrens durch das Bohrloch zwischen den Verbindern erstreckt.
  • Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Auskleidung von Bohrlöchern für Tiefbohrungen zu schaffen, dass einen schnellen Arbeitsablauf bei einem im Wesentlichen gleichbleibenden Bohrlochdurchmesser ermöglicht.
  • Die Lösung dieser Aufgabenstellung ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gekennzeichnet.
  • Durch das erfindungsgemäße direkte Auskleiden des Bohrlochs nach dem Bohren mit einem faserverstärkten Hybridwerkstoff ist es erstmalig möglich, ein -wenn es der Bohrvorgang erlaubt- kontinuierliches Auskleideverfahren bereitzustellen, dass darüber hinaus eine Bohrlochauskleidung mit einem im Wesentlichen konstanten Bohrlochdurchmesser ermöglicht.
  • Gemäß einer praktischen Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das aushärtbare Medium auf den Faserwerkstoff aufgespritzt wird. Das Spritzverfahren gewährleistet ein gleichmäßiges und schnelles Benetzen des Faserwerkstoffs mit dem aushärtbaren Medium.
  • Zur Ausbildung dieses zur Auskleidung der Bohrlochwand dienenden Hybridwerkstoffs, bestehend aus einer Armierungsfaser sowie einem aushärtenden Medium werden vorzugsweise Kohlenstofffasern und Beton verwendet. 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, wie beispielsweise Kunststoffe, zum Auskleiden des Bohrlochs verwendet werden.
  • Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Auskleideverfahrens ist gekennzeichnet durch ein Bohrlochauskleidemodul, das Spritzdüsen zum Auftragen eines aushärtenden Mediums sowie eine Armierungsgewebeverlegevorrichtung aufweist.
  • 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 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 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, wie beispielsweise Kunststoffe, zum Auskleiden des Bohrlochs verwendet werden.
  • Die Versorgung des erfindungsgemäßen Bohrlochauskleidemoduls erfolgt vorteilhafterweise über flexible Rohr- und/oder Schlauchleitungen, über die das Modul mit Versorgungseinrichtungen außerhalb des Bohrlochs verbunden ist, wobei die Rohr- und/oder Schlauchleitungen zur Zufuhr und Abfuhr der zumindest das Bohrlochauskleidemodul 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.
  • In den flexiblen Rohr- und/oder Schlauchleitungen, über die das Bohrlochauskleidemodul mit Versorgungseinrichtungen außerhalb des Bohrlochs verbunden ist, befinden sich zusätzlich zu den elektrischen Versorgungsleitungen auch Datenleitungen, z.B. ein Bus-System, über die zumindest das Bohrlochauskleidemodul mit einem Arbeitsstand außerhalb des Bohrlochs verbunden ist.
  • 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 zumindest des Bohrlochauskleidemoduls an den Arbeitsstand übermittelbar.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der zugehörigen Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Auskleidevorrichtung nur beispielhaft dargestellt ist, ohne die Erfindung auf dieses Ausführungsbeispiel zu beschränken. In den Zeichnungen zeigt:
    • Fig. 1
    eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen 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.
  • Nachfolgend werden das Bohrverfahren sowie das Bohrlochauskleideverfahren anhand eines meißellosen Bohrverfahrens beschrieben, bei dem der Bohrkopf 2 so ausgelegt ist, dass mit diesem sowohl Hochdruck-Wasserstrahlschneiden als auch zum Hochfrequenz-Steinzertrümmern durchführbar ist.
  • Das beschriebenen Rohrlochauskleideverfahren ist jedoch unabhängig von der Arbeitsweise des Bohrkopfes 2. Maßgeblich ist, dass das Auskleideverfahren direktnach dem Bohren tätig werden kann.
  • 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 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel 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.
  • Da bei dem dargestellten Bohrsystem 1 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.
  • Sollte es bei einem alternativen Bohrverfahren bzw. bei der Verwendung eines alternativen Bohrkopfes erforderlich sein, dass dieser zwischenzeitlich oder zum Ende des Bohrvorgangs aus dem Bohrloch 5 entfernt wird, so muss dieser alternative Bohrkopf, beispielsweise klappbar so ausgestaltet sein, dass dessen Außendurchmesser so reduzierbar ist, dass er durch die fertige Bohrlochauskleidung 18 verfahrbar ist.
  • 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.
  • Das voranstehend beschriebene Bohrlochauskleideverfahren, dass für Geothermiebohrungen sowie zur Erschließung von Erdgas- oder Erdöllagerstätten einsetzbar ist, zeichnet sich dadurch aus, dass eine quasi kontinuierliche Auskleidung des Bohrlochs direkt nach dem Bohren ermöglicht. Darüber hinaus weist die Bohrlochauskleidung 18 über die gesamte Bohrlochlänge einen im wesentlichen konstanten Querschnitt auf. Bezugszeichenliste
    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 (7)

  1. Verfahren zur Auskleidung von Bohrlöchern für Tiefbohrungen,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Wand des Bohrlochs (5) direkt nach dem Bohren kontinuierlich mit einem aus einem Faserstoff sowie einem aushärtbaren Medium bestehenden Hybridwerkstoff ausgekleidet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das aushärtbare Medium auf den Faserwerkstoff aufgespritzt wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hybridwerkstoff einlagig oder mehrlagig auf die Bohrlochwand aufgetragen wird.
  4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    gekennzeichnet durch
    ein Bohrlochauskleidemodul (4), das Spritzdüsen (11) zum Auftragen eines aushärtenden Mediums sowie eine Armierungsgewebeverlegevorrichtung (12) aufweist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bohrlochauskleidemodul (4) über flexible Rohr- und/oder Schlauchleitungen (6) mit Versorgungseinrichtungen (7) außerhalb des Bohrlochs (5) verbunden ist, wobei die Rohr- und/oder Schlauchleitungen (6) zur Zufuhr und Abfuhr der zumindest das Bohrlochauskleidemodul (4) betreffenden Materialen sowie zur Zuleitung der elektrischen Versorgungsleitungen dienen.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das Bohrlochauskleidemodul (4) über Datenleitungen, z.B. ein Bus-System, mit einem Arbeitsstand (16) außerhalb des Bohrlochs (5) verbunden ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass über die Datenleitungen zusätzlich zu den Systemparametern, wie beispielsweise Vorschubgeschwindigkeit, über mit den Datenleitungen gekoppelte Sensoren sämtliche Umgebungsparameter im Bohrloch (5), wie beispielsweise Temperatur, Druck, Gesteinsdichte und dergleichen, ermittelbar und zur Steuerung des Bohrlochauskleidemoduls (4) an den Arbeitsstand (16) übermittelbar sind.
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