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Verfahren und Vorrichtung zum Tiefbohren, insbesondere mit im Hohlgestänge
aufsteigendem Spülstrom Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Tiefbohren, insbesondere mit im Hohlgestänge hochsteigendem Spülstrom.
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Bei einem bekannten Verfahren zum Spülbohren mit durch das hohle Bohrgestänge
fließenden Spülstrom wird der Schlauch, durch den die Spülung ab-oder zugeführt
wird, oben an der Mitnehmerstange an einem Krümmer oberhalb des Traglagers im Spülkopf
angeschlossen. In dem bekannten Spülkopf sitzen Traglager, die die Gestänge aufnehmen
sowie Dichtungen für die Rotation des Bohrgestänges. Insbesondere bei Bohranlagen
mit weiten, schweren Spülschläuchen und großem Gestängedurchmesser wird hierdurch
ein großer Aufwand für die Traglager und die Dichtungen bedingt, welche leicht undicht
werden und verschleißen. Außerdem ist das große Schlauchgewicht, das an einem beträchtlichen
Hebelarm (Krümmerausladung) angreift, eine ständige Behinderung beim Nachsetzen
eines Gestängestückes. Der hängende schwere Schlauch ist auch beim Bohren hinderlich
und im Weg und bildet, z. B. beim Abreißen, eine Gefahr für die Bohrmannschaft.
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Bei allen bekannten Bohrverfahren mit im Gestänge aufsteigendem Spülstrom
ist es weiterhin für die Förderleistung sehr nachteilig, daß der Spülstrom über
einen hoch über dem Spülteichspiegel gelegenen Punkt geführt wird. Beim Saugbohren
mit einer Saugpumpe, wobei es sich beispielsweise um eine Kreisel- oder Wasserstrahlpumpe
handeln kann, am Ende des Spülschlauches ist die Höhe des Krümmers über dem Spülteichspiegel
für den den Spülstrom antreibenden Saugunterdruck verloren, weil im höchsten Krümmerpunkt
die Wasserdampfspannung nicht unterschritten werden darf, damit der Spülstrom nicht
abreißt. Insbesondere bei dem bekannten Bohren mit Mischluft (Löscherpumpe) ist
es sehr nachteilig, daß die Luft im Spülschlauch zum Abwärtsfließen gezwungen wird,
da sie hierbei einen beträchtlichen Gegendruck auf den Spülstrom ausübt, die Förderleistung
verringert und außerdem einen stoßweisen Auswurf verursacht, der den Schlauch auch
zum Schlagen und Stoßen bringt.
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Die Erfindung zielt darauf ab, diese erwähnten Nachteile der bekannten
Verfahren und Vorrichtungen zu vermeiden und eine billigere Bohrausrüstung mit größerer
Förderleistung zu schaffen, und sie kann in den verschiedensten Ausführungsformen
verwirklicht werden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Verfahren
der eingangs erwähnten Art vorgesehen, daß der Spülstrom am unteren Ende der die
Bohrarbeit in bekannter Weise auf den Gestängestrang durch Rotation Hin- und Herverdrehung
oder durch Auf- und Abwärtsbewegung übertragenden Mitnehmer- oder Spülstange durch
einen Schlauch abgenommen und durch diesen flach über der Erdoberfläche mittels
einer Saugeinrichtung oder beim Mischlaufhebeverfahren direkt dem Spülteich zugeführt
wird. Hierbei wird also der Spülungsumlauf nicht mehr hoch über den Spülkopf geführt,
sondern die Umführung erfolgt nur wenig über dem Niveau des Spülteiches bzw. der
Spülsäule im Bohrloch. Dadurch werden die vorerwähnten Nachteile der herkömmlichen
Anlagen dieser Art vermieden.
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Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung
mehrerer Ausführungsbeispiele unter Hinweis auf die Zeichnungen. In diesen zeigt
F i g. 1 eine Bohreinrichtung nach der Erfindung in Seitenansicht, F i g. 2 eine
Seitenansicht zu F i g. 1 aus einer 90° verdrehten Sicht, F i g. 3 die Bohreinrichtung
nach F i g. 1 und 2 in Draufsicht, F i g. 4 bis 6 drei weitere Ausführungsbeispiele
in Draufsicht und teilweise schematischer Darstellung, F i g. 7 eine Seitenansicht
der Ausführung gemäß F i g. 5, F i g. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der
Erfindung zum rotierenden Bohren, F i g. 9 eine konstruktive Einzelheit einer Gehänge=
ausführung in perspektivischer Darstellung und F i g. 10 eine besondere Ausführungsform
des Spülungsantriebes in Draufsicht.
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In dem zeichnerischen Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bis 3 ist mit
1 das Bohrloch bezeichnet, welches etwa bis zu dem Niveau 2 mit Spülung gefüllt
ist, die vom Spülteich her beim Bohren mit aufsteigender Spülung durch den Zulauf
3 dem Bohrloch 1 zufließt. Im nicht gezeichneten Bohrturm
hängt
über die Seilrolle 4 ein beispielsweise aus zwei parallelen Stangen oder Rohren
bestehendes Mitnehmerjoch, welches mit dem Gestängeanschluß 6 fest verbunden ist.
Der Spülschlauch 7 ist bei diesem Ausführungsbeispiel zentral an den Gestängeanschluß
6 angeschlossen, an welchem das Hohlgestänge 8 hängt. Vorzugsweise werden bei der
Erfindung Gestänge mit Flanschverbindungen angewandt, wie sie bei Brunnenbohren
vielfach üblich sind, jedoch es ist auch grundsätzlich möglich, die üblichen Schraubverbindungen
anzuwenden, sofern diese mit besonderen Sicherungen gegen ungewolltes Abschrauben
versehen sind.
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Der Spülschlauch 7 ist an dem Anschluß 6 mit Hilfe einer abklappbaren
Schnellverbindung 9 od. dgl. befestigt und ist im Bereich der Ebene des weiter unten
beschriebenen Bohrantriebes 10 zum Spülteich geführt. Beim Bohren taucht der Anschluß
6 mit dem Anschluß des Spülschlauches immer in die Spülungssäule im Bohrloch ein,
so daß sich der Anschluß bzw. die Zu- oder Abführung der .Spülung in das Bohrgestänge
unterhalb des Spülungsniveaus 2 befindet und der Spülungsumlauf allgemein nur wenig
oberhalb dieses Niveaus geführt wird.
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Der Schlauch 7 ruht in seinem waagerechten Teil vorteilhaft auf Rollen
11 oder auf einem Gurt 12 zwischen diesen Rollen und kann einmal beim Bohren elastisch
verdrillt werden, wobei er sich etwas um seine Achse dreht, was durch die Rollen
11 bzw. den Gurt 12 erleichtert wird, jedoch ist es auch möglich, daß der Spülschlauch
an einer seiner Anschlußseiten drehbar und abgedichtet befestigt sein kann. An Stelle
der Schnellklappverbindung 9 kann der Spülschlauch an dem Anschluß 6 beispielsweise
auch durch einen Ring mit Grobgewinde befestigt sein, da hier eine sehr präzise
Abdichtung nicht notwendig ist, weil diese Anschlußstelle des .Schlauches sich stets
unterhalb des Niveaus 2 befindet.
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Der Antrieb des Bohrgestänges über das Joch 5 mit den Anschluß 6 erfolgt
bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel nicht rotierend, sondern durch Hin- und
Herdrehen mittels des Parallelogrammgestänges 13, 14. Der Antrieb dieses Parallelogrammgestänges
kann in bekannter Weise durch ölhydraulische Kolben oder auch durch Pleueltrieb
erfolgen. Die Jochrohre 5 werden dabei von den Enden des Parallelogrammgestänges
mit lösbaren Klauen umfaßt, und durch die parallele Anordnung der Jochstangen 5
wird das Gestänge immer auf Bohrlochmitte geführt. Die Jochstangen 5 sind dabei
von den Klauen des Parallelogrammantriebes derart umfaßt, daß ein ständiges Nachlassen
des Gestänges möglich ist. über Bolzen 15 und 16 ist das Parallelogrammgestänge
13 und 14 durch Führungsarme 17 und 18 auf einer festen Traverse 19 schwenkbar gelagert.
Der Mittelbolzen 15 des bohrlochnahen Führungsarmes 17 ist herausnehmbar, damit
z. B. beim Gestängewechsel oder sonstigen Gestängearbeiten das Parallelogrammgestänge
aus dem Bereich des Bohrloches in die in F i g. 3 strichpunktiert angedeutete Lage
geschwenkt werden kann.
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Das Nachsetzen von Gestänge kann mit der dargestellten Bohreinrichtung
beispielsweise in folgender Weise vorgenommen werden: Das Gestänge wird hochgezogen,
die Klauenverbindung des Parallelogrammantriebes zu den Jochstangen 5 gelöst, der
Bolzen 15 herausgezogen und das Gestänge in die in F i g. 3 angedeutete Lage ausgeschwenkt.
Hierauf wird die Schlauchverbindung abgeklappt und der Schlauch zurückgezogen, das
Gestänge abgefangen, von dem Mitnehmerjoch abgeschraubt und ein neues Gestängestück
nach Hochfahren des Joches eingebaut. Der Anschluß der einzelnen Teile erfolgt sodann
in umgekehrter Reihenfolge.
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Der Schlauch ruht beim Bohren auf den Rollen 11 oder dem Tragband
12, wodurch zwar eine Verdrehung des Schlauches, aber in der Ruhe keine Längsbewegung
ermöglicht wird. Für eine derartige Längsbewegung kann eine besondere, in F i g.
1 angedeutete Schwenkrolle 20 mit Hebel 21 verwendet werden, durch die der Schlauch
hochgehoben und in Längsrichtung verfahren werden kann: Für die Führung des Schlauches
können auch Rollen mit Rillen Verwendung finden, welche in die Schlauchrillen passen.
Die dargestellte Bohranlage hat dabei den Vorteil, daß sie außerordentlich einfach
und billig herzustellen ist,.da ein Drehtisch und ein Spülkopf nicht erforderlich
sind.
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Während bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g.1 bis 3 die Jochrohre
5 sowohl zur Aufhängung des Gestänges wie auch übertragung der Antriebskraft benutzt
werden, zeigen F i g. 4 bis 8 andere Ausführungsformen der Erfindung.
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Diese bestehen nach F i g. 4, 5 und 7 aus einer Vierkantmitnehmerstange
22, an welcher der Parallelogrammantrieb in F i g. 4 durch einen hufeisenförmigen
Antriebsarm 23 angreift. Die Quadratstange 22 ist dabei in F i g. 4 außermittig
am oberen Ende des Anschlußstückes 6 befestigt, während F i g. 5 und 7 eine Ausführungsform
mit mittiger Anordnung der Quadratstange 22 veranschaulicht, wodurch sich die Notwendigkeit
eines besonderen Krümmers 24 für. den Anschluß des Spülschlauches 7 ergibt. Bei
kleinem Gestängegewicht können die beiden Tragstangen 5 gegebenenfalls auch weggelassen
werden. Die Aufhängung und der Schlauchanschluß erfolgt dann über Bohrlochmitte
bei außermittiger Anordnung der Quadratstange.
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In F i g. 6 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht,
bei welchem die übertragung der Antriebsbewegung auf das Bohrgestänge über ein geschlossenes
hohl ausgebildetes Halbrohr 25 erfolgt, welches zwischen den Armen des Mitnehmerjoches
befestigt ist und vom Parallelogramm antrieb aus über das Zwischenstück 26 in eine
hin- und herschwenkende Drehbewegung versetzt wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel
kann das Halbrohr 25 auch gleichzeitig die Zugkräfte aufnehmen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 5 und 7 macht der .Sehlauch
nicht nur eine Verdrillung, sondern auch eine kreisbogenförmige Hin- und Herbewegung,
und es empfiehlt sich eine derartige Ausführungsform im allgemeinen für große Bohrlochdurchmesser
und langsame Bohrbewegung.
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Die. F i g. 8 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel, nach welchem
der Erfindungsgedanke bei einem rotierenden Bohren möglich ist. Zu dem Zweck ist
auf dem oberen Querhaupt des Mitnehmerjoches beispielsweise ein Antriebsmotor 27
angeordnet, welcher über die Welle 28 und ein Getriebe 29 das Anschlußstück 6 in
drehende Bewegungen versetzt. Der Schlauch 7 ist dann auch an einem seiner Enden
drehbar angeschlossen. Das im Bohrturm aufgehängte Joch ist hierbei mittels besonderer
Zapfen 30 im Turm gegen Drehbewegung gesichert oder durch Gleitschuhe über dem Bohrloch.
Allgemein
sind die Vorschläge der Erfindung auch für Schlagbohren mit Umsetzen und auch grundsätzlich
für ein Bohren mit Normalspülung verwendbar.
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In F i g. 9 ist eine Bauart einer Bohreinrichtung erläutert, bei welcher
ein Hin- und Herdrehen mit einer Schlagbewegung kombiniert werden kann. Es bezeichnet
dabei 31 ein besonderes Querhaupt, das im Turm aufgehängt und mittels der Zapfen
32 beispielsweise in einer U-Führung des Turmes längsverschiebbar aber drehgesichert
geführt ist. Das obere Querhaupt des Mitnehmerjoches ist dabei mit dem Querhaupt
31 durch Kugelgelenke 33 verbunden, so daß eine Hin- und Herbewegung des Joches
auch eine Auf- und Abwärtsbewegung für die Zwecke eines Schlagbohrens hervorruft.
In der Mitte ist das Querhaupt des Joches durch ein Gleitlängsdrehlager gegenüber
einer am obersten Querhaupt 31 befestigten Stange 34 geführt.
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Dadurch, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Spülstrom flach
geführt wird, kann hierbei besonders vorteilhaft mit einer Kreiselsaugpumpe 35 (F
i g. 10) als Bohrsaugpumpe gearbeitet werden, welche auch Bohrgut im Spülstrom fördert.
Es kann durch den flachliegenden Spülschlauch eine wesentlich größere Förderleistung
erzielt werden, jedoch noch die Gefahr bestehen, daß der Spülstrom durch Überlastung
mit Bohrgut abreißt, und es wird daher erfindungsgemäß hinter der Bohrkreiselpumpe
35 noch ein Strahlsauger 36 angeordnet, welcher durch eine kleine besondere Kreiselpumpe
37 mit abgesetzten Spülwasser als Triebwasser beaufschlagt wird. Dieser .Strahlsauger
braucht jedoch nur etwa eine Saugkraft von etwa 1 bis 2m Wassersäule zu besitzen,
da er ja nur das Wasser vom Bohrlochspiegel im Bohrteich bis zum Schlauch, also
etwa 1 m, zu heben hat. Die Bohrpumpe 35 erzeugt hierbei beispielsweise etwa 8 m
WS Unterdruck und der Strahlsauger 36, welcher schwenkbar ausgebildet ist, in der
Stellung 39, 1 bis 2 m WS Unterdruck. Hierzu ist nur wenig Leistung erforderlich,
und es wird auf jeden Fall verhindert, daß der Spülstrom bei überladung mit Bohrgut
abreißt.
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Eine derartige Anordnung ist nur bei der erfindungsgemäßen Art der
Umführung der Spülung möglich, wäre z. B. wie üblich der Spülkopf mit Schlauchanschluß
5 m über Bohrlochwasserspiegel, dann müßte dieser Zusatzstrahlsauger schon 5 m WS
saugen, um ein Abreißen des Spülstromes zu verhindern. Dazu wäre nicht etwa nur
5- bis 2,5mal soviel Antriebsleistung erforderlich, sondern weit mehr. Trotzdem
wäre der Antriebsdruck für den Spülstrom im Gestänge höchstens 5 m WS.
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Beispielsweise ist bei einem Gestänge mit 150 mm lichtem Durchmesser
(= Schlauch lichter Durchmesser) bei 2 m/s Wassergeschwindigkeit im Gestänge die
Saugpumpenantriebsleistung bei 8 m WS Saugdruck nur etwa 4 bis 5 PS.
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Um mit einem Strahlsauger 1,5 m WS Saugdruck zu erzeugen bei 150er
Gestänge zum Verhindern des Abreißens des Spülstroms (Strahlsauger fördern auch
Luft und Wasserdampf, Bohrsaugpumpen nicht), ist eine Antriebsleistung der Extrapumpe
für den Zusatzstrahlsauger von 7 PS erforderlich, zusammen also 5 und 7 = 12 PS
Gesamtantriebsleistung, wobei 8 bis 9 m WS Antriebsdruck auf den Spülkreislauf erzielt
wird.
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Würde man nur mit einer Strahlpumpe arbeiten, die Bohrsaugpumpe also
weglassen, dann müßte man 60 PS für den Strahlsauger benötigen, um bei einem 150er
Gestänge und 2 m/s Strömungsgeschwindigkeit im Gestänge 9 m WS Antriebsdruck auf
den Spülkreislauf zu haben. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung eines flachliegenden
Spülschlauchs und einer Saugpumpe mit einen dahintergeschaltetem Strahlsauger mit
geringer Saugkraft wird also bei gleicher Förderleistung nur ein Fünftel der Antriebsleistung
benötigt.
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Durch Umschalten des Zusatzstrahlsaugers in Stellung 38 (F i g. 10)
und Abstellen der Bohrsaugpumpe kann zur Beseitigung von Verstopfungen der Spülstrom
umgekehrt werden.
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Bei Spülverlust sinkt sofort der Bohrlochwasserspiegel, und dann reißt
der Spülstrom auch bei Verwendung eines Zusatzstrahlsaugers ab, da er nur 1,5 m
WS hochzieht. Man kann dann nicht mehr saugbohren.
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Erfindungsgemäß wird in diesem Fall der Zusatzstrahlsauger auf der
Stellung 38 (F i g. 10) gehalten und der Auswurfschlauch in den Spülteich getaucht
sowie die Saugrohrpumpe 35 abgestellt. Jetzt fördert der Zusatzstrahlsauger 36 Wasser
aus dem Spülteich ins Gestänge, und es kann mit Normalspülung weitergebohrt werden.
Da der Bohrlochwasserspiegel abgesunken ist, geht das Spülwasser aus dem Teich auch
durch Hebewirkung durchs Gestänge ins Bohrlochtiefste, unterstützt durch den Zusatzstrahlsauger.
Die Verbindung vom Teich zum Bohrloch wird dann gesperrt oder gedrosselt, damit
möglichst viel Wasser durch das Gestänge strömt. Beim Weiterbohren geht das Bohrgut
in die Klüfte der Bohrlochwand und verstopft diese. Wenn der Bohrlochwasserspiegel
wieder hochgekommen ist, kann saugend weitergebohrt werden, denn dann sind Klüfte
geschlossen.
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Diese Technik ist nur durch den flachliegenden Spülschlauch nach der
Erfindung leicht möglich und erfordert nur geringe Antriebsleistung für den Zusatzstrahlsauger.
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Der Hilfsstrahlsauger kann erfindungsgemäß auch bei dem Mischluftantrieb
vorteilhaft hierfür angewendet werden.
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Allgemein können durch die Erfindung im wesentlichen folgende Vorteile
erreicht werden: 1. Ein Drehtisch wird erspart, und das Bohrloch ist immer ganz
frei; 2. für den Anschluß des Spülschlauches an das Gestänge werden keine oder nur
einfache billige Dichtungen benötigt, die keinem wesentlichen Verschleiß unterliegen;
3. es wird eine große Förderleistung beim Saugbohren und Mischluftbohren erzielt;
4. es werden einfache Längstraglager für die Aufnahme der Zugkräfte am oberen Joch
anwendbar; 5. wesentlich herabgesetzte Antriebsleistung; 6. großer betrieblicher
Vorteil bei Spülverlusten. Sämtliche in der Beschreibung erläuterte und in der Zeichnung
dargestellte technischen Einzelheiten sind für die Erfindung von Bedeutung.