EP3039218B1

EP3039218B1 - Bohrkopf zum aufweiten einer pilotbohrung zum erstellen eines bohrlochs

Info

Publication number: EP3039218B1
Application number: EP14750442.7A
Authority: EP
Inventors: Michael LUBBERGER; Tobias GERHARDT
Original assignee: Herrenknecht AG
Current assignee: Herrenknecht AG
Priority date: 2013-08-15
Filing date: 2014-08-08
Publication date: 2018-08-01
Anticipated expiration: 2034-08-08
Also published as: AU2014308209B2; US10364611B2; CA2921478A1; RU2016109021A; EP3039218A2; CA2921478C; RU2652197C2; US20160305189A1; WO2015022065A3; WO2015022065A2; DE102013013477A1

Description

Die Anmeldung betrifft einen Bohrkopf zum Aufweiten einer Pilotbohrung zum Erstellen eines Bohrlochs mit einer Bohrlochwand durch Lösen eines die Pilotbohrung umgebenden Gesteins im Bereich einer sich im wesentlichen rechtwinklig zur Pilotbohrung erstreckenden Ortsbrust mit einem Grundkörper, an dem ein Anschlusselement für einen Pilotbohrstrang vorgesehen ist, wobei an dem Grundkörper wenigstens ein Werkzeughalter für wenigstens ein Bohrwerkzeug vorgesehen sind.
Aus der EP 0 360 321 ist ein sogenanntes HDD-Verfahren (Horizontal Directional Drilling) bekannt, bei dem zum grabenlosen Verlegen einer Rohrleitung unter einem Hindernis entlang einer vorgegebenen Bohrlinie eine Pilotbohrung von einem Startpunkt zu einem Zielpunkt erstellt wird. Anschließend wird an dem Pilotbohrstrang an der Zielseite ein Räumer angebracht, der mit der zu verlegenden Pipeline verbunden ist. Durch Drehen des Pilotstrangs wird der Räumer angetrieben. Ein Vorschub des Räumers unter gleichzeitigem Einziehen der Pipeline erfolgt durch Herausziehen des Pilotbohrstranges. Der Räumer ist dabei so ausgeführt, dass er an der Verbindungsseite zur Pipeline geschlossen ist. Lediglich eine Abfuhrleitung für die Abfuhr des gelösten Bodens in Verbindung mit einer Suspension zur Schmierung der Pipeline, zum Offenhalten des Bohrloches und zum Abtransports des Bohrkleins ist in der Bohrleitung vorgesehen. Auf der Vorderseite ist der Räumer offen ausgeführt, so dass die durch den Räumer gelöste Boden in den Räumer eintreten kann und dort mit Wasser vermischt abgeführt werden kann. Der Räumer selbst stellt einen zylindrischen Körper dar, der an seiner Vorderseite Zähne aufweist, durch die der Boden gelöst wird. US 5,269,384 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufweiten eines Bohrlochs. Hierbei wird wie ebenfalls Mittels einer HDD-Bohrung eine Pilotbohrung hergestellt. Anschließend wird ein Räumer an dem Pilotbohrstrang angebracht. Hinter dem Räumer ist eine Rohrleitung vorgesehen, die im Wesentlichen dem Durchmesser des Pilotbohrstrangs entspricht. US 3,750,767 offenbart eine weitere Vorrichtung die als nächster Stand der Technik an-betrachtet wird. In der Praxis hat sich herausgestellt, dass beim Einsatz des HDD-Verfahrens die Aufweitungsbohrköpfe erheblichem Verschleiß unterliegen. Dieses ist insbesondere dann der Fall, wenn ein so genanntes Single-Pass-Verfahren eingesetzt wird, bei dem die Aufweitung des Pilotbohrlochs auf den Enddurchmesser des herzustellenden Bohrlochs erfolgt. Der Verschleiß erfolgt im Wesentlichen an den Rollenmeißeln/Schneidrollen. Sind diese vor Erreichen des Endpunkts verschlissen, muss der Aufweitungsbohrkopf aus dem Bohrloch ausgebaut werden und Rollenmeißel werden gewechselt und anschließend wird der Aufweitungsbohrkopf wieder ins Bohrloch eingeführt, um die Bohrung fortsetzen zu können. Dieses führt zu erheblichen Rüstzeiten.
Es hat sich herausgestellt, dass für den Verschließ verschieden Aspekte verantwortlich sind.
Als erstes ist die Zentrierung des Bohrkopfes im Bohrloch bzw. im Pilotloch zu nennen. Eine schlechte Zentrierung wirkt sich negativ auf die Lebensdauer der Cutter (Schneidrollen) und deren Lager und Hartmetalleinsätze aus. Weiterhin bewirkt eine nicht ausreichende Zentrierung den Eintrag von Vibrationen und Schwingungen die sich über das Bohrgestänge bis an das angeschlossenen Bohrgerät fortsetzen. Eine schlechte Zentrierung im Bohrloch führt weiterhin zu unrunden Bohrlöchern entlang der zu bohrenden Trasse. Dieses beeinflusst bei mehreren der Aufweitungsdurchgängen den Verschleiß des nächsten Durchgangs.
Des Weiteren entsteht Verschleiß dadurch, dass großes Bohrklein sich direkt hinter dem Bohrkopf auf der Bohrlochsohle absetzt und nicht mittels der eingebrachten Suspension zur Austrittsöffnung der Bohrung gespült wird. Diese verbleiben dort in der Sohle in einem Art Bett und werden durch ein Ein- und Ausfahren des Aufweitbohrkopfes aus der Bohrung/in die Bohrung nur nochmalig überfahren und weiter zerkleinert. Dieses Problem wird bisher entweder ignoriert oder es führt dazu, dass der Bohrlochdurchmesser überdimensioniert wird, um für den Einzug der Produktrohrleitung, die in das Bohrloch eingeführt wird, Platz zu schaffen. Der Verschleiß führt im allgemeinen dazu, dass die Intervalle zum Austausch der Rollen kleiner werden. Zusätzlich führt es zuerst zum Verlust der Hartmetalleinsätze der Kaliber-Reihe der Schneidrolle was wiederum zu einem kleineren Bohrloch führt.
Aufgabe der Anmeldung ist es daher, einen Bohrkopf bereitzustellen, bei dem der Verschleiß an den Schneidrollen reduziert wird. Anmeldungsgemäß sieht eine erste Lösung der Aufgabe vor, dass wenigstens zwei Werkzeughalter vorgesehen sind, dass wenigstens ein Werkezughalter radial vom Grundkörper weiter beabstandet ist als der wenigstens eine andere Werkzeughalter, so dass wenigstens ein äußeres und ein inneres Bohrwerkzeug vorhanden sind, die mit der Ortsbrust in Eingriff bringbar sind, und dass das wenigstens eine innere Bohrwerkzeug und das wenigstens ein äußere Bohrwerkzeug jeweils in einem Winkel gegenüber der Ortsbrust versetzt angeordnet sind.
Es hat sich überraschender Weise herausgestellt, dass durch die winkelige Anordnung der Bohrwerkzeuge zueinander der Bohrkopf gegenüber der Ortsbrust optimal zentriert wird, so dass eine deutliche Reduktion des Verschleiß erfolgt.
Eine bevorzugte Lehre der Anmeldung sieht vor, dass die beiden Bohrwerkzeug so angeordnet sind, dass die Ortsbrust wenigstens eine radial umlaufende keilartige Aussparung oder wenigstens einen radial umlaufenden keilartigen Vorsprung aufweist. Dabei ist vorteilhaft, dass der Innenwinkel zwischen den Bohrwerkzeuge 120 bis 150° bevorzugt 135 bis 140 ° beträgt. Anmeldungsgemäß sieht eine zweite Lösung der Aufgabe vor, dass eine Spüldüse vorgesehen ist, aus der ein Spülmedium abgebbar ist, wobei die Spüldüse so angeordnet ist, dass der Bereich zwischen Bohrlochwand und dem zur Bohrlochwand zeigenden äußeren Abschnitt des Bohrwerkzeug mit dem abgegebenen Spülmedium spülbar ist.
Überraschender Weise hat sich gezeigt, dass durch gezieltes Spülen des Spalts im Kaliberbereich zwischen Bohrlochwand und den Schneidrollen auf einfache Weise der Verschleiß erheblich reduziert werden kann. Anmeldungsgemäß sieht eine dritte Lösung der Aufgabe vor, dass wenigstens ein Aufnahmewerkzeug vorgesehen ist, das einen Eingriffsbereich mit der Ortsbrust aufweist, an dem ein Bohrwerkzeug angeordnet ist, und dass das Aufnahmewerkzeug das an der Ortsbrust gelöste Bohrklein aufnimmt und aus dem Bohrbereich abfördert.
Auch hier hat sich überraschender Weise gezeigt, dass durch die direkte Aufnahme des Bohrkleins an der Ortsbrust der Verschleiß deutlich reduziert wird. Weiterhin tritt eine Reduktion des Verschleiß an den Schneidrollen auf, weil durch das Vorsehen eine separaten Bohrwerkzeug an dem Aufnahmewerkzeug das an der Ortsbrust evtl. befindliche teilgelöste Gestein oder die mit vorhandene Lockergestein durch das zusätzliche Bohrwerkzeug gelöst wird und nicht von den Schneidrollen gelöst und weiter zerkleinert werden muss, was ebenfalls zu einem Verschleiß der Schneidrollen führt.
Eine bevorzugte Lehre der Anmeldung sieht vor, dass an dem Aufnahmewerkzeug wenigstens eine Spüldüse vorgesehen ist. Dieses verbessert den Abtrag des Bohrkleins und unterstütz das Lösen von teilgelöstem Gestein oder mit vorhandenes Lockergestein.
Weiterhin ist vorteilhaft, dass das Aufnahmewerkzeug und/oder das Bohrwerkzeug die Form der Oberflächenkontur der Ortsbrust aufweist. Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass das Aufnahmewerkzeug den Bohrbereich des Bohrkopfs radial abdeckt. Hierdurch wird eine besonders gründliche Abförderung gewährleistet. Anmeldungsgemäß sieht eine vierte Lösung der Aufgabe vor, dass ein Zerkleinerungswerkzeug zum Zerkleinern des Bohrkleins vorgesehen ist, das eine Zerkleinerungsfläche aufweist, die entlang der Bohrlochwand bewegbar ist, so dass zwischen Zerkleinerungsfläche und Bohrlochwand ein Zerkleinerungsspalt vorgesehen ist.
Das Vorsehen eines solchen Zerkleinerungswerkzeug direkt am Bohrkopf bewirkt, dass ein Besserer Austrag des Bohrkleins erfolgt. Gelöstes Bohrklein mit großem Durchmesser ist durch die Strömung des im Bohrloch strömenden Spülmediums ggf. schlechter austragbar und neigt zum Absetzen auf der Bohrlochsohle. Ein Brechwerkzeug wurde bisher nur bei Austrag durch ein dafür vorgesehene Rohrleitung beispielsweise beim Microtunneling oder ähnlichen Verfahren eingesetzt. Bei HDD-Verfahren war ein solches zusätzliches Brechen bisher nicht möglich.
Eine bevorzugte Lehre der Anmeldung sieht vor, dass der Zerkleinerungsspalt einstellbar ist. Hierdurch wird es möglich, die maximale Korngröße des Austrags in Abhängigkeit des Spülmediums zu berücksichtigen.
Weiterhin ist vorteilhaft, dass die Zerkleinerungsfläche gegenüber der Bohrlochwand einfallend angeordnet ist. Hierdurch wird ein besonders gutes Zerkleinerungsergebnis erreicht.
Eine weitere Lehre der Anmeldung sieht vor, dass das Zerkleinerungswerkzeug an einer Außenseite eines Aufnahmewerkzeugs angeordnet ist. Dieses stellt eine effiziente Anordnungsmöglichkeit des Werkzeuges ohne zusätzliche Elemente am Bohrkopf dar. Anmeldungsgemäß sieht eine fünfte Lösung der Aufgabe vor, dass wenigstens ein Aufnahmewerkzeug zum Aufnehmen von auf der Sohle des Bohrloch liegendem Bohrklein vorgesehen ist, dass eine Aufnahmefläche aufweist, die gegenüber der Fluchtlinie des Bohrlochs mit einem Winkel < 20° einfällt.
Überraschender Weise hat sich gezeigt, dass hierdurch ein besonders effektives Abfördern des Bohrkleins möglich ist. Durch den flachen Winkel wird das Bohrklein nicht hinter den Bohrkopf geschaufelt, sondern es wird entlang des Umfangs des Bohrlochs mitgenommen und fällt am Bohrlochhöchsten bedingt durch die Schwerkraft herunter und gelangt von dort direkt in den Strom des Spülungsmediums.
Eine bevorzugte Lehre der Anmeldung sieht vor, dass die Aufnahmefläche an Ihrer radialen Außenseite mit einem Zentrierungsfläche und/oder einer Zerkleinerungsfläche versehen ist. Anmeldungsgemäß sieht eine sechste Lösung der Aufgabe vor, dass der Werkzeughalter so angeordnet ist, dass er radial verstellbar ist.
Überraschender Weise hat sich ergeben, dass hierdurch der Verschleiß der äußeren Schneidrollen erheblich reduziert werden kann. Durch die Verstellung wird bewirkt, dass ein neues Bohrwerkzeug nach dem Austausch auf dem Weg zur Ortsbrust beim Wiedereinbau speziell im Kaliberbereich nicht übermäßig arbeiten muss, da der Durchmesser nicht im von den verschlissenen Schneidrollen bearbeiteten Bereich nicht aufgeweitet werden muss, um den Durchmesser zum Einfahren des Bohrkopfs mit den neuen Schneidrollen zu ermöglichen.
Eine bevorzugte Lehre der Anmeldung sieht vor, dass zur Bereitstellung der Verstellbarkeit Distanzstücke vorgesehen sind. Dieses stellt eine besonders einfache Möglichkeit zur Verstellung dar.
Diese sechs zuvor genannten Lösungen der erfindungsgemäßen Aufgabe lassen sich in vorteilhafter Weise miteinander zur Verschleißreduktion kombinieren.
Eine weitere Lehre der Anmeldung sieht vor, dass auf der Ortsbrust abgewandten Seite des Bohrkopfes wenigstens ein gegenüber der Bohrlochwand wirksames Zentrierungselement vorhanden ist. Hierdurch kann auf einfache Weise eine weitere Verbesserung der Stabilisierung des Bohrkopfs erreicht werden.
Eine weitere Lehre der Anmeldung sieht vor, dass das Anschlusselement länglich zum Eintritt in die Pilotbohrung ausgeführt ist und/oder im Wesentlichen mit einem Durchmesser des Pilotbohrstand ausgeführt ist und/oder einen Zentrierabschnitt mit einem im Wesentlichen mit dem Durchmesser der Pilotbohrung identischen Durchmesser aufweist. Hierdurch kann auf einfache Weise eine weitere Verbesserung der Stabilisierung des Bohrkopfs erreicht werden.
Eine weitere Lehre der Anmeldung sieht vor, dass wenigstens ein Stabilisierungselement vorgesehen ist, dass an seiner Außenseite einen Kontaktabschnitt, plan oder mit Radius der Bohrlochwand, aufweist und dass das Stabilisierungselement bevorzugt als Aufnahmewerkzeug ausgeführt ist. Hierdurch kann auf einfache Weise eine weitere Verbesserung der Stabilisierung des Bohrkopfs erreicht werden.
Eine weitere Lehre der Anmeldung sieht vor, dass hinter dem Bohrkopf ein nachfolgend beschriebenes Zentrierelement vorgesehen ist. Anmeldungsgemäß sieht eine weitere Lösung der Aufgabe vor, dass hinter einem Bohrkopf, insbesondere einem Bohrkopf der zuvor beschriebenen Ausführung, ein Zetrierelement angeordnet wird mit einem Grundkörper, der Anschlusselemente zum Montieren des Zentrierelements in einem Bohrstrang aufweist, wobei an dem Grundkörper kreissegmentartig über wenigstens ein Trägerelement an dem Grundkörper angeordnet ausgeführte Abschnitte vorgesehen sind, die mit dem Bohrradius des Bohrkopfs übereinstimmen, wobei wenigstens ein Abschnitt ein Aufnahmewerkzeug zum Aufnehmen von auf der Sohle des Bohrloch liegendem Bohrklein aufweist, das eine Aufnahmefläche aufweist, die gegenüber der Fluchtlinie des Bohrlochs mit einem Winkel < 20° einfällt.
Durch das Vorsehen des Zentrierelements wird der Bohrstrang hinter dem Bohrkopf stabilisiert, was sich direkt positiv auf die Zentrierung des Bohrkopfes gegenüber der Ortsbrust auswirkt. Weiterhin wird durch den gezielten Austrag des auf der Bohrlochsohle ggf. abgesetzten Bohrkleins das erneute Überfahren durch den Bohrkopf und der damit einhergehende Verschleiß vermieden.
Eine weitere Lehre der Anmeldung sieht vor, dass die Aufnahmefläche an Ihrer radialen Außenseite bevorzugt mit einem Zentrierungsfläche und/oder eine Zerkleinerungsfläche versehen ist.
Ergänzend ist zu sagen, dass die Formulierung "und/oder" sowohl als "und"- als auch als "oder"-Verknüpfung der entsprechenden Merkmale verstanden wird.
Nachfolgend werden die Lösungen der Anmeldung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit einer weiteren Zeichnung näher beschrieben.
Dabei zeigen

Fig. 1: eine erste räumliche Ansicht eines Bohrkopfes in einem Bohrloch,
Fig. 2: eine zweite räumliche Ansicht zu Fig. 1,
Fig. 3: eine weitere räumliche Ansicht des Bohrkopfes,
Fig. 4: eine teilgeschnittene räumliche Seitenansicht des erfindungsgemäßen Bohrkopfes und eine teilgeschnittene räumliche Seitenansicht des durch den Bohrkopfes hergestellten Bohrlochs,
Fig. 5: eine Ausschnittansicht zu Fig. 4, ohne umgebendes Bohrloch,
Fig. 6: eine geschnittene Teilansicht des Bohrkopfes,
Fig. 7: eine weitere Teilansicht des Bohrkopfes,
Fig. 8: ein Werkzeughalter mit Bohrwerkzeug des Bohrkopfes in erster Stellung,

Fig. 9: eine zweite Stellung zu Fig. 8,
Fig. 10: einen Stabilisator in teilgeschnittener Ansicht,

Fig. 11: eine Schnittansicht zu Fig. 10.

Fig. 1 und Fig. 2 zeigen ein Bohrloch 100 in einem Boden/Gestein 101, in das nach Fertigstellung des Bohrlochs 100 eine Rohrleitung (nicht dargestellt) eingebracht wird. Dem Bohrloch 100 vorgeschaltet ist eine Pilotbohrung 102, die bereits von einem Startpunkt (nicht dargestellt) zu einem Zielpunkt (nicht dargestellt) hergestellt wurde. Wie in Fig. 1 ersichtlich ist, weist das Bohrloch 100 eine Ortsbrust 103 und eine Bohrlochwand 104 auf. Die Ortsbrust 103 erstreckt sich im Wesentlichen rechtwinklig zur Pilotbohrung 102.
Im Bohrloch 100 ist ein Bohrkopf 10 angeordnet, bei dem es sich um einen Aufweitungsbohrkopf handelt. Der Bohrkopf 10 weist einen Grundkörper 11 auf, an dem Querstreben 12 angeordnet sind, die radial beabstandet mit einem Trägerring 13 verbunden sind. Die Querstreben 11 sind mit Werkzeughaltern 14 versehen, an denen Schneidrollen 15 angeordnet sind. Die Schneidrollen 15 weisen Zähne 16 aus einem Hartmetall, wie Wolframcarbid, zur Lösung des Bodens, beziehungsweise Gesteins 101, an der Ortsbrust 103 auf.
Am Grundkörper 11 ist des Weiteren ein erster Anschluss 17 für das sich im Pilotbohrloch 102 befindliche Bohrgestänge (nicht dargestellt) und ein zweiter Anschluss 18 am hinteren Ende des Bohrkopfes 10 für den Anschluss des sich im Bohrloch 100 befindlichen Bohrstrang (nicht dargestellt) angeordnet. Am ersten Anschluss 17 ist ein Stabilisator 19 vorgesehen, der im Wesentlichen den gleichen Durchmesser wie das Pilotbohrloch 102 aufweist und sich in diesem befindet.
Wie aus der rechten Abbildung von Fig. 4 ersichtlich ist, weist die Ortsbrust 103 einen V-förmigen Einbruch 105 auf, der radial um das Pilotbohrloch 102 umlaufend vorgesehen ist. Es hat sich herausgestellt, dass durch das Vorsehen des V-förmigen Einbruchs 105 der Bohrkopf 10 gegenüber dem Bohrloch 100 besonders stabilisiert wird. Zur Erstellung des V-förmigen Einbruchs 105 ist eine gewisse Anzahl von Werkzeughaltern 14 so ausgerichtet, dass sich deren Schneidrolle 15 mit dem radial weiter von der Pilotbohrloch 102 beabstandeten äußeren Schenkel 106 des V-förmigen Einbruchs 105 im Eingriff befindet und diesen herstellt, während eine weitere Anzahl von Werkzeughaltern 14 so angeordnet ist, dass deren Schneidrolle 15 sich mit dem radial weniger vom Pilotbohrloch beabstandeten inneren Schenkel 107 des V-förmigen Einbruchs 105 in Eingriff befindet und diesen herstellt. Alternativ und hier nicht dargestellt ist es auch möglich, dass der V-förmige Einbruch 105 invers, also als Vorsprung, in das Bohrloch 100 hereinragend ausgeführt ist. Dafür ist es dann notwendig, die Werkzeughalter 14 und die darin angeordneten Schneidrollen 15 entsprechend anzuordnen. In der vorliegenden Ausführungsform des Bohrkopfes 10 sind drei Schneidrollen 15 so angeordnet, dass der Außenschenkel 106 der Ortsbrust 103 erstellt wird, während zwei Schneidrollen 15 zur Herstellung des inneren Schenkels 107 vorgesehen sind.
An den Werkzeughaltern, deren Schneidrollen 15 den Außenschenkel 106 erstellen, sind Spüldüsen 20 vorgesehen, die so angeordnet sind, dass sie den Spalt 108 zwischen der äußeren Zahnreihe 21 der Schneidrolle 15 und der Bohrlochwand 104 spülen, um damit gezielt den Verschleiß der äußeren Zahnreihe 21 zu vermeiden. Aufgrund der geringen Spaltbreite des Spalts 108, sammelt sich hier, insbesondere auf der Bohrlochsohle 113, Bohrklein 109 an, das entsprechend zum übermäßigen Verschleiß der äußeren Zahnreihe führt. Durch das gezielte Spülen des Spalts 108 wird dieses vermieden.
Weiterhin ist an einer Querstrebe 12 ein Räumwerkzeug/Aufnahmewerkzeug 22 vorgesehen. Das Räumwerkzeug 22 dient als Aufnahmewerkzeug zum Aufnehmen von Bohrklein 109 an der Ortsbrust 103. Es weist an seiner Vorderseite ein Bohrwerkzeug 23 auf. Das Bohrwerkzeug 23 weist im Wesentlichen die gleiche Form wie der V-förmige Einbruch 105 auf und bestreicht diesen beim Rotieren des Bohrkopfes 10. Das Räumwerkzeug 22 entfernt das durch die Schneidrollen 15 gelöste Bohrklein 109 aus dem Schneidbereich der Schneidrollen 15. Weiterhin befindet sich das Bohrwerkzeug 23 des Räumwerkzeugs 22 im Eingriff mit der Ortsbrust 103 und ist in der Lage, an der Ortsbrust 103 befindliches Lockergestein, beziehungsweise durch die Schneidrollen 15 vorgelöstes Gestein, zu lösen und zu entfernen. Hierdurch wird das Durchfahren von Lockergestein durch die Schneidrollen 15 vermieden, was eine Verschleißreduktion bewirkt. Am Räumwerkzeug 22 ist ebenfalls eine Spüldüse 20 zum Spülen des Spaltes 108 vorgesehen. Weiterhin sind am Räumwerkzeug 22 Spüldüsen 24 vorgesehen, die die Ortsbrust 103, beziehungsweise den V-förmigen Einbruch 105, spülen. Das Räumwerkzeug 22 ist in Bezug auf den Durchmesser des Bohrlochs 100 in einem Winkel gegenüber diesem versetzt angeordnet. Das Räumwerkzeug 22 ist in vergrößerter Darstellung in Fig. 5 wiedergegeben. Des Weiteren sind an der Außenseite der Querstreben 12 Stabilisatorflächen 29 vorgesehen, die mit einem wechselbaren Verschleißblech 30 versehen sind. Die Stabilisatorflächen 29 bewirken, wie auch der Stabilisator 19, eine bessere Zentrierung des Bohrkopfes 10 im Bohrloch 100, in dem die Stabilisatorflächen, beziehungsweise deren Verschleißbleche 30, sich im Eingriff mit der Bohrlochwand 104 befinden. Des Weiteren sind an dem Trägerring 13 Räumwerkzeuge 25 vorgesehen, die einen länglichen Grundkörper 26 aufweisen (siehe Fig. 7). An ihrer der Bohrlochwand 104 zugewandten Seite ist ein Verschleißblech 27 angeordnet. An der Seitenfläche des Grundkörpers 26 ist ein Verschleißblech 28 angeordnet. Die Verschleißbleche 27, 28 sind wechselbar ausgeführt. Die Räumwerkzeuge 25 nehmen über die Verschleißbleche 27, 28 Bohrklein 109, das sich insbesondere auf der Sohle 113 des Bohrlochs anordnet, mit, befördern diese, wie in Fig. 11 dargestellt ist, an der Bohrlochwand 104 entlang im Bohrloch 100 nach oben, bis das Bohrklein 109 aufgrund der Schwerkraft sich aus dem Mitnahmebereich 31 vor der Verschleißfläche 28 löst und nach unten fällt. Hierdurch gelangt das Bohrklein 109 in einen Strömungsbereich 110, in dem eine höhere Geschwindigkeit der Borspülung als an den Außenbereichen der Bohrlochwand 104 herrscht, wodurch das Bohrklein 109 wieder in der Strömung mitgenommen wird, wie dieses in Fig. 10 dargestellt ist.
Die Anordnung der Räumwerkzeuge 25 in Bezug auf den Bohrkopf 10 ist dabei so vorgesehen, dass die am Grundkörper 26 vorgesehene und mit einem Verschleißblech 28 abgedeckte Aufnahmefläche gegenüber der Fluchtlinie des Bohrlochs 100 mit einem Winkel von 0° bis 20° einfällt, da es sich gezeigt hat, dass hierdurch ein besonders guter Bohrkleintransport im Mitnahmebereich 31 hin zum Bohrlochhöchsten 111 erfolgt.
Wie in Fig. 6 dargestellt ist, ist an dem Räumwerkzeug 22 ein Zerkleinerungswerkzeug 32 vorgesehen. Hierbei handelt es sich um eine Zerkleinerungsfläche 33, die mit einem Verschleißblech 34, das wechselbar ausgeführt ist, versehen ist. Die Zerkleinerungsfläche ist gegenüber der Bohrlochwand 104 um einen Winkel a, wie in Fig. 6 dargestellt, einfallend angeordnet. Zwischen der Zerkleinerungsfläche 33 und der Bohrlochwand 104 bildet sich ein Zerkleinerungspalt 112, in dem sich ein Bohrkleinbrocken 109, der größer ist als der Zerkleinerungsspalt 112, sammelt und durch die im Zerkleinerungsspalt 112 zwischen Bohrlochwand 104 und Zerkleinerungsfläche 33 bildenden Scherkräfte zerkleinert wird. Das Zerkleinerungswerkzeug 32 kann auch an den Räumwerkzeugen 25 für eine bessere Zerkleinerung des Bohrkleins 109 vorgesehen werden. Das Zerkleinerungswerkzeug 32 lässt sich an dem Räumwerkzeug 22, 25 an verschiedenen Positionen anordnen, so dass eine Einstellbarkeit des Zerkleinerungsspaltes 112 in Abhängigkeit der gewünschten maximalen Größe des Bohrkleins 109 erreichbar ist.
An der Rückseite des Trägerrings 13 ist ein Haltering 35 angeordnet, der über Diagonalstreben 36 mit dem Trägerring 13 verbunden ist. Hierdurch wird eine bessere Stabilität des Trägerrings 13 in Bezug auf den Grundkörper 11 erreicht. An der Rückseite der Querstreben 12 sind Spüldüsen 37 vorgesehen, die durch die zusätzliche Abgabe des Spülmediums gerade in den Außenbereichen des Bohrlochs 100 zur Bohrlochwand 104 hin, eine höhere Strömungsgeschwindigkeit des Spülmediums bewirken, so dass ein besserer Austrag des Bohrkleins 109 gewährleistet ist.
Da sich gezeigt hat, dass sich durch Verschleiß an den Schneidrollen 15 der Durchmesser des Bohrlochs 100 ändern kann, was nach dem Tausch der Schneidrollen 15 ein zusätzliches Überfahren der Bereiche mit verringertem Durchmesser durch die neuen Schneidrollen 15 beim Wiedereinbau des Bohrkopfes 10 in das Bohrloch 100 und damit ein erneuter Verschleiß der Außenseiten der Schneidrollen 15 bewirkt, sind die Schneidrollen 15 im Werkzeughalter 14 verschiebbar zwischen einer ersten Position (wie in Fig. 8 dargestellt) und einer zweiten Position (wie in Fig. 9 dargestellt) radial verschiebbar angeordnet. Um eine Fixierung der Schneidrolle 15 im Werkzeughalter 14 zu bewirken, ist ein Distanzstück 38 vorgesehen, mit dem die Schneidrolle 15 an ihrer jeweiligen Position an der äußeren oder inneren Seite des Werkzeughalters 14 fixiert wird.

Um eine noch bessere Zentrierung des Bohrkopfes 10 und darüber hinaus eine Reduktion des Verschleißes der Schneidrollen 15 beim Ein- und Ausbau des Bohrkopfes 10, beziehungsweise einen verbesserten Abtransport des Bohrkleins 109, zu erreichen, sind im am Anschluss 18 hinter dem Bohrkopf 10 angeordneten Bohrstrang 39 Zentrierelemente 40 vorgesehen. Diese weisen einen Grundkörper 41 auf, an dem Querstreben 42 in radialer Richtung zur Bohrlochwand 104 hin angeordnet sind. An den Querstreben 42 sind Stabilisierabschnitte 43 angeordnet, die einen Teil der Bohrlochwand 104 abdecken. Wie in Fig. 10 dargestellt, können auch mehrere Querstreben 42 hintereinander vorgesehen sein. Die Stabilisierabschnitte 48 weisen an einer Seite ein Räumwerkzeug 44 auf, vor dem ein Mitnahmebereich 31 gebildet ist. Das Räumwerkzeug weist im Wesentlichen eine Aufnahmefläche 45 auf, die mit einem Verschleißblech 28 versehen ist. Über das Räumwerkzeug 44 wird das Bohrklein 109, wie in Fig. 10 und 11 dargestellt, mitgenommen, zum Bohrlochhöchsten 111 transportiert, von wo dann das Bohrklein 109 in den Strömungsbereich 110 der Bohrspülung herunterfällt und so dem Austrag des Bohrkleins 109 aus dem Bohrloch 100 wieder zugeführt wird. Ein Teil des Bohrkleins 109 wird sich, wie in Fig. 10 dargestellt, wieder auf der Bohrlochsohle 113 absetzen. Beim Ausbau des Bohrkopfs 10 wird dieses dann ebenfalls wiederum aufgenommen und dem Strömungsbereich 110 entsprechend wieder zugeführt. Sollte es notwendig sein, den Bohrkopf 10 und damit auch das Zentrierelement 40 in unterschiedliche Richtungen zu drehen, kann an dem Stabilisierungsabschnitt 43 auf beiden Seiten, wie in Fig. 11 dargestellt, ein entsprechendes Räumwerkzeug vorgesehen werden.

Bezugszeichenliste

10	Bohrkopf	37	Spüldüse
11	Grundkörper	38	Distanzstück
12	Querstrebe	39	Bohrstrang
13	Trägerring	40	Zentrierelement
14	Werkzeughalter	41	Grundkörper
15	Schneidrolle	42	Querstrebe
16	Zahn	43	Stabilisatorabschnitt
17	Anschluss	44	Räumwerkzeug
18	Anschluss	45	Aufnahmefläche
19	Stabilisator	100	Bohrloch
20	Spüldüse	101	Boden/Gestein
21	äußere Zahnreihe	102	Pilotbohrloch
22	Räumwerkzeug / Aufnahmewerkzeug	103	Ortsbrust
22	Räumwerkzeug / Aufnahmewerkzeug	104	Bohrlochwand
23	Bohrwerkzeug	105	V-förmiger Einbruch
24	Spüldüse	106	Schenkel, außen
25	Räumwerkzeug / Aufnahmewerkzeug	107	Schenkel, innen
25	Räumwerkzeug / Aufnahmewerkzeug	108	Spalt
26	Grundkörper	109	Bohrklein
27	Verschleißblech	110	Strömungsbereich
28	Verschleißblech	111	Bohrlochhöchstes
29	Stabilisatorfläche	112	Zerkleinerungsspalt
30	Verschleißblech	113	Bohrlochsohle
31	Mitnahmebereich	α	Einfallwinkel
32	Zerkleinerungswerkzeug
33	Zerkleinerungsfläche
34	Verschleißblech
35	Haltering
36	Diagonalstrebe

Claims

Bohrkopf (10) zum Aufweiten einer Pilotbohrung (102) zum Erstellen eines Bohrlochs (100) unter Einsatz des HDD-Verfahrens mit einer Bohrlochwand (104) durch Lösen eines die Pilotbohrung umgebenden Gesteins (101) im Bereich einer sich im Wesentlichen rechtwinklig zur Pilotbohrung erstreckenden Ortsbrust (103) mit einem Grundkörper (11), an dem ein Anschlusselement (17) für einen Pilotbohrstrang vorgesehen ist, wobei an dem Grundkörper wenigstens zwei Werkzeughalter (14) für jeweils wenigstens ein Bohrwerkzeug vorgesehen sind, wobei wenigstens ein Werkezughalter radial vom Grundkörper weiter beabstandet ist als der wenigstens eine andere Werkzeughalter (14), so dass wenigstens ein äußeres und ein inneres Bohrwerkzeug (15) vorhanden sind, die mit der Ortsbrust (103) in Eingriff bringbar sind, dass das wenigstens eine innere Bohrwerkzeug (15) und das wenigstens ein äußere Bohrwerkzeug (15) jeweils in einem Winkel gegenüber der Ortsbrust (103) versetzt angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Aufnahmewerkzeug (22) vorgesehen ist, das einen Eingriffsbereich (105) mit der Ortsbrust (103) aufweist, an dem ein Bohrwerkzeug (23) angeordnet ist, und dass das Aufnahmewerkzeug (22) das an der Ortsbrust (103) gelöste Bohrklein aufnimmt und aus dem Bohrbereich abfördert, und dass wenigstens ein Aufnahmewerkzeug (25) zum Aufnehmen von auf der Sohle (113) des Bohrloch liegendem Bohrklein (109) vorgesehen ist, das eine Aufnahmefläche aufweist, die gegenüber der Fluchtlinie des Bohrlochs mit einem Winkel < 20° einfällt.
Bohrkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Bohrwerkzeug (15) so angeordnet sind, dass die Ortsbrust wenigstens eine radial umlaufende keilartige Aussparung oder wenigstens einen radial umlaufenden keilartigen Vorsprung aufweist, und/oder dass der Innenwinkel zwischen den Bohrwerkzeuge 120 bis 150° bevorzugt 135 bis 140 ° beträgt.
Bohrkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spüldüse (20, 24) vorgesehen ist, aus der ein Spülmedium abgebbar ist, wobei die Spüldüse so angeordnet ist, dass der Bereich zwischen Bohrlochwand und dem zur Bohrlochwand zeigenden äußeren Abschnitt des Bohrwerkzeug mit dem abgegebenen Spülmedium spülbar ist,
Bohrkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass, dass an dem Aufnahmewerkzeug (22) wenigstens eine Spüldüse vorgesehen ist,
Bohrkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufnahmewerkzeug und/oder das Bohrwerkzeug die Form der Oberflächenkontur der Ortsbrust (103) aufweist,
Bohrkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufnahmewerkzeug (22) den Bohrbereich des Bohrkopfs radial abdeckt,
Bohrkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zerkleinerungswerkzeug (32) zum Zerkleinern des Bohrkleins vorgesehen ist, das eine Zerkleinerungsfläche (33) aufweist, die entlang der Bohrlochwand bewegbar ist, so dass zwischen Zerkleinerungsfläche und Bohrlochwand ein Zerkleinerungsspalt vorgesehen ist,
Bohrkopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zerkleinerungsspalt (112) einstellbar ist und/oder die Zerkleinerungsfläche gegenüber der Bohrlochwand einfallend angeordnet ist, und/oder das Zerkleinerungswerkzeug an einer Außenseite eines Aufnahmewerkzeugs angeordnet ist,
Bohrkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmefläche an Ihrer radialen Außenseite mit einer Zentrierungsfläche und/oder eine Zerkleinerungsfläche versehen ist,
Bohrkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeughalter (14) so angeordnet ist, dass er radial verstellbar ist.
Bohrkopf nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bereitstellung der Verstellbarkeit Distanzstücke (38) vorgesehen sind.
Bohrkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Ortsbrust abgewandten Seite des Bohrkopfes wenigstens ein gegenüber der Bohrlochwand wirksames Zentrierungselement (40) vorhanden ist.
Bohrkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlusselement (17) länglich zum Eintritt in die Pilotbohrung ausgeführt ist und/oder im Wesentlichen mit einem Durchmesser des Pilotbohrstand ausgeführt ist und/oder einen Zentrierabschnitt mit einem im Wesentlichen mit dem Durchmesser der Pilotbohrung identischen Durchmesser aufweist.
Bohrkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Stabilisierungselement (19) vorgesehen ist, dass an seiner Außenseite einen Kontaktabschnitt, plan oder mit Radius der Bohrlochwand, aufweist und dass das Stabilisierungselement bevorzugt als Aufnahmewerkzeug ausgeführt ist.