EP2085566B1 - Bohranlage - Google Patents

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Publication number
EP2085566B1
EP2085566B1 EP08173104A EP08173104A EP2085566B1 EP 2085566 B1 EP2085566 B1 EP 2085566B1 EP 08173104 A EP08173104 A EP 08173104A EP 08173104 A EP08173104 A EP 08173104A EP 2085566 B1 EP2085566 B1 EP 2085566B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
drilling
assembly according
drilling assembly
receptacle
casing pipe
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP08173104A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2085566A2 (de
EP2085566A3 (de
Inventor
Dietmar Dipl.-Wi.-Ing. Jenne
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Terra AG fuer Tiefbautechnik
Original Assignee
Terra AG fuer Tiefbautechnik
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Terra AG fuer Tiefbautechnik filed Critical Terra AG fuer Tiefbautechnik
Publication of EP2085566A2 publication Critical patent/EP2085566A2/de
Publication of EP2085566A3 publication Critical patent/EP2085566A3/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2085566B1 publication Critical patent/EP2085566B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/20—Driving or forcing casings or pipes into boreholes, e.g. sinking; Simultaneously drilling and casing boreholes
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B17/00—Drilling rods or pipes; Flexible drill strings; Kellies; Drill collars; Sucker rods; Cables; Casings; Tubings
    • E21B17/02—Couplings; joints
    • E21B17/04—Couplings; joints between rod or the like and bit or between rod and rod or the like
    • E21B17/046—Couplings; joints between rod or the like and bit or between rod and rod or the like with ribs, pins, or jaws, and complementary grooves or the like, e.g. bayonet catches
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B17/00—Drilling rods or pipes; Flexible drill strings; Kellies; Drill collars; Sucker rods; Cables; Casings; Tubings
    • E21B17/02—Couplings; joints
    • E21B17/03—Couplings; joints between drilling rod or pipe and drill motor or surface drive, e.g. between drilling rod and hammer
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B3/00—Rotary drilling
    • E21B3/02—Surface drives for rotary drilling
    • E21B3/022—Top drives
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B4/00—Drives for drilling, used in the borehole
    • E21B4/06—Down-hole impacting means, e.g. hammers
    • E21B4/14—Fluid operated hammers

Definitions

  • the invention relates to a drilling rig comprising a drill ramp, a displaceably arranged on this drive unit with a boom receptacle for releasable connection to a drill pipe and with a drive motor, which communicates with the boom receiving in torque-transmitting connection, and a rod for receiving coaxial feed pipe receptacle for releasable connection with a Casing, wherein additional coupling means (46, 74) are provided for torque transmitting connection between the drive motor (24) and the casing receiving means (32) and wherein the casing receiving means (32) has a cylindrical pipe section (48) attached to the drive unit (18) thereof. far end with a liner (60) is connectable.
  • a drilling rig of the aforementioned type is for example from the EP 383 225 A1 or the DE 20 26 364 A1 known.
  • the drill pipe and the casing are driven in rotation by the same drive motor and can thus be driven simultaneously into the soil.
  • Such a drilling rig is smaller, lighter and cheaper than the above-described large drilling rigs. It can be used in construction sites that are inaccessible to large scale facilities and can more economically drill holes such as geothermal wells at depths of 70 to 140 meters. Since the drive head has only a single hydraulic motor, the drive hydraulics required for this purpose is relatively simple in construction.
  • the invention has for its object to avoid the uncontrolled leakage of drilling mud at the upper end of the casing.
  • the cylindrical pipe section is closed at its end facing the drive unit by a lid which has a passage opening for the boom receptacle, wherein the cylindrical pipe section near its drive end has at least one outlet opening for a drilling fluid and of a this covering discharge ring is surrounded, which is freely rotatable relative to the pipe section and sealed on both sides of the outlet opening and which has a connectable to a drain pipe for the drilling fluid radial outflow channel.
  • drilling mud can be removed to the side and transported into a sludge well, without the actual construction site completely dirty.
  • the drilling mud which is fed, for example, by compressed air, which is fed to a downhole hammer connected to the drill string, would otherwise be blown out of the casing at high speed and pollute the adjacent building facades and the entire construction site area.
  • the passage opening on the cover can be sealed off from the boom support by adjustable seals and also the seals between the bearing race and the cylindrical pipe section can be adjusted.
  • the above-described derivation of the drilling mud is also applicable with advantage, when boom support and feed tube receiving are each driven by their own drive units.
  • the coupling means are designed for the transmission of a torque in both directions of rotation, so that the screw connections between the individual casing pipes and the individual drill pipe sections can also be produced and released with the aid of the drive motor.
  • the coupling means comprise a driver disposed on the boom receptacle and a rotational stop on the liner receiving means for engaging the rod receptacle such that a rotationally fixed connection between the boom receptacle and the liner receiving means can be made without rigidly connecting the two members together ,
  • the driver and the rotation stop for example, be designed in the manner of a bayonet closure, the bayonet lock on the two rotation stops a Glasverrastung or a pull and Schubverrastung can have. This is not only a rotationally fixed connection, but also a load on shear and tensile loads between the linkage support and the feed pipe receiving is given.
  • the feed pipe receiving associated parts of the coupling means are suitably arranged on the lid of the feed tube receiving.
  • the outlet for the drilling mud may consist of several distributed over the circumference of the cylindrical pipe section and separated by webs slits.
  • the slots can be over a substantial part of the circumference of the cylindrical pipe section extend. The remaining webs need only be so wide that they ensure a torque transfer from the cover to the cylindrical pipe section.
  • the slots may extend together over about 340 ° of the tube circumference.
  • the drill string can be connected to a fluid-operated down-the-hole hammer, wherein the pressure medium can be fed through the hollow drill pipe.
  • the Imlochhamer carries a drill head whose outer diameter is smaller than the inner diameter of a casing. This allows the downhole hammer to be pulled up inside the casing.
  • the casings can only be propelled through loose soil and through loose rock until the casings meet the first layer of rock. From then on the hammer must continue drilling alone. This is also sufficient in most types of subsoil, as the subsoil tends to remain rocky with increasing depth once the rock has started.
  • the Imlochhammer can drill in Felsgut alone without casings, because rock is usually stable. The drilling becomes problematic only when in one certain depth of rock is coming, below this layer of rock but again loose rock follows, so that the drilling channel can coincide. Then the casings have to be drilled through the layer of rock.
  • the down-the-hole hammer can carry an eccentric boring head whose smaller outer diameter is smaller than the inner diameter of a casing and whose largest outer diameter is greater than the outer diameter of a casing.
  • the Imlochhammer can be opened and lowered through the casings. Once the drill head is below (outside) the casing, the downhole hammer is rotated in the direction of work.
  • the two halves of the Exzenterbohrkopfes move against each other outwards, so that the bore diameter is now greater than the outer diameter of the casing pipes.
  • the down hole hammer can thus drill boreholes through rock strata which are larger than the casings, so that the casings can also be laid through the rock strata.
  • casings can also stabilize wells in loosened rock that lies below rock strata.
  • a transition piece is arranged between the drill string and the Imlochhammer, which is provided with radial Zentrierstegen.
  • the axial length of the transition piece is expediently chosen so that the drill head protrudes from the mounted first casing on the pipe fitting mounted on the drill pipe or the drill pipe.
  • the drill ramp can in a conventional manner in different working positions between a horizontal and a vertical end position are adjustable so that can be drilled horizontally or vertically or in any intermediate position. Furthermore, in each case a clamping device for the drill string and the casing can be arranged in a conventional manner on the drill ramp.
  • the in the FIG. 1 illustrated drilling rig comprises a chassis 10 with a chassis 12 to which a drill ramp 14 is pivotally articulated so that it by means of a working cylinder 16 between in the FIG. 1 shown vertical position and an approximately horizontal position is adjustable, in which it rests on the chassis 12.
  • a generally designated 18 drive unit for the drill pipe and the casing pipes is arranged at the drill ramp 14. It comprises a carriage 20 which is guided displaceably on the drill ramp 14 in the direction of the double arrow A and can be moved by a carriage drive 22 via a drive chain (not shown). On the carriage 20, a hydraulic motor 24 is arranged, which drives a spindle 26. With this a rod receptacle 28 can be coupled, which is connectable to a drill pipe, not shown, via a screw 30. With the rod receptacle 28, in turn, a feed tube receptacle 32 can be coupled, as will be explained below.
  • a casing clamp 34, a drill pipe clamp 36 and a breakaway device 38 are arranged on this, which are known per se and need not be explained in more detail.
  • the clamping devices 34 and 36 are the casings or drill pipe hydraulically clamped.
  • the breakaway device 38 enables the loosening of the screw connections between the individual casing pipes or drill pipe sections.
  • An operating unit 42 for operating the drilling rig is arranged on an arm 40 connected to the chassis 12.
  • the arranged below the boom receptacle 28 feed tube receptacle 32 consists of a cylindrical pipe section 48 which is closed at its upper end by a cover 50.
  • the lid has a passage opening 52 through which the rod-shaped boom receptacle 28 coaxial with the pipe section 48 can be inserted into this. This opening is sealed relative to the rod holder 28 by adjustable seals 54.
  • the cylindrical pipe section 48 is provided with an internal thread 56 which is adapted to be screwed to a corresponding external thread section 58 of a casing 60 (FIG. FIGS. 5 and 6 ) serves.
  • outlet openings 62 are formed in the pipe section, which are separated by webs 64 (of which in the FIG. 2 only one can be seen).
  • the outlet openings 62 are covered by an outlet ring 66 surrounding the pipe section 48, which has an outlet channel 70 connected to a connection pipe 68 for a drainage pipe.
  • the discharge ring 66 is freely rotatable relative to the pipe section 48 and sealed by adjustable seals 72 above and below the outlet openings 62.
  • the outlet openings 62 and the outlet channel 70 serve for the discharge of drilling mud, which is expelled upwards between the drill pipe and the casing pipes.
  • FIGS. 5 and 6 show two variants of this compound, which when exercising a train ( Figure 5 ) or train or thrust ( Figure 6 ) on the boom receiving a locking of the driver with the arranged on the lid 50 of the feed tube receiving stop elements 74 ensure 74. This can reliably prevent inadvertent release of the connection during operation.
  • the bayonet lock between The boom support 28 and the liner receiving means 32 ensures that boom support and liner receive rotation in both directions simultaneously and that full torque can be transferred.
  • the bayonet closure allows a rapid release of the feed tube receiving the boom recording.
  • the sinking of the wellbore is accomplished by means of a downhole hammer 76 which carries a drill head 78 at its lower end.
  • a transition piece 80 is mounted, which carries three Zentrierstreben 82, which serve for centering the Imlochhammers 76 within the first casing 60.
  • This carries at its lower end a casing crown 84.
  • the length of the transition piece 80 is selected so that the drill head 78 by the flow distance a before (below) the casing crown 84 is located as soon as the first casing 60 and the hole hammer 76 with transition piece to the drive unit 18 of the drilling rig are mounted.
  • the casing crown 84 are screwed to the first casing 60 and the Imlochhammer 76 with the transition piece 80.
  • the first casing 60 has in its lower portion two diametrically aligned bores 86 through which a mounting bolt 88 (FIG. FIG. 8 ) is plugged. If the down-hole hammer is pushed into the first casing and this is positioned vertically, the transition piece 80 now looks as far up out of the first casing, that it with the boom recording 28 can be screwed.
  • the mounting bolt 88 is positioned so that the drill head 78 is reset by the distance b from its working position. If the mounting bolt 88 is removed, the drive unit 18 is moved down to the drill ramp down so far that the feed tube holder 32 can be screwed to the first casing.
  • the Imlochhammer is turned on (compressed air supplied) and casing and in-hole hammer are pressed simultaneously rotating (at about 30 revolutions per minute) into the ground, until the first casing is almost retracted over its entire length.
  • the excavated soil is carried by the emerging compressed air upwards and discharged laterally controlled by the outlet opening 62 and the outlet channel 70.
  • the casing is placed so far into the soil until it can just be detected by the casing clamp 34.
  • the downhole hammer is stopped and unscrewed the Futterrohrability.
  • the drive unit 18 is driven by a return stroke upwards, which is set so tight that now the transition piece 80 clamped by the linkage clamp 36 and the rod seat 28 can be unscrewed.
  • All clamping and screwing operations are hydraulically, i. not manually.
  • the two clamps are controlled to hold the liners and linkage reliably until the operator reopens the clamps.
  • the next pair of drill pipe / casing is mounted. Both have the same effective length, for example 1.5 meters.
  • the threads on the linkage sections and casing pipes have the same direction of rotation, so they are designed either as right-hand or left-hand thread.
  • the linkage section is pushed into the casing. Both are placed vertically and lifted into the drilling rig. Due to the return stroke b, the drill pipe can now first be screwed to the transition piece 80 and the boom support. Subsequently, the linkage clamp is released and the drive unit 18 lowered so far that the casing can be screwed to the already introduced casing and with the feed tube recording. Thereafter, the drill head 78 is again to the flow a in front of the casing crown. The Imlochhammer is turned on and introduced the next length of casing.
  • the casings must be routed through the layer of rock.
  • the Imlochhammer is pulled out completely.
  • the drill head is replaced by an eccentric drill head. This consists in a conventional manner of two halves, which fit in normal position through the casings. As soon as the eccentric drilling head is located in its drilling position below the lowermost casing and is rotated in the working direction, the two eccentric halves shift outwards relative to one another. As a result, the bore diameter is larger than the outer diameter of the casing pipes. Thus, the borehole for the introduction of the casing pipes can be extended accordingly.
  • the drill pipe is pulled up completely with the downhole hammer and disassembled.
  • the geothermal probe for geothermal energy or the well pipe or other desired carrier pipe or the like is drained.
  • the casings are pulled upwards and dismantled.
  • disassembling the drill pipes or casings help the clamping and breakaway devices 34, 36, 38 of the drilling rig. They solve the respective threaded connections by the linkage clamp 36 the penultimate linkage section or the liner clamp 34 clamps the penultimate casing and the breakaway device 38 clamps the last linkage section and the last casing and rotates.
  • the drive unit 18, the corresponding pipes or pipe sections completely unscrew.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Bohranlage umfassend eine Bohrrampe, eine an dieser verschiebbar angeordnete Antriebseinheit mit einer Gestängeaufnahme zur lösbaren Verbindung mit einem Bohrgestänge und mit einem Antriebsmotor, der mit der Gestängeaufnahme in Drehmoment übertragender Verbindung steht, sowie eine zur Gestängeaufnahme koaxiale Futterrohraufnahme zur lösbaren Verbindung mit einem Futterrohr, wobei zusätzliche Kopplungsmittel (46, 74) zur drehmomentübertragenden Verbindung zwischen dem Antriebsmotor (24) und der Futterrohraufnahme (32) vorgesehen sind und wobei die Futterrohraufnahme (32) einen zylindrischen Rohrabschnitt (48) hat, der an seinem der Antriebseinheit (18) fernen Ende mit einem Futterrohr (60) verbindbar ist.
  • Eine Bohranlage der vorstehend genannten Art ist beispielsweise aus der EP 383 225 A1 oder der DE 20 26 364 A1 bekannt.
  • Ferner sind Großbohranlagen bekannt, die üblicherweise einen Doppelantriebskopf haben, bei dem das Bohrgestänge und die Futterrohre getrennt über jeweils einen eigenen Hydraulikmotor angetrieben und so gleichzeitig ins Erdreich vorgetrieben werden. Dies erfordert einen teuren Antriebskopf und eine teure Antriebshydraulik.
  • Bei kleinen Bohranlagen ist es ferner bekannt, abwechselnd zunächst die Futterrohre und anschließend den mit dem Bohrgestänge verbundenen Bohrkopf voranzutreiben. Dies ist umständlich und zeitaufwändig, da die Aufnahme des Antriebskopfes jeweils gewechselt werden muss, wenn zwischen Futterrohren und Rohrgestänge gewechselt wird. Häufig ist es nicht möglich, die Futterrohre auf einmal auf die erforderliche Tiefe voranzutreiben, da der Untergrund dies nicht zulässt. Dann müssen die Futterrohre beispielsweise einige Meter vorgetrieben werden. Anschließend bohrt der Bohrkopf diese Strecke nach, dann wieder werden die Futterrohre um eine Einheitsstrecke vorangetrieben und so weiter.
  • Bei der eingangs genannten Lösung werden das Bohrgestänge und das Futterrohr von demselben Antriebsmotor drehend angetrieben und können somit gleichzeitig in dem Erdreich vorgetrieben werden. Eine solche Bohranlage ist kleiner, leichter und preisgünstiger als die oben geschilderten großen Bohranlagen. Sie kann in Baustellen eingesetzt werden, die für Großanlagen nicht zugänglich sind und kann Bohrungen, beispielsweise Erdwärmebohrungen in Tiefen von 70 bis 140 Metern wirtschaftlicher herstellen. Da der Antriebskopf nur einen einzigen Hydraulikmotor hat, ist die hierzu erforderliche Antriebshydraulik vergleichsweise einfach in ihrem Aufbau.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den unkontrollierten Austritt von Bohrschlamm am oberen Ende des Futterrohres zu vermeiden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der zylindrische Rohrabschnitt an seinem der Antriebseinheit zugewandten Ende durch einen Deckel verschlossen ist, welcher einer Durchtrittsöffnung für die Gestängeaufnahme hat, wobei der zylindrische Rohrabschnitt nahe seinem antriebsseitigen Ende mindestens eine Austrittsöffnung für ein Bohrfluid hat und von einem diese abdeckenden Auslaufring umgeben ist, der gegenüber dem Rohrabschnitt frei drehbar und beiderseits der Austrittsöffnung abgedichtet ist und der einen an eine Abflussleitung für das Bohrfluid anschließbaren radialen Abflusskanal hat.
  • Damit kann der in dem Ringspalt zwischen dem Bohrgestänge und den Futterrohren aufsteigende Bohrschlamm zur Seite abgeführt und in eine Schlammmulde transportiert werden, ohne dass die eigentliche Baustelle völlig verdreckt. Der Bohrschlamm, der beispielsweise durch Druckluft, die einem mit dem Bohrgestänge verbundenen Imlochhammer zugeführt wird, würde sonst mit hoher Geschwindigkeit oben aus dem Futterrohr herausgeblasen und die benachbarten Häuserfassaden und den gesamten Baustellenbereich verschmutzen. Um den Austritt von Bohrschlamm an der Baustelle sicher zu unterbinden, ist es zweckmäßig, wenn die Durchtrittsöffnung an dem Deckel gegenüber der Gestängeaufnahme durch nachstellbare Dichtungen abdichtbar ist und auch die Dichtungen zwischen dem Auflaufring und dem zylindrischen Rohrabschnitt nachstellbar sind. Die vorstehend beschriebene Ableitung des Bohrschlammes ist auch mit Vorteil anwendbar, wenn Gestängeaufnahme und Futterrohraufnahme jeweils durch eigene Antriebseinheiten angetrieben werden. Vorzugsweise sind die Kopplungsmittel für die Übertragung eines Drehmomentes in beiden Drehrichtungen ausgebildet, so dass die Schraubverbindungen zwischen den einzelnen Futterrohren und den einzelnen Bohrgestängeabschnitten auch mit Hilfe des Antriebsmotors hergestellt und gelöst werden können.
  • Die Gestängeaufnahme und die Futterrohraufnahme können fest miteinander verbunden sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform jedoch umfassen die Kopplungsmittel einen an der Gestängeaufnahme angeordneten Mitnehmer und einen zum Eingriff mit diesem bestimmten Drehanschlag an der Futterrohraufnahme, so dass eine drehfeste Verbindung zwischen der Gestängeaufnahme und der Futterrohraufnahme hergestellt werden kann, ohne dass diese beiden Teile miteinander fest verbunden sind. Der Mitnehmer und der Drehanschlag können beispielsweise nach Art eines Bajonettverschlusses ausgebildet sein, wobei der Bajonettverschluss an den beiden Drehanschlägen eine Zugverrastung oder auch eine Zug- und Schubverrastung haben kann. Damit ist nicht nur eine drehfeste Verbindung, sondern auch eine auf Schub- und Zugkräfte belastbare Verbindung zwischen der Gestängeaufnahme und der Futterrohraufnahme gegeben.
  • Die der Futterrohraufnahme zugeordneten Teile der Kopplungsmittel sind zweckmäßigerweise an dem Deckel der Futterrohraufnahme angeordnet. Die Austrittsöffnung für den Bohrschlamm kann aus mehreren über den Umfang des zylindrischen Rohrabschnittes verteilten und durch Stege voneinander getrennten Schlitzen bestehen. Die Schlitze können sich dabei über einen wesentlichen Teil des Umfanges des zylindrischen Rohrabschnittes erstrecken. Die verbleibenden Stege müssen lediglich so breit sein, dass sie eine Drehmomentübertragung von dem Deckel auf den zylindrischen Rohrabschnitt gewährleisten. So können sich die Schlitze beispielsweise zusammen über ca. 340° des Rohrumfanges erstrecken.
  • Wie oben bereits erwähnt, kann das Bohrgestänge mit einem druckmittelbetriebenen Imlochhammer verbunden sein, wobei das Druckmittel durch das hohl ausgebildete Bohrgestänge zuführbar ist. Normalerweise trägt der Imlochhamer einen Bohrkopf, dessen Außendurchmesser kleiner als der Innendurchmesser eines Futterrohres ist. Dadurch kann der Imlochhammer innerhalb der Futterrohre nach oben herausgezogen werden. Allerdings können mit einer normalen Bohrkrone die Futterrohre nur durch lockeres Erdreich und durch Lockergestein soweit vorgetrieben werden, bis die Futterrohre auf die erste Felsschicht treffen. Ab dann muss der Imlochhammer alleine weiter bohren. In den meisten Untergrundarten ist dies auch ausreichend, da der Untergrund mit zunehmender Tiefe in der Regel felsig bleibt, sobald der Fels einmal angefangen hat. Der Imlochhammer kann in Felsgut alleine ohne Futterrohre bohren, da Fels in der Regel standfest ist. Problematisch wird die Bohrung erst, wenn in einer bestimmten Tiefe Fels kommt, unterhalb dieser Felsschicht aber wieder Lockergestein folgt, so dass der Bohrkanal zusammenfallen kann. Dann müssen die Futterrohre durch die Felsschicht hindurch gebohrt werden können. Zu diesem Zweck kann der Imlochhammer einen Exzenterbohrkopf tragen, dessen kleiner Außendurchmesser kleiner als der Innendurchmesser eines Futterrohres ist und dessen größter Außendurchmesser größer als der Außendurchmesser eines Futterrohres ist. Damit kann der Imlochhammer durch die Futterrohre auf- und abgelassen werden. Sobald sich der Bohrkopf unterhalb (außerhalb) der Futterrohre befindet, wird der Imlochhammer in Arbeitsrichtung gedreht. Dadurch verschieben sich die beiden Hälften des Exzenterbohrkopfes gegeneinander nach außen, so dass der Bohrdurchmesser jetzt größer als der Außendurchmesser der Futterrohre ist. Der Imlochhammer kann so durch Felsschichten Bohrkanäle bohren, die größer als die Futterrohre sind, so dass die Futterrohre auch die Felsschichten hindurch verlegt werden können. Dadurch können Futterrohre auch Bohrkanäle in Lockergestein stabilisieren, das unterhalb von Felsschichten liegt.
  • Um die radiale Lage des Imlochhammers gegenüber dem jeweiligen untersten Futterrohr zu stabilisieren, ist es zweckmäßig, wenn zwischen dem Bohrgestänge und dem Imlochhammer ein Übergangsstück angeordnet ist, das mit radialen Zentrierstegen versehen ist. Die axiale Länge des Übergangsstückes ist dabei zweckmäßigerweise so gewählt, dass der Bohrkopf an dem an der Gestängeaufnahme oder dem Bohrgestänge montierten Imlochhammer aus dem montierten ersten Futterrohr herausragt.
  • Die Bohrrampe kann in an sich bekannter Weise in unterschiedlichen Arbeitsstellungen zwischen einer horizontalen und einer vertikalen Endstellung einstellbar sind, so dass horizontal oder vertikal oder in einer beliebigen Zwischenstellung gebohrt werden kann. Ferner kann in an sich bekannter Weise an der Bohrrampe jeweils eine Klemmvorrichtung für das Bohrgestänge und das Futterrohr angeordnet sein. Den Klemmvorrichtungen ist zweckmäßigerweise eine an der Bohrrampe angeordnete Losbrechvorrichtung zugeordnet, um so die durch das Arbeiten festgezogenen Schraubverbindungen zwischen den Gestängeabschnitten und den Futterrohren lösen zu können.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, welche in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine teilweise schematische perspektivische Gesamtansicht der erfindungsgemäßen Bohranlage,
    Fig.2
    eine perspektivische Darstellung der Gestängeaufnahme und der mit dieser koppelbaren Futterrohraufnahme,
    Fig. 3
    eine Darstellung der Gestängeaufnahme und der Futter- rohraufnahme, letztere in einem die Achse enthaltenden Schnitt,
    Fig.4
    eine perspektivische, teilweise geschnittene Darstellung der Gestängeaufnahme und der Futterrohraufnahme im gekop- pelten Zustand,
    Fig. 5 und 6
    abgewandelte Ausführungsformen der Bajonettverschluss- elemente an der Futterrohraufnahme und
    Fig. 7 und 8
    jeweils eine Schnittansicht durch ein Futterrohr mit einem Imlochhammer zur Erläuterung der Montage desselben an dem Bohrgestänge.
  • Die in der Figur 1 dargestellte erfindungsgemäße Bohranlage umfasst ein Fahrgestell 10 mit einem Chassis 12, an dem eine Bohrrampe 14 schwenkbar so angelenkt ist, dass sie mit Hilfe eines Arbeitszylinders 16 zwischen der in der Figur 1 dargestellten Vertikalstellung und einer annähernd horizontalen Stellung verstellbar ist, in der sie auf dem Chassis 12 aufliegt.
  • An der Bohrrampe 14 ist eine allgemein mit 18 bezeichnete Antriebseinheit für das Bohrgestänge und die Futterrohre angeordnet. Sie umfasst einen Schlitten 20, der an der Bohrrampe 14 in Richtung des Doppelpfeiles A verschiebbar geführt ist und über eine nicht dargestellte Antriebskette von einem Schlittenantrieb 22 her verfahrbar ist. An dem Schlitten 20 ist ein Hydraulikmotor 24 angeordnet, der eine Spindel 26 antreibt. Mit dieser ist eine Gestängeaufnahme 28 koppelbar, die mit einem nicht dargestellten Bohrgestänge über eine Schraubverbindung 30 verbindbar ist. Mit der Gestängeaufnahme 28 wiederum ist eine Futterrohraufnahme 32 koppelbar, wie dies im Weiteren noch erläutert wird. Im unteren Bereich der Bohrrampe 14 sind an dieser eine Futterrohrklemme 34, eine Bohrgestängeklemme 36 und eine Losbrechvorrichtung 38 angeordnet, die an sich bekannt sind und nicht näher erläutert zu werden brauchen. In den Klemmvorrichtungen 34 und 36 werden die Futterrohre bzw. Bohrgestänge hydraulisch geklemmt. Im Zusammenwirken mit den Klemmvorrichtungen ermöglicht die Losbrechvorrichtung 38 das Lösen der Schraubverbindungen zwischen den einzelnen Futterrohren bzw. Bohrgestängeabschnitten.
  • An einem mit dem Chassis 12 verbundenen Arm 40 ist eine Bedienungseinheit 42 zum Bedienen der Bohranlage angeordnet.
  • In den Figuren 2 und 3 erkennt man zunächst wieder die stangenförmige Gestängeaufnahme 28, die an ihrem oberen Ende über einen Flansch 44 in nicht dargestellter Weise mit der Spindel 26 der Antriebseinheit 18 fest verbunden werden kann. Sie ist an ihrem unteren Ende über den konischen Gewindezapfen 30 mit einem Bohrgestängeabschnitt verschraubbar. Nahe dem oberen Ende trägt die Gestängeaufnahme 28 radial gerichtete bolzenförmige Mitnehmer 46.
  • Die unterhalb der Gestängeaufnahme 28 angeordnete Futterrohraufnahme 32 besteht aus einem zylindrischen Rohrabschnitt 48, der an seinem oberen Ende durch einen Deckel 50 verschlossen ist. Der Deckel hat eine Durchtrittsöffnung 52, durch die die stangenförmige Gestängeaufnahme 28 koaxial zu dem Rohrabschnitt 48 in diesen eingesteckt werden kann. Diese Öffnung wird gegenüber der Gestängeaufnahme 28 durch nachstellbare Dichtungen 54 abgedichtet. An seinem unteren Ende ist der zylindrische Rohrabschnitt 48 mit einem Innengewinde 56 versehen, das zur Schraubverbindung mit einem entsprechenden Außengewindeabschnitt 58 eines Futterrohres 60 (Figuren 5 und 6) dient.
  • Nahe dem Deckel 50 sind in dem Rohrabschnitt 48 Austrittsöffnungen 62 ausgebildet, die durch Stege 64 voneinander getrennt sind (von denen in der Figur 2 nur einer zu sehen ist). Die Austrittsöffnungen 62 werden von einem den Rohrabschnitt 48 umgebenden Auslaufring 66 überdeckt, der einen mit einem Anschlussstutzen 68 für eine Abflussleitung verbundenen Auslaufkanal 70 hat. Der Auslaufring 66 ist gegenüber dem Rohrabschnitt 48 frei drehbar und durch nachstellbare Dichtungen 72 oberhalb und unterhalb der Austrittsöffnungen 62 abgedichtet. Die Austrittsöffnungen 62 und der Auslaufkanal 70 dienen zum Abführen von Bohrschlamm, der zwischen dem Bohrgestänge und den Futterrohren nach oben ausgetrieben wird.
  • Auf der Oberseite des Deckels 50 sind vier winkelförmige Anschläge 74 angeordnet, die zum Zusammenwirken mit den Mitnehmern 46 an der Gestängeaufnahme 28 nach Art eines Bajonettverschlusses bestimmt sind. In der Darstellung in Figur 2 können die Mitnehmbolzen 46 durch den Spalt zwischen den beiden Anschlagelementen 74 treten. Nach dem Einführen der Gestängeaufnahme 28 in die Futterrohraufnahme 32 und Drehung der Gestängeaufnahme 28 gegenüber der Futterrohraufnahme 32 kann auf diese Weise eine drehfeste Verbindung zwischen der Gestängeaufnahme 28 und der Futterrohraufnahme 32 hergestellt werden (Fig.4).
  • Die Figuren 5 und 6 zeigen zwei Varianten dieser Verbindung, die bei Ausüben eines Zuge (Fig.5) bzw. Zuges oder Schubes (Fig.6) auf die Gestängeaufnahme eine Verrastung der Mitnehmer mit den an dem Deckel 50 der Futterrohraufnahme 32 angeordneten Anschlagelementen 74 sicherstellen. Damit kann ein unbeabsichtigtes Lösen der Verbindung im Betrieb zuverlässig verhindert werden. Der Bajonettverschluss zwischen der Gestängeaufnahme 28 und der Futterrohraufnahme 32 stellt sicher, dass sich Gestängeaufnahme und Futterrohraufnahme in beiden Drehrichtungen gleichzeitig drehen und dass das volle Drehmoment übertragen werden kann. Andererseits erlaubt der Bajonettverschluss ein rasches Lösen der Futterrohraufnahme von der Gestängeaufnahme.
  • Anhand der Figuren 7 und 8 soll nun die Montage der Futterrohre und Bohrgestänge und die Bedienung der Bohranlage beschrieben werden.
  • Es wird davon ausgegangen, dass das Abteufen des Bohrloches mit Hilfe eines Imlochhammers 76 erfolgt, der an seinem unteren Ende einen Bohrkopf 78 trägt. Oberhalb des Imlochhammers wird ein Übergangsstück 80 montiert, das drei Zentrierstreben 82 trägt, die zum Zentrieren des Imlochhammers 76 innerhalb des ersten Futterrohres 60 dienen. Dieses trägt an seinem unteren Ende eine Futterrohrkrone 84. Die Länge des Übergangsstückes 80 ist so gewählt, dass der Bohrkopf 78 um das Vorlaufmaß a vor (unterhalb) der Futterrohrkrone 84 liegt, sobald das erste Futterrohr 60 und der Imlochhammer 76 mit Übergangsstück an der Antriebseinheit 18 der Bohranlage montiert sind.
  • Um den Imlochhammer und das erste Futterrohr montieren zu können, werden die Futterrohrkrone 84 mit dem ersten Futterrohr 60 und der Imlochhammer 76 mit dem Übergangsstück 80 verschraubt. Das erste Futterrohr 60 hat in seinem unteren Bereich zwei diametral miteinander fluchtende Bohrungen 86, durch die ein Montagebolzen 88 (Figur 8) gesteckt wird. Wird der Imlochhammer in das erste Futterrohr geschoben und dieses vertikal aufgestellt, schaut das Übergangsstück 80 nun soweit nach oben aus dem ersten Futterrohr heraus, dass es mit der Gestängeaufnahme 28 verschraubt werden kann. Der Montagebolzen 88 ist so positioniert, dass der Bohrkopf 78 um den Abstand b gegenüber seiner Arbeitsposition zurückgesetzt ist. Wird der Montagebolzen 88 entfernt, wird die Antriebseinheit 18 an der Bohrrampe soweit nach unten gefahren, dass die Futterrohraufnahme 32 mit dem ersten Futterrohr verschraubt werden kann.
  • Nun wird der Imlochhammer eingeschaltet (Druckluft zugeführt) und Futterrohr und Imlochhammer werden gleichzeitig drehend (mit ca. 30 Umdrehungen pro Minute) ins Erdreich gedrückt, so lange bis das erste Futterrohr fast über seine komplette Länge eingefahren ist. Das abgebaute Erdreich wird dabei von der austretenden Druckluft nach oben getragen und durch die Austrittsöffnung 62 sowie den Auslaufkanal 70 seitlich kontrolliert abgeführt. Das Futterrohr wird so weit in das Erdreich eingebracht, bis es gerade noch von der Futterrohrklemme 34 erfasst werden kann. Der Imlochhammer wird gestoppt und die Futterrohraufnahme abgeschraubt. Anschließend wird die Antriebseinheit 18 um einen Rückhub nach oben gefahren, der so fest gelegt wird, dass jetzt das Übergangsstück 80 von der Gestängeklemme 36 geklemmt und die Gestängeaufnahme 28 abgeschraubt werden kann.
  • Alle Klemm- und Schraubvorgänge erfolgen hydraulisch, d.h. nicht manuell. Die beiden Klemmen sind so gesteuert, dass sie die Futterrohre und die Gestänge so lange zuverlässig halten, bis die Bedienungsperson die Klemmen wieder öffnet.
  • Anschließend wird das nächste Paar Bohrgestänge/Futterrohr montiert. Beide haben die gleiche Wirklänge, beispielsweise 1,5 Meter. Die Gewinde an den Gestängeabschnitten und Futterrohren haben die gleiche Drehrichtung, sind also entweder als Rechts- oder als Linksgewinde ausgebildet. Der Gestängeabschnitt wird in das Futterrohr geschoben. Beiden werden vertikal aufgestellt und in die Bohranlage gehoben. Durch den Rückhub b kann jetzt zuerst das Bohrgestänge mit dem Übergangsstück 80 und der Gestängeaufnahme verschraubt werden. Anschließend wird die Gestängeklemme gelöst und die Antriebseinheit 18 so weit gesenkt, dass das Futterrohr mit dem bereits eingebrachten Futterrohr und mit der Futterrohraufnahme verschraubt werden kann. Danach befindet sich der Bohrkopf 78 wieder um den Vorlauf a vor der Futterrohrkrone. Der Imlochhammer wird eingeschaltet und die nächste Futterrohrlänge eingebracht.
  • Der vorstehend beschriebene Vorgang wiederholt sich, bis die Futterrohre auf Fels treffen. Anschließend kann der Imlochhammer mit dem Bohrgestänge alleine weitere bohren, da im Fels eine Bohrlochstabilisierung durch Futterrohre nicht mehr erforderlich ist. Dazu muss lediglich der Bajonettverschluss zwischen der Gestängeaufnahme der Futterrohraufnahme gelöst werden. Der Mitnehmerbolzen 46 an der Gestängeaufnahme 28 wird in die mittlere Position des Bajonettverschlusses gedreht und nach oben ausgefahren. Die Futterrohraufnahme 32 bleibt auf dem letzten Futterrohr und dient weiterhin der Bohrschlammabfuhr, während weitere Gestängeabschnitte montiert werden, bis die endgültige Bohrlochtiefe erreicht ist.
  • Falls unterhalb der Felsschicht wieder Lockergestein angetroffen wird, muss die Lockergesteinsschicht mit Futterrohren stabilisiert werden. Dazu müssen die Futterrohre durch die Felsschicht hindurch verlegt werden. Der Imlochhammer wird hierzu komplett herausgezogen. Der Bohrkopf wird durch einen Exzenterbohrkopf ersetzt. Dieser besteht in an sich bekannter Weise aus zwei Hälften, die in Normalposition durch die Futterrohre passen. Sobald der Exzenterbohrkopf sich in seiner Bohrposition unterhalb des untersten Futterrohres befindet und in Arbeitsrichtung gedreht wird, verschieben sich die beiden Exzenterhälften gegeneinander nach außen. Dadurch wird der Bohrdurchmesser größer als der Außendurchmesser der Futterrohre. So kann das Bohrloch für das Einbringen der Futterrohre entsprechend erweitert werden.
  • Ist die endgültige Bohrlochtiefe erreicht, wird das Bohrgestänge mit dem Imlochhammer vollständig nach oben gezogen und demontiert. In dem Bohrkanal wird die Erdsonde zur Erdwärmegewinnung oder das Brunnenrohr oder ein sonstiges gewünschtes Mediumrohr oder ähnliches abgelassen. Anschließend werden die Futterrohre drehend nach oben gezogen und demontiert. Bei der Demontage der Bohrgestänge bzw. Futterrohre helfen die Klemm- und Losbrechvorrichtungen 34, 36, 38 der Bohranlage. Sie lösen die jeweiligen Gewindeverbindungen, indem die Gestängeklemme 36 den vorletzten Gestängeabschnitt bzw. die Futterrohrklemme 34 das vorletzte Futterrohr klemmt und die Losbrechvorrichtung 38 den letzten Gestängeabschnitt bzw. das letzte Futterrohr klemmt und dreht. Sobald die Gewindeverbindung gelöst ist, kann die Antriebseinheit 18 die entsprechenden Rohre bzw. Gestängeabschnitte vollständig auseinander schrauben.

Claims (15)

  1. Bohranlage, umfassend eine Bohrrampe (14), eine an dieser verschiebbar angeordnete Antriebseinheit (18) mit einer Gestängeaufnahme (28) zur lösbaren Verbindung mit einem Bohrgestänge und mit einem Antriebsmotor (24), der mit der Gestängeaufnahme (28) in Drehmoment übertragender Verbindung steht, sowie eine zur Gestängeaufnahme (28) koaxiale Futterrohraufnahme (32) zur lösbaren Verbindung mit einem Futterrohr (60), wobei zusätzliche Kopplungsmittel (46, 74) zur drehmomentübertragenden Verbindung zwischen dem Antriebsmotor (24) und der Futterrohraufnahme (32) vorgesehen sind und wobei die Futterrohraufnahme (32) einen zylindrischen Rohrabschnitt (48) hat, der an seinem der Antriebseinheit (18) fernen Ende mit einem Futterrohr (60) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrische Rohrabschnitt (48) an seinem der Antriebseinheit (18) zugewandten Ende durch einen Deckel (50) verschlossen ist, welcher eine Durchtrittsöffnung (52) für die Gestängeaufnahme (28) hat, und dass der zylindrische Rohrabschnitt (48) nahe seinem antriebsseitigen Ende mindestens eine Austrittsöffnung (62) für ein Bohrfluid hat und von einem diese abdeckenden Auslaufring (66) umgeben ist, der gegenüber dem Rohrabschnitt (48) frei drehbar und beiderseits der Austrittsöffnung (62) abgedichtet ist und der einen an eine Abflussleitung für das Bohrfluid anschließbaren radialen Abflusskanal (70) hat.
  2. Bohranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungsmittel einen an der Gestängeaufnahme (32) angeordneten Mitnehmer (46) und einen zum Eingriff mit diesem bestimmten Drehanschlag (74) an der Futterrohraufnahme (32) umfassen.
  3. Bohranlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungsmittel nach Art eines Bajonettverschlusses ausgebildet sind.
  4. Bohranlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Bajonettverschluss an beiden Anschlägen eine Zugverrastung hat.
  5. Bohranlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Bajonettverschluss an beiden Anschlägen eine Schub- und Zugverrastung hat.
  6. Bohranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die der Futterrohraufnahme (32) zugeordneten Teile (74) der Kopplungsmittel an dem Deckel (50) angeordnet sind.
  7. Bohranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchtrittsöffnung (52) in dem Deckel (50) gegenüber der Gestängeaufnahme (28) durch nachstellbare Dichtungen (54) abdichtbar ist.
  8. Bohranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungen (72) zwischen dem Auslaufring (66) und dem zylindrischen Rohrabschnitt (48) nachstellbar sind.
  9. Bohranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (62) aus mehreren über den Umfang des zylindrischen Rohrabschnittes (48) verteilten und durch Stege (64) voneinander getrennten Schlitzen besteht.
  10. Bohranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bohrgestänge mit einem druckmittelbetriebenen Imlochhammer (76) verbunden ist, wobei das Druckmittel durch das hohl ausgebildete Bohrgestänge zuführbar ist.
  11. Bohranlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Imlochhammer (76) einen Bohrkopf (78) trägt, dessen Außendurchmesser kleiner als der Innendurchmesser eines Futterrohres (60) ist.
  12. Bohranlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Imlochhammer (76) einen Exzenterbohrkopf trägt, dessen kleinster Außendurchmesser kleiner als der Innendurchmesser eines Futterrohres (60) ist und dessen größter Außendurchmesser größer als der Außendurchmesser eines Futterrohres (60) ist.
  13. Bohranlage nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Bohrgestänge und dem Imlochhammer (76) ein Übergangsstück (80) angeordnet ist, das mit radialen Zentrierstegen (82) versehen ist.
  14. Bohranlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Länge des Übergangsstückes (80) so gewählt ist, dass der Bohrkopf (78) an dem an der Gestängeaufnahme (28) montierten Imlochhammer (76) aus dem montierten ersten Futterrohr (60) heraus ragt.
  15. Bohranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass an der Bohrrampe (14) jeweils eine Klemmvorrichtung (34, 36) für das Futterrohr (60) bzw. das Bohrgestänge angeordnet ist und dass den Klemmvorrichtungen (34, 36) eine an der Bohrrampe (14) angeordnete Losbrechvorrichtung (38) zugeordnet ist.
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