BOHRVORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUM BOHREN VON GESTEIN

Die Erfindung betrifft eine Bohrvorrichtung zum Bohren von Gestein, insbesondere Hartgestein, mit einem Bohrrohr und mindestens einer ersten Elektrode und mindestens einer zweiten Elektrode, zwischen denen eine elektrische Spannung erzeugbar ist, wobei durch Spannungsentladung zwischen den Elektroden Gesteinsmaterial abtragbar ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Bohren von Gestein, insbesondere Hartgestein, mit einem Bohrrohr, welches mindestens eine erste Elektrode und mindestens eine zweite Elektrode aufweist, zwischen denen eine elektrische Spannung aufgebaut wird, wobei durch Spannungsentladung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode Gesteinsmaterial zum Erzeugen der Bohrung abgetragen wird, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.

Es ist Stand der Technik, bei Hartgestein Bohrwerkzeuge mit sogenannten Rollen- oder Rundschaftmeißeln einzusetzen. Durch punktförmige Werkzeugspitzen können im Hartgestein punktuell so hohe Spannungen erzeugt werden, dass Gesteinsmaterial abplatzt und so das Bohrloch erstellt wird. Dieses mechanische Erstellen eines Bohrloches in Hartgestein ist jedoch sehr verschleißbehaftet und bedingt einen häufigen Austausch der Rollen- oder Rundschaftmeißel.

Ein gattungsgemäßes Bohrverfahren, welches auch als Elektroimpulsbohren bezeichnet wird, geht beispielsweise aus der DE 20 2006 018 980 U1 hervor. Bei der hierfür vorgesehenen Bohrvorrichtung ist eine Zentralelektrode ausgebildet, um welche eine Vielzahl von weiteren Elektroden ringförmig angeordnet ist. Zwischen der Zentralelektrode und den äußeren Elektroden kann eine Spannung aufgebaut werden, so dass Gesteinsmaterial an einer kreisscheibenförmigen Ortsbrust vollflächig abgetragen werden kann. Die Elektroden kontaktieren zwar das Gestein, müssen aber keine großen mechanischen Kräfte übertragen. Das Elektroimpulsbohren ist somit relativ verschleißarm, benötigt aber eine große Menge an elektrischer Energie.

Weitere derartige Bohrvorrichtungen zum Elektroimpulsbohren mit einer zentralen Elektrode sind beispielsweise auch aus der US 3,881,559 B, der US 2,822,148 B oder der US 2,308,860 B bekannt. Aus der DE 10 2011 100 358 A1 geht weiterhin eine Bohrvorrichtung mit einem gekrümmten Futterrohr hervor, durch welches zunächst horizontal ein Bohrkopf für ein Elektroimpulsverfahren eingeführt werden kann.

Zum Bohren von Hartgestein ist es weiterhin bekannt, Bohrköpfe einzusetzen, bei welchen Brenngase in den Bereich der Ortsbrust geleitet werden. Bei Hartgestein kann aufgrund thermischer Spannungen so Gesteinsmaterial gelöst und ein Bohrloch erstellt werden. Ein derartiges Bohrverfahren geht beispielsweise aus der US 2011/0198123 A1 hervor. Die Zuführung eines Brenngases in ein Bohrloch ist hinsichtlich Konstruktion, Betrieb und Wartung aufwändig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bohrvorrichtung und ein Verfahren zum Bohren anzugeben, mit welchen insbesondere in Hartgestein ein Bohrloch effizient erstellt werden kann.

Die Aufgabe wird zum einen durch eine Bohrvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und zum anderen durch ein Verfahren zum Bohren von Gestein mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Bohrvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass mehrere erste Elektroden und mehrere zweite Elektroden paarweise zueinander angeordnet sind und dass die mehreren Elektrodenpaare von erster Elektrode und zweiter Elektrode ringförmig entlang eines unteren Randes des Bohrrohres angeordnet sind.

Eine Grundidee der Erfindung kann darin gesehen werden, zum Erstellen eines Bohrloches ein Elektroimpulsverfahren einzusetzen, wobei ein Gesteinsabtrag jedoch nicht vollständig über den gesamten Bohrquerschnitt vorgesehen wird. Vielmehr sind nach der Erfindung die ersten Elektroden und die zweiten Elektroden paarweise zueinander entlang eines ringförmigen Randes eines Bohrrohres angeordnet. Somit wird sozusagen ein ringförmiges Bohrloch erstellt, in welchem ein entsprechender Bohrkern verbleibt. Die Elektroden eines Elektrodenpaares weisen eine unterschiedliche Polarität auf.

Nach einer Erkenntnis der Erfindung ist es nicht zwingend notwendig, diesen Bohrkern im Elektroimpulsverfahren abzuarbeiten. Vielmehr hat sich gezeigt, dass insbesondere beim Erstellen eines Bohrkerns im Hartgestein der Bohrkern aufgrund der im Betrieb auftretenden mechanischen Querkräfte ab einer bestimmten Länge abbricht. Somit kann ein Bohrloch mit einem erheblich reduzierten Energieaufwand und auch mit einer erheblich verkürzten Bearbeitungszeit erstellt werden.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass das Bohrrohr einen inneren Aufnahmeraum für einen Bohrkern aufweist. Das im Elektroimpulsverfahren abgearbeitete Bodenmaterial kann in bekannter Weise durch die Zuführung eines Spülfluides von der Ortsbrust abgeführt und nach außerhalb des Bohrlochs abgeleitet werden. Hingegen kann der Bohrkern mit oder durch das Bohrrohr abgeführt werden.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es besonders vorteilhaft, dass mindestens eine Auffangeinrichtung zum Halten des Bohrkerns in dem Aufnahmeraum des Bohrrohrs vorgesehen ist. Die Auffangeinrichtung kann dabei insbesondere Haken oder Stempel aufweisen, welche vorzugsweise zwischen einer Rückzugsposition und einer Spannposition zum Halten des Bohrkerns verfahrbar sind. Zum Verfahren können vorzugsweise Stellzylinder, insbesondere hydraulische Stellzylinder oder mechanische Klemmeinrichtungen vorgesehen sein.

Grundsätzlich kann der Bohrkern ab einem bestimmten Längen-DurchmesserVerhältnis, etwa mit einer kritischen Länge, welche 1 bis 2 m oder mehr, aufgrund der im Bohrbetrieb anstehenden Kräfte von alleine abbrechen. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorteilhaft, dass eine Brecheinrichtung zum Brechen des Bohrkerns von anstehendem Gestein vorgesehen ist. Insbesondere kann die Brecheinrichtung Elemente aufweisen, welche gezielt Querkräfte quer zur Längsrichtung des Bohrkerns aufbringen. Alternativ oder ergänzend kann auch eine mechanische Abtragseinrichtung an einem unteren Bereich des Bohrrohrs vorgesehen sein, mit welcher der Bohrkern in seinem Fußbereich mechanisch bearbeitet wird. Hierdurch kann eine gezielte Trenn- oder Bruchstelle an dem Bohrkern erzeugt werden.

Abhängig von Anzahl und Anordnung der Elektrodenpaare kann das Bohrrohr allein durch eine Axial- oder Vertikalbewegung ein Bohrloch im Boden erstellen. Dabei kann das Bohrloch auch eine von einer Kreisform abweichende Außenkontur aufweisen. Besonders vorteilhaft ist es nach einer Ausführungsvariante der Erfindung, dass ein Drehantrieb zum drehenden Antreiben des Bohrrohrs vorgesehen ist. Der Drehantrieb kann dabei innerhalb des Bohrlochs oder vorzugsweise außerhalb des Bohrlochs an einem Trägergerät vorgesehen sein. Das Bohrrohr wird zum Erstellen des Bohrlochs drehend angetrieben, so dass aufgrund der kontinuierlichen Lageveränderung auch mit einer geringen Anzahl von Elektrodenpaaren an dem Bohrrohr gearbeitet werden kann. Zusätzlich können an dem Bohrrohr auch mechanische Abtragswerkzeuge vorgesehen sein. Das Bohrrohr kann an einem herkömmlichen Drehbohrgerät eingesetzt werden, welche mit Zusatzkomponenten zur elektrischen Spannungserzeugung ausgestattet ist.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es vorteilhaft, dass mindestens eine elektrische Generatoreinrichtung vorgesehen ist, welche zum Erzeugen eines elektrischen Hochspannungsimpulses zwischen den Elektroden eines Elektrodenpaares ausgebildet ist. Die Generatoreinrichtung ist zur Erzeugung eines elektrischen Impulses ausgebildet, welcher vorzugsweise in einem Bereich zwischen 100 kV bis 1000 kV liegt. Die Stoßenergie kann dabei im Bereich von 100 Joule liegen. Der Spannungsstoß kann mit einer Zeitdauer von vorzugsweise unter 200 ns erzeugt werden. Eine Impulswiederholrate kann vorzugsweise zwischen 10 Hz liegen. Besonders bevorzugt umfasst die Generatoreinrichtung einen sogenannten Marxgenerator, welcher innerhalb des Bohrrohrs oder außerhalb des Bohrlochs an einem Trägergerät angeordnet ist. Es kann eine Betriebsweise mit Gleichspannung und Wechselspannung vorgesehen sein. Abhängig von der Betriebsart können entsprechende Komponenten vorgesehen sein, etwa Gleichrichter, Kondensatoren und/oder Transformatoren.

Ein besonders effizienter Betrieb der Bohrvorrichtung wird nach einer Ausführungsform der Erfindung dadurch erzielt, dass eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, welche zur gezielten Aktivierung und Energieversorgung der einzelnen Elektrodenpaare ausgebildet ist. Grundsätzlich können die Elektrodenpaare gleichzeitig mit Energie zur Erzeugung von mehreren Hochspannungsimpulsen angesteuert werden. Vorzugsweise werden jedoch nur einzelne Elektrodenpaare gleichzeitig angesteuert, während die verbliebenen Elektrodenpaare ruhen und zeitlich versetzt angesteuert werden. Ein derartiges differenziertes Ansteuern der Elektrodenpaare ist insbesondere zur Abführung des anfallenden Gesteinsmaterials sinnvoll, welches vorzugsweise durch ein Spülmedium aus dem Bohrloch abgeführt wird.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorteilhaft, dass eine Abführeinrichtung zum Abführen des Bohrkerns aus dem Aufnahmeraum des Bohrrohrs angeordnet ist. So kann etwa ein gebrochener Bohrkern durch eine interne Hebeeinrichtung innerhalb des Bohrrohrs aus dem Bohrloch abgeführt werden. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass der Bohrkern in dem Aufnahmeraum des Bohrrohrs gehalten wird, wobei das Bohrrohr zum Entleeren des Bohrkerns aus dem Bohrloch gezogen und anschließend wieder in das Bohrloch eingesetzt wird.

Die einfachste Anordnungsvariante eines Elektrodenpaares besteht darin, dass sich zwei einzelne Elektroden unterschiedlicher Polarität gegenüberliegen, so dass zwischen diesen ein Abtragsstrom erzeugt werden kann. Eine bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung besteht darin, dass die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode eines Elektrodenpaares selbst mehrere Elektrodenelemente umfasst. So kann beispielsweise die erste Elektrode eine Zentralelektrode sein, während die zweite Elektrode mehrere Elektrodenelemente aufweist, welche beispielsweise ringförmig um die Zentralelektrode angeordnet sind. Ein Elektrodenpaar kann sozusagen als eine Elektrodenabtragseinheit angesehen werden, welche eine beliebige Elektroden- oder Elektrodenelementkonfiguration aufweist. Die Elektrodenabtragseinheiten sind vorzugsweise verteilt entlang des unteren Randes eines Bohrrohrs angeordnet.

Hinsichtlich des Verfahrens wird die eingangs genannte Aufgabe dadurch gelöst, dass mehrere erste Elektroden und mehrere zweite Elektroden paarweise zueinander und ringförmig entlang eines unteren Randes des Bohrrohrs angeordnet sind, wobei ein ringförmiges Bohrloch mit einem Bohrkern erzeugt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorzugsweise mit der zuvor beschriebenen Bohrvorrichtung ausgeführt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können die zuvor beschriebenen Vorteile erzielt werden.

Eine bevorzugte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass der Bohrkern in einem inneren Aufnahmeraum des Bohrrohrs aufgenommen wird. Der Aufnahmeraum kann mit einer Länge von bis zu mehreren Metern ausgebildet sein.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorteilhaft, dass der Bohrkern in dem Aufnahmeraum von dem anstehenden Gestein gebrochen und gelöst wird. Das Lösen des Bohrkerns kann allein durch die im Bohrbetrieb auftretenden Kräfte bewirkt werden, wenn der Bohrkern ein bestimmtes Längen-Durchmesser-Verhältnis erreicht hat. Alternativ oder ergänzend kann eine Löse- oder Brecheinrichtung vorgesehen sein, mit welcher statische und/oder dynamische Kräfte vorzugsweise in Querrichtung zur Längsachse des Bohrkerns auf diesen aufgebracht werden. Es kann auch eine Schneideinrichtung am Bohrrohr vorgesehen sein, mit welcher der Bohrkern in einem Fußbereich zumindest teilweise angeschnitten wird. Hierdurch kann eine Sollbruchstelle bei einem Aufbringen von Querkräften an einem oberen Ende des Bohrkerns gebildet werden.

Nach einer weiteren Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es bevorzugt, dass der gebrochene Bohrkern in dem Aufnahmeraum gehalten und/oder aus dem Aufnahmeraum abgeführt wird. Ein Halten kann über entsprechende Klemm- oder Spanneinrichtungen im Inneren des Bohrrohrs erfolgen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Bohrkern über ein Seilzugsystem innerhalb des Bohrrohrs aus dem Bohrloch entfernt werden.

Grundsätzlich können die Elektrodenpaare mit jeder geeigneten Spannung betrieben werden. Besonders bevorzugt ist es nach einer Weiterbildung der Erfindung, dass zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode jedes Elektrodenpaares ein elektrischer Hochspannungsimpuls erzeugt wird, durch den Gesteinsmaterial gelöst wird. Zum Bilden des Hochspannungsimpulses kann eine Spannung von 10 kV und mehr vorgesehen sein.

Für ein gezieltes Ansteuern der einzelnen Elektrodenpaare für einen starken Gesteinsabtrag ist es nach einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die einzelnen Elektrodenpaare gezielt aktiviert und mit Energie versorgt werden. Hierfür ist eine entsprechende Steuereinrichtung zum Erzeugen und Leiten des Spannungsimpulses vorgesehen.