WO2016173769A1 - Bohrgerät und verfahren zum bohren eines bohrlochs sowie verwendung eines bohrgeräts - Google Patents

Bohrgerät und verfahren zum bohren eines bohrlochs sowie verwendung eines bohrgeräts Download PDF

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WO2016173769A1
WO2016173769A1 PCT/EP2016/055914 EP2016055914W WO2016173769A1 WO 2016173769 A1 WO2016173769 A1 WO 2016173769A1 EP 2016055914 W EP2016055914 W EP 2016055914W WO 2016173769 A1 WO2016173769 A1 WO 2016173769A1
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Georg PUTZI
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Bs2 Ag
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    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH DRILLING; MINING
    • E21BEARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B4/00Drives for drilling, used in the borehole
    • E21B4/04Electric drives
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH DRILLING; MINING
    • E21BEARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B4/00Drives for drilling, used in the borehole
    • E21B4/18Anchoring or feeding in the borehole

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bohrgerät (10), welches eine Antriebseinrichtung (14) und ein Zerkleinerungswerkzeug (16) umfasst, welches durch die Antriebseinrichtung (14) angetrieben wird. Das Bohrgerät (10) gräbt sich mittels Zerkleinerungsarbeit des Zerkleinerungswerkzeugs (16) und der an das Bohrgerät (10) angelegten Schwerkraft autonom vortreibend in ein Bohrloch (12) ein und wird mit Strom betrieben.

Description

Bohrgerät und Verfahren zum Bohren eines Bohrlochs sowie Verwendung eines Bohrgeräts
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bohrgerät und ein Verfahren zum Bohren eines Bohrlochs sowie eine Verwendung eines Bohrgeräts.
Erdwärmesonden-Bohrungen und ähnliche Bohrungen für industrielle Zwecke werden herkömmlich mit einem
pneumatischen Im-Loch-Bohrhammer gebohrt, der mit einem Bohrgestänge in das Bohrloch gestossen wird. Das durch den Bohrkopf zerkleinerte Gestein (Bohrgut) wird mit Druckluft aus dem Bohrloch ausgeblasen. Mit zunehmender Tiefe, welche wegen der höheren Wärme für Erdwärmesonden immer wichtiger wird, steigt der Druckverlust der Druckluft entlang des Bohrgestänges immens an. Dadurch wird ein sehr grosser Kompressor gebraucht, um den nötigen Druck und Volumenstrom zu erzeugen. Dieser verbraucht für ein 500 m Bohrloch rund 5000 1 Dieselkraftstoff und verursacht viel Lärm. Dieses Bohrverfahren ist sehr verbreitet.
So offenbart die Druckschrift DE 10 2005 008 430 AI ein Verfahren zum Bohren eines Bohrlochs durch Rotationsbohren mit einem Bohrgestänge, welches im Bohrloch mit einem
Bohrkopf an seinem unteren Ende aufgehängt ist. Das
Bohrgestänge wird seitens eines Bohrturms umdreht, welcher wiederum an der Oberfläche an der Bohrstelle fixiert ist. Das Bohrgut wird mittels einer Flüssigkeitsspülung zwischen Bohrgestänge und Bohrlochwand aus dem Bohrloch an die
Oberfläche gefördert. Die stetige Nachführung des
Bohrgestänges (Stangenwechsel) ist sehr arbeitsintensiv, und somit ist der Personalaufwand hoch und ist das
Bohrverfahren daher teuer. Zudem wird zur Beförderung des Bohrguts an die Oberfläche viel Energie benötigt.
Nachteilhafterweise ist hierzu ein grosser Kompressor notwendig, welcher schwierig zu transportieren ist, einen hohen Kraftstoffverbrauch hat (z.B. Dieselkraftstoff) und sehr laut ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein Bohrgerät und ein Verfahren zum Bohren eines Bohrlochs sowie eine Verwendung eines Bohrgeräts anzugeben, welche die vorstehend genannten Nachteile nicht aufweisen.
Diese Aufgabe wird durch ein Bohrgerät gemäss
Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsvarianten sowie ein Verfahren zum Bohren eines Bohrlochs als auch eine Verwendung eines Bohrgeräts sind in weiteren
Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäss umfasst das Bohrgerät eine
Antriebseinrichtung und ein Zerkleinerungswerkzeug, welches durch die Antriebseinrichtung angetrieben wird, wobei sich das Bohrgerät mittels Zerkleinerungsarbeit des
Zerkleinerungswerkzeugs und der an das Bohrgerät angelegten Schwerkraft autonom vortreibend in ein Bohrloch eingräbt und mit Strom betrieben wird. Hierdurch ist ein Bohrgerät geschaffen, welches direkt mit Strom betrieben wird und somit Erdreich im Bohrloch autonom zerkleinert, z.B.
aufbricht bzw. zerkleinert. Somit kommt das Bohrgerät ohne Bohrgestänge aus. Es ist zu bemerken, dass unter dem
Wortlaut "Zerkleinerungsarbeit" eine jegliche Zerkleinerung gemeint ist. Beispiele hiervon umfassen eine Zerkleinerung mittels Fräsen, Lichtbogen, Wasserstrahl oder Ultraschall, sind jedoch nicht hierauf eingeschränkt. Unter dem Wortlaut "Zerkleinerungswerkzeug" können somit Werkzeuge zum Fräsen, Lichtbogenbohren, Wasserstrahlbohren oder Ultrastrahlbohren verstanden werden, wobei weitere Werkzeuge vorgesehen sein können. Das Bohrgerät gräbt sich autonom mittels der
Zerkleinerungsarbeit und zusätzlich der an das Bohrgerät angelegten Schwerkraft tiefer in das Erdreich hinein
(Vortrieb) . Für diesen Vortrieb sind ebenfalls keine mechanischen Bauelemente notwendig, wie beispielsweise das Bohrgestänge aus dem Stand der Technik. Somit ist
wenigstens im Verlauf eines Grossteils der Erdbohrarbeiten sehr wenig Bedienpersonal notwendig, sodass Personalkosten eingespart werden. Ebenso sind an der Oberfläche keine teuren Bohrstellen-Installationen (Bohrturm) an der
Bohrstelle um das Bohrloch herum notwendig, sodass auch hier Kosten eingespart werden können. Insbesondere werden Zeit und Kosten eingespart, welche herkömmlich zum Aufbau und Abbau der Bohrstellen-Installationen (Bohrturm)
notwendig sind. Ebenso werden Zeit und Kosten zum Transport der Bauelemente an Ort und Stelle der Bohrstellen- Installation in zumeist unwegsamen Geländen eingespart. Herkömmlich werden im Zusammenhang mit solchen Transporten oftmals zuvor unberührte Naturlandschaften stark in
Mitleidenschaft gezogen. Aufgrund des wesentlich
reduzierten Transportaufwands des erfindungsgemässen
Bohrgeräts ist dieser Nachteil beseitigt.
Vorzugsweise umfasst die Antriebseinrichtung wenigstens einen Elektromotor. Hierdurch ist ein Bohrgerät geschaffen, welches Erdreich im Bohrloch durch das elektrisch
angetriebene Zerkleinerungswerkzeug zerkleinert, z.B.
aufbricht bzw. zerkleinert, und sich mittels Schwerkraft autonom vortreibt. Der Elektromotor ist zur Speisung mit elektrischer Energie mit einer externen Spannungsversorgung verbunden. Hierbei ist der Elektromotor über elektrische Leitungen mit der externen Spannungsversorgung verbunden. Die elektrischen Leitungen verlaufen entlang des Bohrlochs und sind aus diesem an die Oberfläche herausgeführt. Die elektrischen Leitungen können beispielsweise über eine drehbar über dem Bohrloch gelagerte Umlenkrolle geführt sein. Die elektrischen Leitungen können während des
Bohrvorgangs von der Bohrstelle aus von einer elektrisch betriebenen Rolle abgerollt und in das Bohrloch eingelassen werden. Um eine universelle Einset zbarkeit des Bohrgeräts zu gewährleisten, kann die Antriebseinrichtung über die üblicherweise vorhandene Stromzuleitung im Quartiernetz mit Energie versorgt werden. Zur Reduzierung von Verlusten über die Leitung im Boden kann eine Spannungsumwandlung
vorgenommen werden. Die Spannung liegt beispielsweise in einem Bereich zwischen 400 und 1000 Volt mit einer
elektrischen Leistung im Bereich zwischen 10 und 15 kW. Der Elektromotor ist beispielsweise ein Gleichstrommotor. Der Gleichstrommotor hat den Vorteil, dass dessen Drehrichtung mittels einfacher Umpolung, welche an der Oberfläche vorgenommen werden kann, änderbar ist. Zur Versorgung mit Gleichstrom kann ein Gleichrichter zwischengeschaltet werden. Die änderbare Drehrichtung, mit welcher die
Antriebseinrichtung das Zerkleinerungswerkzeug antreibt, ist besonders wichtig, damit das Zerkleinerungswerkzeug bei einer Verklemmung im Bohrloch einfach gelöst werden kann.
Vorzugsweise ist die Antriebseinrichtung in Relation zu der das Bohrloch umgebenden Bohrlochwand im Wesentlichen drehstarr fixiert und in Längsrichtung des Bohrlochs bewegbar. Somit kann sich das Zerkleinerungswerkzeug in Relation zu dem auszubrechenden Erdreich umdrehen und dieses somit zerkleinern und/oder ausbrechen. Die hierzu notwendige drehstarre Fixierung der Antriebseinrichtung an der Bohrlochwand kann beispielsweise erzielt werden, indem die Antriebseinrichtung wenigstens abschnittsweise an der Bohrlochwand angeklemmt bzw. angepresst wird. In einem
Beispiel wird das Bohrgerät in ein zuvor gegrabenes oder "angebohrtes" Bohrloch gesetzt, dessen Tiefe ausreicht, um zu gewährleisten, dass die Antriebseinrichtung in Relation zur Bohrlochwand drehstarr fixiert ist. Alternativ kann an der Oberfläche beispielsweise ein Standrohr installiert werden, an dessen Innenwand entlang der Bohrroboter
vertikal in das Bohrloch gleitet. Vorzugsweise umfasst das Bohrgerät ferner eine an der
Antriebseinrichtung eingerichtete Andruckeinrichtung zum wenigstens zeitweiligen Einklemmen der Antriebseinrichtung an der Bohrlochwand. Diese besonders bevorzugte
Ausführungsform gewährleistet, dass die Antriebseinrichtung zuverlässig drehstarr in Relation zur Bohrlochwand an dieser fixiert werden kann, falls ein Anpressdruck hierzu alleine nicht ausreicht. Ferner kann durch die
Andruckeinrichtung auch die Richtung des Vortriebs
eingestellt werden. Es kann ferner vorteilhaft
sichergestellt werden, dass sich das Bohrgerät lotrecht in das Erdreich vergräbt. Im Betrieb treibt das Bohrgerät das Zerkleinerungswerkzeug vor, während sich die
Antriebseinrichtung im eingeklemmtem Zustand mit der
Bohrlochwand befindet, sodass Erdreich abgetragen wird. Sobald der maximale Vorschub erreicht ist, wird die
Andruckeinrichtung gelöst und wird somit das gesamte
Bohrgerät aufgrund der hieran angelegten Schwerkraft tiefer in das Bohrloch vorgetrieben. Im Verlaufe dieses Ablaufs wird das Zerkleinerungswerkzeug wieder eingefahren.
Anschliessend werden diese Abläufe so lange wiederholt, bis die gewünschte Bohrlochtiefe erreicht ist.
Vorzugsweise ist das Bohrgerät wenigstens abschnittsweise mit einer Spülflüssigkeit beaufschlagbar. Die
Spülflüssigkeit kann über eine Spülflüssigkeit- Zufuhrleitung, welche von der Oberfläche an das Bohrgerät geführt ist, an Abschnitte im Bohrloch zugeführt werden, an welchen jeweils Ausbrucharbeiten durch das Bohrgerät durchgeführt werden. Durch die Strömung der Spülflüssigkeit wird dann ausgebrochenes Material bzw. Bohrgut ausgespült. Ein weiterer Vorteil der Beaufschlagung mit Spülflüssigkeit liegt in der hierdurch geschaffenen ausreichenden Kühlung des Elektromotors. In einem bevorzugten Beispiel gehen die Spülflüssigkeit und das zerkleinerte, z.B. gefräste,
Ausbruchsmaterial eine Suspension ein. Somit werden das Ausbruchsmaterial und die Spülflüssigkeit zur Suspension gebracht, wobei diese Suspension im Verlaufe der Bohrung im Bohrloch hinter dem Bohrgerät, betrachtet in Relation zur Vortriebsrichtung des Bohrgeräts, verbleibt. Hierdurch ist gleichzeitig eine ausreichende Kühlung des Elektromotors gewährleistet. Indem die Suspension hinter dem Bohrgerät (in Relation zur Vortriebsrichtung) verbleibt, drückt die hierdurch geschaffene Flüssigkeitssäule auf die
Antriebseinrichtung und somit das gesamte Bohrgerät, wodurch vorteilhafterweise der an das auszubrechende
Material angelegte Anpressdruck erhöht wird. Somit gräbt sich das Bohrgerät zuverlässig und ohne weitere Hilfsmittel autonom in das Erdreich ein.
Vorzugsweise ist das Bohrgerät mit einem an die Oberfläche geführten Seil verbunden. Das Seil kann über die zuvor genannte drehbar gelagerte Rolle oder eine separate Rolle auf- und abgerollt werden. Nachdem das Bohrgerät die gewünschte Bohrlochtiefe gebohrt hat, wird das Bohrgerät über das Seil aus dem Bohrloch heraus an die Oberfläche überführt. Teile des Bohrgeräts können auch im Bohrloch verbleiben, indem sie beispielsweise unten durch ein Steuerungssignal von der Oberfläche her abgekoppelt oder abgesprengt werden. Der Rest des Bohrgeräts ist dann möglicherweise kleiner und wird dadurch vereinfacht aus dem Bohrloch entfernt. Alternativ oder zusätzlich kann das Seil dazu verwendet werden, um den an das Bohrgerät angelegten Anpressdruck zu justieren bzw. zu korrigieren. Das Seil ist beispielsweise ein Stahlseil. Beispielsweise kann das Seil bereits die elektrischen Leitungen zur Spannungsversorgung zum Speisen des Elektromotors mit elektrischer Energie umfassen. In diesem Zusammenhang kann die Spülflüssigkeit- Zufuhrleitung bereits das Seil und/oder die elektrischen Leitungen umfassen. Alternativ können wenigstens das Seil und die Spülflüssigkeit-Zufuhrleitung voneinander separat verlaufen, sodass vorteilhafterweise der Radius von der Rolle minimiert werden kann. In diesem Zusammenhang ist die Spülflüssigkeit-Zufuhrleitung beispielsweise ein Schlauch aus Kunststoff, beispielsweise PE-X oder PVC, ein gewellter oder geflochtener Metallschlauch, ein Gewebeschlauch oder ein KunstStoffschlauch bzw. Gummischlauch mit eingetragener Metallarmierung.
Vorzugsweise umfasst das Zerkleinerungswerkzeug einen
Bohrkopf oder Rollenmeissel . Der Bohrkopf oder der
Rollenmeissel ist direkt oder indirekt an der Drehwelle des Elektromotors angebracht und zerkleinert das abzutragende Erdreich, beispielsweise Sand, Erde, Gestein, usw.
Beispielsweise ist der Bohrkopf als eine konkav geformte, drehbare Scheibe ausgebildet, die das Erdreich,
beispielsweise das Gestein, abfräst bzw. abschleift. Diese Scheibe ist beispielsweise aus gehärtetem Stahl gefertigt und kann an Abschnitten starker Abnutzung mit
Industriediamanten bestückt sein. Der Rollenmeissel kann ebenfalls aus gehärtetem Stahl ausgebildet sein.
Vorzugsweise umfasst der Bohrkopf eine Mehrzahl von
Bohrkronen, welche zueinander konzentrisch angeordnet sind. In dieser Ausführungsform ist der Bohrkopf aus mehrstufigen Bohrkronen geschaffen, welche konzentrisch zueinander angeordnet sind. Beispielsweise können die Bohrkronen unterschiedlich tief vorragen. So können die Bohrkronen beispielsweise vom Mittelpunkt (Mittenachse) ausgehend in radialer Richtung nach aussen zunehmend tiefer vorragen. In diesem Beispiel ragt somit die äussere Bohrkrone am
weitesten tief vor, sodass die Aussenwandung derer den Bohrkopf und somit insgesamt das Bohrgerät zuverlässig führen kann. Die Aussenwandung der äusseren Bohrkrone schleift hierbei vorteilhafterweise grossflächig am
Innenumfang des Bohrlochs. Die Bohrkronen bohren
beispielsweise bis zu einer Tiefe von 1 cm in ein zu bohrendes Gestein, wodurch in den Zwischenräumen zwischen den einzelnen Bohrkronen Gesteinsstege verbleiben. Diese Gesteinsstege werden anschliessend abgesprengt.
Beispielsweise werden die Gesteinsstege mittels
hydraulischem Druck über die Spülflüssigkeit-Zufuhrleitung oder über Schallwellen, die elektrisch im Bohrloch erzeugt werden, abgesprengt. Die Bohrkronen können jeweils an ihren distalen Enden mit Industriediamanten bestückt sein, wodurch das Gestein zuverlässig abgetragen wird. Zur Zerkleinerung der Gesteinsstege kann auch
Wasserstrahlbohren, Lichtbogenbohren oder Ultraschallbohren zum Einsatz kommen. Beim Wasserstrahlbohren kann der nötige Wasserdruck mittels einer Pumpe im Bohrgerät oder an der Oberfläche der Bohrstelle erzeugt werden. Das Anordnen der Pumpe an der Oberfläche hat den Vorteil, dass diese hier ausreichend mit Energie versorgt werden kann. Die
Zerkleinerung könnte auch mittels Lichtbogen oder
Ultraschall vorgenommen werden.
Die zuvor genannte Aufgabe wird ebenfalls durch ein
Verfahren zum Bohren eines Bohrlochs mit einem Bohrgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8 gelöst, welches sich autonom vortreibend in das Bohrloch eingräbt. Dieses
Verfahren gestattet ein automatisiertes und autonomes
Bohren eines Bohrlochs ohne den Einsatz eines
Bohrgestänges, wodurch Zeit und Kosten eingespart werden. Im Gegensatz zu bekannten Bohrverfahren aus dem Stand der Technik ist das erfindungsgemässe Verfahren weitaus weniger personalintensiv, wodurch weiterhin Kosten eingespart werden .
Vorzugsweise wird bei dem Verfahren eine Schlitzverrohrung, eine Verrohrung mit einem Strumpf oder eine Stahlverrohrung eingesetzt. Hierdurch wird das Bohrloch zuverlässig
gesichert . Vorzugsweise wird bei dem Verfahren eine Spülflüssigkeit mit Wasser oder Bentonit eingesetzt. Durch Spülen mit einer Mischung aus Bentonit und Wasser (BentonitSuspension) wird das Bohrloch zusätzlich gestützt und somit stabilisiert.
Die Erfindung betrifft ebenso eine Verwendung eines
Bohrgeräts nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zum autonomen Bohren eines Bohrlochs für eine Erdwärmesonde, einen
Brunnen oder ähnliche Verwendungen.
Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die
vorstehenden Ausführungsvarianten beliebig kombinierbar sind. Lediglich diejenigen Kombinationen von
Ausführungsvarianten sind ausgeschlossen, die durch die Kombination zu Widersprüchen führen würden.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von einem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel weiter erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1: eine Schnittansicht durch ein in ein Bohrloch eingefahrenes Bohrgerät in einer schematischen Darstellung; und
Figuren 2a, b: einen Bohrkopf in einer Ansicht von unten und in einer Schnittansicht. In Figur 1 ist eine schematische Schnittansicht in
Längsrichtung von einem Bohrgerät 10 gezeigt, welches in ein vertikal in das Erdreich gebohrtes Bohrloch 12
eingefahren ist. Das Bohrgerät 10 umfasst eine
Antriebseinrichtung 14 und ein Zerkleinerungswerkzeug 16, welches in dem gezeigten Beispiel als ein Fräswerkzeug ausgebildet ist. Die Antriebseinrichtung 14 und das
Zerkleinerungswerkzeug 16 sind über eine Welle 18
miteinander verbunden. Die Antriebseinrichtung 14 erzeugt ein Drehmoment, welches über die Welle 18 an das
Zerkleinerungswerkzeug 16 überführt wird. Das distale Ende des Zerkleinerungswerkzeugs 16 steht wiederum in direkter Anlage mit der Abbruchkante (Bodenbereich) des Bohrlochs 12. Durch die Umdrehung des Zerkleinerungswerkzeugs 16 wird Erdmaterial ausgefräst bzw. ausgebrochen. Die
Antriebseinrichtung 14 umfasst einen Elektromotor 20, welcher in Längsrichtung verstellbar innerhalb der
Antriebseinrichtung 14 gelagert ist und das Drehmoment erzeugt. In dem in der Figur gezeigten Beispiel ist der Elektromotor 20 in Relation zur Antriebseinrichtung 14 nach oben und nach unten verstellbar, wie schematisch durch einen Doppelpfeil angezeigt.
Das Bohrgerät 10 ist über eine Zuleitung 22 in das Bohrloch 12 eingehängt. Die Zuleitung 22 umfasst hierbei ein Seil, beispielsweise ein Stahlseil. Hierbei ist das Seil an einem Ende mit dem Bohrgerät 10 verbunden und über eine
Umlenkrolle 24 geführt. Diese Umlenkrolle 24 ist im
Wesentlichen im Bereich der Mittenachse des Bohrlochs 12 an einem Abschnitt einer Stützeinrichtung 26 drehbar gelagert. Diese Stützeinrichtung 26 ist beispielsweise durch eine Dreiecksanordnung aus mehreren Streben 28 28 gebildet. Die Streben 28 28 sind an einem Ende jeweils
miteinander verbunden und über ihre jeweiligen weiteren Enden im Bereich der Bohrlochstelle mit der Oberfläche verankert. Das über die Umlenkrolle 24 umgelenkte Seil wird auf einer Rolle 30 aufgerollt. In dem in der Figur
gezeigten Beispiel muss die Rolle 30 entgegen dem
Uhrzeigersinn umdreht werden, um das Bohrgerät 10 nach vollendeter Arbeit wieder an die Oberfläche zurückzuholen.
Wie zuvor beschrieben, ist die Zuleitung 22 als Seil ausgeführt. Zusätzlich kann die Zuleitung 22 als eine
Leitung ausgeführt sein, welche Spülflüssigkeit von einer Pumpe 32 an den Eingang von einer Spülflüssigkeit- Zufuhrleitung 34 pumpt, welche sich abschnittsweise
innerhalb der Antriebseinrichtung 14 erstreckt. Der Ausgang der Spülflüssigkeit-Zufuhrleitung 34 mündet in einem
Bereich zwischen der Antriebseinrichtung 14 und dem
Zerkleinerungswerkzeug 16. Somit wird dieser Bereich zuverlässig mit Spülflüssigkeit versorgt bzw. gespült, wie in der Figur schematisch durch einen Pfeil angezeigt. Durch den Spülflüssigkeit sstrom kann ausgebrochenes Bohrgut nach oben an die Oberfläche gespült werden. Die Spülflüssigkeit enthält vorteilshalber Wasser und gegebenenfalls Bentonit. Eine Bentonit Suspension kann zusätzlich eine Funktion zum vorteilhaften Stützen des Bohrlochs haben. Das Bohrgut kann wiederum über Ableitungen 36 36 für Bohrgut von der Abbruchkante (Bodenbereich des Bohrlochs 12) durch das Zerkleinerungswerkzeug 16 hindurch einfach nach oben abgeführt werden, wie schematisch durch Pfeile angezeigt. Hierdurch kann das ausgebrochene Bohrgut zuverlässig abgeführt werden. Die mit dem Bohrgut durchsetzte
Spülflüssigkeit kann beispielsweise über eine mit einem Absaugschlauch 38 verbundene Pumpe 42 in eine Sammelmulde 40 für Bohrgut gepumpt werden.
Das ausgebrochene Bohrgut wird im Wesentlichen durch das Gewicht des Bohrgeräts 10 hinter das Bohrgerät 10 selber transportiert. Mit anderen Worten, wird das Bohrgut wenigstens in den Bereich des Bohrlochs 10 zwischen dem Bohrgerät 10 und der Oberfläche transportiert. Obwohl in der Zeichnung nicht gezeigt, kann das Bohrgut auch mittels einer Förderwelle, welche beispielsweise elektrisch betrieben wird, hinter das Bohrgerät 10 transportiert werden. In einem Fall, bei welchem das Bohrgut ausreichend zerkleinert ist, kann es an dieser Stelle belassen werden. In diesem Fall wird das Bohrloch 12 einfach durch das Bohrgut aufgefüllt.
Hingegen, in einem Fall, bei welchem das Bohrgut
überwiegend aus grobkörnigem Bohrgut zusammengesetzt ist, beispielsweise zusammengesetzt aus grossen, abgesprengten Stegen zwischen den zuvor beschriebenen Bohrkronen, kann dieses grobkörnige Bohrgut mittels einer Pumpe im oder am Bohrgerät 10, die über einen Schlauch mit der Oberfläche verbunden ist, an die Oberfläche gefördert werden. Hierzu kann eine zusätzliche Leitung für den Rücktransport des Bohrguts bereitgestellt werden. In diesem Fall sollten weitere Zuleitungen (z.B. das Seil und/oder die
elektrischen Leitungen) von dieser zusätzlichen Leitung für den Rücktransport des Bohrguts beabstandet verlaufen, um somit eine Reibung hieran zu minimieren. Insgesamt kann somit die Abnutzung gering gehalten werden und kann das Bohrgerät 10 einfach im Bohrloch 12 verschoben bzw.
justiert werden.
Die schematisch mit Bezugszeichen 22 gekennzeichnete
Zuleitung umfasst ferner eine elektrische
Verbindungsleitung zum Versorgen des Elektromotors 20 mit elektrischer Energie. Die elektrische Energieversorgung ist hierbei ebenfalls an der Oberfläche im Bereich der
Bohrlochstelle angeordnet. Die elektrische
Energieversorgung kann ein öffentliches Stromnetz, z.B. Quartiernetz, oder ein elektrischer Generator sein (nicht gezeigt) .
Das Bohrgerät 10 umfasst in einer Ausführungsform eine Andruckeinrichtung 44 zum lösbaren Andrücken bzw.
Einklemmen der Antriebseinrichtung 14 an der Wandung des Bohrlochs 12. Die Andruckeinrichtung 44 umfasst Klemmbacken 46 46 Λ welche in Radialrichtung der Antriebseinrichtung 14 verstellbar sind. Mit anderen Worten, sind die
Klemmbacken 46 6 derart aus der Antriebseinrichtung 14 ausfahrbar, dass distale Klemmflächen der Klemmbacken 46 6 fest mit der Wandung des Bohrlochs 12 in Eingriff gelangen. In diesem Zustand ist die Antriebseinrichtung 14 im Bohrloch 12 unverrückbar eingeklemmt. In diesem Zustand kann ferner der in die Antriebseinrichtung 14 eingefahrene Elektromotor 20 gestartet werden, welcher das
Zerkleinerungswerkzeug 16 in Umdrehung setzt, sodass die Arbeit zum Ausbrechen von Erdreich angefahren wird. Im Verlaufe der Umdrehung des Zerkleinerungswerkzeugs 16 fährt der Elektromotor 20 in Relation zur Antriebseinrichtung 14 vor. Hierdurch wird, bei gleichzeitiger Einspannung der Antriebseinrichtung 14 an der Wandung des Bohrlochs 12, ein ausreichender Anpressdruck erzeugt, sodass zuverlässig Bohrgut ausgebrochen wird.
Sobald der Elektromotor 20 in Relation zur
Antriebseinrichtung 14 maximal ausgefahren ist, wird der Elektromotor 20 gestoppt und somit die Umdrehung des
Zerkleinerungswerkzeugs 16 unterbrochen. In diesem
Zusammenhang wird die Einspannung der Antriebseinrichtung 14 an der Wandung des Bohrlochs 12 freigegeben. Zum
Freigeben werden die Klemmbacken 46 6 der
Andruckeinrichtung 44 radial nach innen bewegt. Im Verlaufe dieses Ablaufs wird der Elektromotor 20 wieder in die
Antriebseinrichtung 14 eingeschoben. Das Bohrgerät 10 wird somit abgesenkt. Obwohl in der Zeichnung nicht gezeigt, kann die Andruckeinrichtung 44 auf zwei Höhen verteilt jeweils drei Klemmbacken umfassen, welche die
Antriebseinrichtung 14 lösbar an die Wandung des Bohrlochs 12 andrücken und gleichzeitig das Bohrgerät 10 zentrieren. Das Bohrgerät 10 wird über Abrollvorrichtungen 48 x - 8 geführt, um eine exakt vertikale Ausrichtung des Bohrgeräts 10 zu gewährleisten. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass das Bohrloch 12 genau lotrecht gebohrt wird.
Nachdem die gewünschte Bohrlochtiefe erreicht ist, kann die Spülflüssigkeit über die Spülflüssigkeit-Zufuhrleitung in das Bohrloch 12 gepumpt werden und hierbei gleichzeitig das Bohrgerät 10 über das Seil (Zuleitung 22) zurück an die Oberfläche gezogen werden. Hierbei fördert das Bohrgerät 10 gleichzeitig die aus Bohrgut und Spülflüssigkeit
zusammengesetzte Suspension aus dem Bohrloch 12 heraus.
Insgesamt ist ein Bohrgerät 10 nach dem Prinzip eines
Bohrroboters geschaffen, wobei vorteilhafterweise ohne Bohrgestänge gebohrt wird. Ferner vorteilhaft wird mit
Strom gebohrt, anstelle mit Luftdruck. Dies ist möglich, weil sich das Bohrgerät 10 gleich einem Regenwurm durch das Erdreich gräbt. Somit wird beispielsweise während der
Bohrung nur Energie resp. elektrische Leistung für die Zerkleinerung des Gesteins und keine Energie resp.
elektrische Leistung zur Beförderung des Ausbruchmaterials bzw. Bohrguts an die Oberfläche aufgebracht. Das Gestein wird mit einem oder mehreren Elektromotoren zerkleinert, welcher bzw. welche hierzu ein Zerkleinerungswerkzeug, z.B. einen Gesteinsmeissel , umdrehen. Das Bohrgerät 10 ist mit einem Seil, z.B. ein Stahlseil, zur mechanischen Stabilität beim Entfernen des Bohrgeräts 10 aus dem Bohrloch 12 heraus verbunden. Ferner ist das Bohrgerät 10 mit elektrischen Leitungen für die Zufuhr von Energie zur Gesteinszerkleinerung verbunden. Das Bohrgerät 10 kann ferner mit einer Spülflüssigkeit-Leitung verbunden sein, zur Zufuhr von Spülflüssigkeit von der Oberfläche an die Bohrstelle. Das Bohrgerät 10 gräbt sich durch sein
Eigengewicht und/oder mittels einer Andruckeinrichtung
(Gripper) , mit welcher sich das Bohrgerät 10 im Bohrloch 12 zeitweilig verklemmen kann, in das Erdreich hinein.
Die Erfindung ist sowohl im Lockergesteinsbereich als auch im Fels anwendbar. Im Lockergestein kann aussen zusätzlich eine Verrohrung aus Stahl abgetäuft werden, welche das Lockergestein um das Bohrloch 12 stabilisiert. Alternativ kann eine Verrohrung eingesetzt werden, die an der
Oberfläche flexibel ist, und wie ein Strumpf über das Kabel gezogen wird, und dann im Bohrloch beispielsweise durch den Kontakt mit Wasser aushärtet. Alternativ kann auch eine Verrohrung eingesetzt werden, die der Längsachse entlang einen Schlitz hat, durch den die Verbindungsleitungen passen. Der Schlitz kann an der Oberfläche beim Einbringen der Verbindungsleitungen in die Verrohrung durch Kraft auch grösser gemacht werden. Diese Verrohrung kann nach dem Einbau einer Erdwärmesonde oder einer permanenten
Verrohrung wieder aus dem Bohrloch 12 entfernt werden. Das aufgezeigte Bohrverfahren ist für alle Typen von
Erdwärmesonden geeignet.
Figur 2a zeigt das Zerkleinerungswerkzeug 16 in einer
Ansicht von unten und Figur 2b zeigt das
Zerkleinerungswerkzeug 16 in einer Schnittansicht entlang der Mittenaxialrichtung M. Das Zerkleinerungswerkzeug ist hier als Bohrkopf 16 ausgebildet, welcher an der Drehwelle des Elektromotors anbringbar ist (nicht gezeigt) . Der
Bohrkopf 16 umfasst eine Mehrzahl von Bohrkronen 50'- 50'''', welche zueinander konzentrisch angeordnet sind. Genauer gesagt, umfasst der Bohrkopf 16 vier mehrstufige Bohrkronen 50'-50'''', welche konzentrisch zueinander angeordnet sind. Hierbei ragen die Bohrkronen 50' -50'''' derart unterschiedlich tief in das Erdreich vor, dass die Bohrkronen 50 '-50' ' ' ' von der Mittenachse M ausgehend in radialer Richtung nach aussen zunehmend tiefer vorragen. In diesem Beispiel ragt somit die äussere Bohrkrone 50' ' ' ' am weitesten tief vor. Hierdurch führt die Aussenwandung der äusseren Bohrkrone 50' ' ' ' den Bohrkopf 16 und insgesamt das Bohrgerät 10 zuverlässig. In der Anwendung schleift die Aussenwandung der äusseren Bohrkrone 50'''' grossflächig am Innenumfang des Bohrlochs 12 (nicht gezeigt) , wodurch eine zuverlässige Führung gewährleistet ist.
Die Bohrkronen 50' -50'''' bohren beispielsweise bis zu einer Tiefe von 1 cm in ein zu bohrendes Gestein, wodurch in den Zwischenräumen zwischen den einzelnen Bohrkronen 50 '-50' ' ' ' Gesteinsstege verbleiben (nicht gezeigt) . Diese Gesteinsstege werden anschliessend abgesprengt.
Beispielsweise werden die Gesteinsstege mittels
hydraulischem Druck über die Spülflüssigkeit-Zufuhrleitung oder über Schallwellen, die elektrisch im Bohrloch erzeugt werden, abgesprengt. Die Bohrkronen 50' -50'''' sind jeweils an ihren distalen Enden mit Industriediamanten 52' -52'''' bestückt, wodurch das Gestein zuverlässig abgetragen wird. Jede Bohrkrone 50' -50'''' umfasst beispielsweise jeweils drei Industriediamanten, welche gleichwinklig voneinander beabstandet sind. Obwohl der Bohrkopf 16 hier derart beispielhaft beschrieben ist, dass er vier konzentrisch angeordnete Bohrkronen 50' -50'''' umfasst, kann der
Bohrkopf selbstverständlich auch mehr oder weniger
Bohrkronen umfassen.

Claims

Patentansprüche
1. Bohrgerät (10), umfassend eine Antriebseinrichtung (14) und ein Zerkleinerungswerkzeug (16), welches durch die Antriebseinrichtung (14) angetrieben wird, wobei sich das Bohrgerät (10) mittels Zerkleinerungsarbeit des
Zerkleinerungswerkzeugs (16) und der an das Bohrgerät (10) angelegten Schwerkraft autonom vortreibend in ein Bohrloch (12) eingräbt und mit Strom betrieben wird.
2. Bohrgerät (10) nach Anspruch 1, wobei die
Antriebseinrichtung (14) wenigstens einen Elektromotor (20) umfasst .
3. Bohrgerät (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Antriebseinrichtung (14) in Relation zu der das Bohrloch (12) umgebenden Bohrlochwand im Wesentlichen drehstarr fixiert und in Längsrichtung des Bohrlochs (12) bewegbar ist .
4. Bohrgerät (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine an der Antriebseinrichtung (14) eingerichtete Andruckeinrichtung (44) zum wenigstens zeitweiligen Einklemmen der Antriebseinrichtung (14) an der Bohrlochwand.
5. Bohrgerät (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bohrgerät (10) wenigstens abschnittsweise mit einer Spülflüssigkeit beaufschlagbar ist.
6. Bohrgerät (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bohrgerät (10) mit einem an die Oberfläche geführten Seil (22) verbunden ist.
7. Bohrgerät (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Zerkleinerungswerkzeug (16) einen Bohrkopf oder Rollenmeissel umfasst.
8. Bohrgerät (10) nach Anspruch 7, bei welchem der Bohrkopf (16) eine Mehrzahl von Bohrkronen (50'-50'''') umfasst, welche zueinander konzentrisch angeordnet sind.
9. Verfahren zum Bohren eines Bohrlochs (12) mit einem Bohrgerät (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, welches sich autonom vortreibend zur Erstellung des Bohrlochs (12) eingräbt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei welchem eine
Schlitzverrohrung, eine Verrohrung mit einem Strumpf oder eine Stahlverrohrung eingesetzt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei welchem eine Spülflüssigkeit mit Wasser oder Bentonit eingesetzt wird.
12. Verwendung eines Bohrgeräts (10) nach einem der
Ansprüche 1 bis 8 zum autonomen Bohren eines Bohrlochs (12) für eine Erdwärmesonde, einen Brunnen oder ähnliche
Verwendung .
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