BOHRWERKZEUG FÜR DAS LUFTHEBEVERFAHREN

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Niederbringen von Bohrungen im Erdreich unter Austrag des Bohrguts nach dem Lufthebeverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Gattungsgemäße Bohrwerkzeuge und das Lufthebebohrverfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt. Beim Materialaustrag nach dem Lufthebeverfahren (Reverse-Circulation) steht eine Flüssigkeitssäule im einen Förderkanal bildenden Innenquerschnitt des hohlen Bohrgestänges, und es wird in diesen Förderkanal des Bohrgestänges oberhalb des Werkzeugkopfes Luft eingeblasen, so daß durch die im Bohrgestänge hochsteigende Luft eine Druckdifferenz der Flüssigkeitssäule im Bohrgestänge zwischen der Sohle des Bohrloches und der Oberfläche entsteht, die eine Strömungsgeschwindigkeit im Bohrgestänge induziert, mit der das an der Sohle des Bohrlochs lösgelöste Material durch den Innenquerschnitt des Bohrgestänges hindurch ausgetrieben wird. Die Größe der Druckdifferenz und damit der Förderleistung hängt u.a. von der eingeblasenen Luftmenge je Zeiteinheit, von der Einblastiefe und von der Förderhöhe ab. Das von den Schneidelementen losgelöste Material wird durch eine Absaugöffnung von der Sohle abgesaugt, wobei die Absaugöffnung zentral an der Unterseite des Werkzeugkopfes oder, beispielsweise wenn der Werkzeugkopf eine Pilotspitze aufweist, an einer um etwa ein 1/4 des Durchmessers aus der Mitte versetzten Position angeordnet sein kann.

Wenn hier und im Folgenden von "Absaugen" die Rede ist, so ist damit nicht gemeint, daß am Bohrgestänge eine Saugpumpe installiert sein soll. Eine Pumpe ist lediglich im Spiel, um Luft hohen Drucks über dem Bohrwerkzeug in den Förderkanal einzupressen. Der hydrostatische Druck an der Bohrsohle ist jedoch größer als weiter oben in dem Förderkanal in dem dort vorhandenen Gemisch aus Wasser, Bohrgut und Luft. Die Förderung erfolgt eigentlich durch den höheren Druck im Bereich der Bohrsohle, aber immerhin liegt in dem Förderkanal ein niedrigerer Druck vor und in diesem Sinne einer Einmündung in einen Bereich niedrigeren Drucks wird zur Vereinfachung der Ausdrucksweise von "Absaugen" gesprochen.

Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Bohrwerkzeugen sind die Absaugöffnungen meist kreisrund bzw. oval ausgeführt. Bei einigen bekannten Bohrwerkzeugen werden statt einer mehrere Absaugöffnungen, verteilt über die Wirkfläche des Bohrwerkzeuges, angeordnet, um eine Absaugung des Materials möglichst nahe eines jeden Schneidelementes erzielen zu können. Dies ist erforderlich, damit das von den Schneidelementen gelöste Bohrgut möglichst unmittelbar nach dem Lösen von der Bohrsohle weggefördert wird und das Bohrwerkzeug nicht wirkungslos auf einer Lage gelösten, auf der Bohrsohle liegengebliebenen Bohrguts arbeitet. Die zuletzt genannte Anordnung der Absaugöffnungen an mehreren radial unterschiedlich angeordneten Stellen bedingt eine aufwendige Leitungsführung zum Anschluß der Absaugöffnungen an den den zentralen Förderkanal bildenden Innenquerschnitt des Bohrgestänges.

Aus der US 3 951 220 ist ein Bohrwerkzeug bekannt, bei welchem die Absaugöffnungen spiralförmig ausgebildet sind, so daß eine von außen nach innen gerichtete Strömung der Spülflüssigkeit erzeugt wird. Nachteilig ist bei diesem Bohrwerkzeug, daß die Strömung nicht ausreicht, größere Mengen gelockerten Bohrguts mitzunehmen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bohrwerkzeug mit effizientem Absaugverhalten zu schaffen, mit dem das von den Schneidelementen gelöste Material nahezu vollständig von der Sohle des Bohrlochs abgesaugt wird, ohne daß es zu einem wiederholten Eingriff der Schneidelemente mit dem bereits gelösten Material kommt.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.

Während des Bohrens wird an der Wirkfläche des Bohrwerkzeugkopfes eine radial zur Mitte des Bohrwerkzeugkopfes hin verlaufende Querströmung der Spülflüssigkeit erzeugt, deren Fließgeschwindigkeit hoch genug ist, das losgebohrte Material auf- und mitzunehmen. Dabei wird mittels der Fließgeschwindigkeit ein Anhebeeffekt erzielt, der das Absaugverhalten an- der Wirkfläche und damit die Effektivität des Lufthebeverfahrens insgesamt steigert. Durch die Drehung des Bohrwerkzeugs während des Bohrens wird die Querströmung je Umdrehung des Bohrwerkzeugs einmal vollständig über den gesamten Querschnitt der Bohrlochsohle bewegt, so daß die Schneidelemente jeweils mit einer "gereinigten" Bohrsohle in Eingriff geraten.

Um den Anhebeeffekt der Querströmung zu erhöhen, kann diese von Fluidströmungen überlagert werden, die nach unten aus dem Bohrwerkzeugkopf herausgerichtet sind. Mit diesen "turbulenzartig" überlagerten Fluidströmungen wird die Effektivität des Absaugens weiter gesteigert, da auch vergleichsweise schweres Bohrgut angehoben wird, um von der Querströmung mitgerissen zu werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Bohrwerkzeug ist die Absaugöffnung als länglicher, nach unten offener, sich radial erstreckender Kanal ausgebildet, in dem eine Querströmung von außen zur Mitte zum Förderkanal des Bohrgestänges hin erzeugt wird. An dem äußeren Ende des Kanals ist in dessen oberer Wandung eine Öffnung angeordnet, durch die Flüssigkeit aus dem Bereich der Bohrsohle zusätzlich eintreten kann, so daß eine höhere Geschwindigkeit der Querströmung erzielbar ist.

Zum umfangsseitigen Ende des Bohrwerkzeugkopfes hin ist der Kanal vorzugsweise verschlossen. Durch die zum Umfang hin verschlossene Ausgestaltung des Kanals wird vermieden, daß insbesondere in weichem Gestein die Querströmung eine "Auskesselung" des Bohrlochs bewirkt (Anspruch 4).

Im Betrieb wird die kanalförmig ausgebildete Absaugöffnung während einer jeden Umdrehung über den gesamten Querschnitt der Bohrlochsohle geführt, und das losgebohrte Material wird von der Querströmung durch den Innenquerschnitt des Bohrgestänges hindurch zur Oberfläche gefördert.

Um ein Verstopfen dieser Öffnung insbesondere bei Bohrungen in niedrigen Bohrlochtiefen bzw. weichem Gestein zu vermeiden, kann an der Öffnung ein sich nach oben erstreckendes, rohrförmiges Element vorgesehen sein.

Es können Mittel vorgesehen sein, um das Spülmedium an der Öffnung beschleunigt zuzuführen und die Querströmung zu verstärken.

Zur Verbesserung des Anhebeeffektes können in dem Kanal strömungsbeeinflussende Bauteile angeordnet sein, und/oder die Wandflächen des Kanals schneckenförmig ausgebildet sein, so daß in der Querströmung ein turbulentes Strömungsverhalten erzielbar ist.

Es können zusätzlich nach unten gerichtete, über eine Luftleitung gespeiste Düsen angeordnet sein, die den Anhebeeffekt des gelösten Materials durch Aufwirbeln desselben verstärken.

Um eine ausreichende Versorgung der Querströmung mit Spülflüssigkeit zu erzielen, können sich wenigstens eine zusätzliche Zuleitung für die Spülflüssigkeit und/oder eine zusätzliche Zuleitung für Luft entlang des Bohrgestänges erstrecken. Für spezielle Anwendungszwecke kann der Werkzeugkopf derart ausgelegt sein, daß ein Bohren aus einem Stützrohr heraus möglich ist.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung dreier Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung ersichtlich. In der Zeichnung zeigen:

• Fig. 1 ein Bohrwerkzeug mit ebener Wirkfläche in Seitenansicht in einem durch die Bohrachse gehenden Schnitt;
• Fig. 2 eine Ansicht der Wirkfläche des Bohrwerkzeugkopfes gemäß Figur 1 von unten;
• Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Absaugkanal;
• Fig. 4 eine Fig. 1 entsprechende Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des Bohrwerkzeugs; und
• Fig. 5 eine Fig. 1 entsprechende Schnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines Bohrwerkzeugs mit W-förmiger Wirkfläche.

Das in der Fig. 1 gezeigte Bohrwerkzeug 100 weist ein tonnenförmiges Gehäuse 1 von einem Durchmesser auf, der je nach Bohrdurchmesser einige Meter betragen kann. An der Unterseite des Gehäuses 1 ist ein Werkzeugkopf 10 gleichen Durchmessers angebracht, an dessen Unterseite 20 als Hartmetalleinsätze ausgebildete Schneidelemente 2 derart angeordnet sind, daß das Bohrwerkzeug 100 insgesamt eine flache, strichpunktiert wiedergegebene Wirkfläche 3 hat. Über die Wirkfläche verteilte Rollenbohrwerkzeuge 6 ergänzen die Schneidelemente 2. Der Werkzeugkopf 10 weist an seiner Oberseite eine Anschlußplatte 21 auf, die mit einem Anschlußflansch 4 an der Unterseite des Gehäuses 1 verbindbar ist. Das Gehäuse 1 wiederum ist mit einem hohlen Bohrgestänge 50 verbunden, welches durch einen nicht dargestellten, an seinem oberen Ende angreifenden Drehantrieb um die Bohrachse A in Drehung versetzbar ist. Der Innenquerschnitt des Bohrgestänges 50 bildet einen Förderkanal 51 und dient dem Austrag des Bohrgutes nach dem Lufthebeverfahren. Der Förderkanal 51 des Bohrgestänges 50 erstreckt sich koaxial zur Bohrachse A bis hinab zu einer zur Bohrachse A senkrechten Flanschverbindung 24 etwa in halber Höhe des Gehäuses 1 und mündet dann in ein innerhalb des Werkzeugkopfes 10 leicht schräg angeordnetes Absaugrohr 11, welches aus der Mitte heraus (in Höhe der Flanschverbindung 24) in dem Ausführungsbeispiel unter einem Winkel von etwa 20° in einen Durchlass 22 in der oberen Anschlußplatte 21 des Bohrkopfes 10 einmündet. Der Durchlass 22 steht mit einer als radial verlaufender Kanal 5 ausgebildeten Absaugöffnung in Verbindung und ist nahe der Bohrachse A gelegen. Der Abstand des der Bohrachse A benachbarten Endes des Kanales 5 ist durch die Ausmaße der Aufnahme 7' einer in der Bohrachse A von dem Bohrkopf 10 nach unten vorspringenden Pilotspitze 7 bestimmt. Der Kanal 5 hat einen U-förmigen nach unten offenen Querschnitt, erstreckt sich radial aus der Mitte heraus und ist am Umfangsrand des Werkzeugkopfes 10 von der dortigen Gehäusewand 8 verschlossen. Der in Fig. 3 im Querschnitt gezeigte Kanal 5 hat einen über seine Länge konstanten Querschnitt. In dem Ausführungsbeispiel ist an der offenen Unterseite des Kanals 5 ein Gitter 9 angebracht, um die Größe der in den Kanal 5 eintretenden Brocken zu begrenzen. Der Kanal 5 ist nur an einer Stelle, in Umfangsrichtung gesehen, an der Unterseite 20 des Werkzeugkopfes 10 angeordnet, wie deutlicher in Fig. 2 zu sehen ist.

Im Betrieb sind der Förderkanal 51 des Bohrgestänges 50 und das in den Kanal 5 mündende Absaugrohr 11 mit der Spülflüssigkeit, in der Regel Wasser, gefüllt. Über eine sich entlang des Bohrgestänges 50 erstreckende Zuleitung 52 wird Luft L durch eine Einblasdüse 53 am unteren Ende des Förderkanals 51 nach oben in den Förderkanal 51 eingeblasen. Das Einblasen der Luft L bewirkt die Druckdifferenz zwischen der Bohrlochsohle und im Bohrgestänge 50. Dem Druckgefälle folgend wird die Flüssigkeit aus dem Bereich hohen Drucks an der Bohrlochsohle in den Bereich niedrigeren Drucks in dem Förderkanal 51 hineingetrieben. Durch die sich einstellende kräftige Strömung wird das von den Schneidelementen 20 und den Rollenbohrern 6 an der Bohrlochsohle gelöste und zerkleinerte Bohrgut mitgerissen und durch den Förderkanal 51 als Gemisch B von Spülflüssigkeit F und Bohrgut B zur Oberfläche gefördert. Durch die radiale Führung des Kanals 5 wird im Betrieb eine durch den Pfeil Q angedeutete Querströmung innerhalb des Kanales 5 erzeugt, die das losgelöste Bohrgut auf der gesamten radialen Erstreckung des Kanals 5 einsammelt und dem Absaugrohr 11 bzw. dem zentralen Förderkanal 51 zuführt. Dadurch, daß der Kanal 5 am Umfangsrand durch die Gehäusewand 8 geschlossen ist, wird vermieden, daß in unerwünschter Weise Material aus der Bohrungswand ausgespült wird.

Infolge der Drehbewegung des Bohrwerkzeugs 100 überstreift der Absaugkanal 5 während einer 360°-Drehung den gesamten Querschnitt der Bohrsohle, so daß bei dem Lufthebeverfahren infolge der Querströmung Q im Sinne der Pfeile selbsttätig eine "Reinigung" der Sohle erzielt wird, ohne daß die Schneidelemente 2,6 in bereits gelöstem Material zu arbeiten haben.

Um die Querströmung Q in dem Absaugkanal 5 zu intensivieren, ist am äußeren Ende des Absaugkanales 5 in der Nähe der Gehäusewand 8 der Oberseite des Kanals 5 eine Öffnung 13 vorgesehen, durch die saubere Spülflüssigkeit F am äußeren Ende in den Kanal 5 eintritt, die am inneren Ende an dem Durchlass 22 aus dem Kanal 5 nach oben als beladene Spülflüssigkeit FB in das Absaugrohr 11 austritt.

Um den Anhebeeffekt der Querströmung Q zu erhöhen, können von den Seiten des Kanales 5 her auf die Bohrlochsohle 14 gerichtete Düsen 15 vorgesehen sein, mit denen auch größere Materialbrocken 16, die von der Querströmung Q nicht leicht mitgerissen werden, angehoben werden, so daß mit der Querströmung Q in den Förderkanal 5 und zur Oberfläche befördert werden können. Wie in Fig. 2 gezeigt, sind entlang des Kanales 5 bevorzugt mehrere derartiger Düsen 15' angeordnet, um eine gleichmäßig verteilte, zusätzliche Aufwirbelung zu erzielen. Die Düsen 15 werden mit Luft oder Wasser gespeist und sind derart angeordnet, daß die Abstrahlrichtung der Düsen 15 in Drehrichtung D des Bohrwerkzeugs 100 weist.

Anstelle oder zusätzlich zu den Düsen 15 können innerhalb des Kanales 5 auch strömungsbeeinflussende Bauteile wie Leitflächen 17 (Fig. 3) angeordnet sein, mit denen in die Querströmung ein Drall eingeleitet wird, der das Anheben der auf der Bohrlochsohle 14 liegenden Gesteinsbrocken 16 weiter verstärkt. Alternativ kann auch die Wandung 18 des Kanals 5 mit einem schrauben- oder schnekkenförmigen Relief versehen sein, Vertiefungen oder Riefen aufweisen, um derart einen zusätzlichen Drall innerhalb der Querströmung Q zu erzielen. Durch den zusätzlichen Drall innerhalb der Querströmung kann auch Material (Bohrgut) angehoben werden, das in von den Schneidelementen 2 an der Bohrlochsohle 14 erzeugten Vertiefungen liegt.

Bei dem in der Fig. 4 gezeigten Bohrwerkzeug 200 erstreckt sich der Kanal 105 in dem Bohrkopf 110 mit seinen unteren Begrenzungen besonders dicht über der Bohrlochsohle 114, wobei das Absaugrohr 111 als Rohrkrümmer ausgebildet ist, der in Längsrichtung des Kanals 105, d.h. ohne abrupte Umlenkung, in den Kanal 105 mündet. Durch die andere Konstruktion behindern sich das Absaugrohr 111 und die Pilotspitze 107 nicht. Am oberen Ende geht das Absaugrohr in Höhe der Flanschverbindung 124 in das Bohrgestänge 150 über. An der nahe der Gehäusewandung 108 gelegenen Öffnung 113 ist ein Rohrabschnitt 120 angeschweißt, der sich nach oben erstreckt und am oberen Rohrende nach innen, d.h. von der Bohrlochwand hinweg, gekrümmt ist, um ein Verschließen der Eintrittsöffnung 122 durch herabfallendes oder in das Bohrloch rutschendes Material zu verhindern.

Die gezeigten Ausführungsformen zeigen ein "freies" Ansaugen der Spülflüssigkeit am radial äußeren Ende des Kanales 5,105 von oben. Mittels weiterer sich entlang des Bohrgestänges 50,150 erstreckender Zuleitungen, in die Spülflüssigkeit von außen unter hohem Druck der äußeren Öffnung zuführbar ist, kann eine Querströmung mit erhöhter Geschwindigkeit innerhalb des Kanales 5,105 erzielt werden, wodurch die Absaugeffizienz und damit die Wirksamkeit des Bohrwerkzeugs 100,200 insgesamt weiter steigerbar sind.

Bei dem in der Fig. 5 gezeigten Bohrwerkzeug 300 ist die von den Rollenschneidelementen 206 (nur eines gezeigt) bestimmte Wirkfläche 203 des Werkzeugkopfes 210 in einer durch die Bohrachse A gehenden Schnittebene in W-Form ausgebildet. Bei Bohrwerkzeugen mit W-förmigen Wirkflächen konnte ein optimales Ergebnis für Bohrwerkzeuge mit Durchmessern von etwa 3,60 m und Strömungsgeschwindigkeiten der Querströmung Q von annähernd 3 m pro Sekunde erzielt werden. Die von der flachen Ausbildung der Wirkfläche abweichende W-Form wirkt mit dem auf die Bohrlochsohle gerichteten Dralleffekt der Querströmung Q innerhalb des Kanals 205 zusammen, so daß ein besonders effizientes Anheben und Wegfördern des Bohrgutes durch den Absaugkanal 211 und das Bohrgestänge 250 erzielbar waren.

Insbesondere die in den Fig. 1 und 5 gezeigten Bohrwerkzeuge 100 bzw. 300 sind auch zum Bohren aus Stützrohren heraus geeignet.