EP1213055B1 - Injektionsdüse für Hochdruckinjektionsbohrsysteme sowie Hochdruckinjektionsbohrwerkzeug - Google Patents

Injektionsdüse für Hochdruckinjektionsbohrsysteme sowie Hochdruckinjektionsbohrwerkzeug Download PDF

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EP1213055B1
EP1213055B1 EP01128905A EP01128905A EP1213055B1 EP 1213055 B1 EP1213055 B1 EP 1213055B1 EP 01128905 A EP01128905 A EP 01128905A EP 01128905 A EP01128905 A EP 01128905A EP 1213055 B1 EP1213055 B1 EP 1213055B1
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nozzle
fluid channel
injection
fluid
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Günter Fennel
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Boart Longyear GmbH and Co KG Hartmetallwerkzeugfabrik
Boart HWF GmbH and Co KG Hartmetallwerkzeugfabrik
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D3/00—Improving or preserving soil or rock, e.g. preserving permafrost soil
    • E02D3/12—Consolidating by placing solidifying or pore-filling substances in the soil
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B1/00—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means
    • B05B1/34—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to influence the nature of flow of the liquid or other fluent material, e.g. to produce swirl
    • B05B1/3402—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to influence the nature of flow of the liquid or other fluent material, e.g. to produce swirl to avoid or to reduce turbulencies, e.g. comprising fluid flow straightening means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B1/00—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means
    • B05B1/02—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to produce a jet, spray, or other discharge of particular shape or nature, e.g. in single drops, or having an outlet of particular shape
    • 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
    • E21B41/00—Equipment or details not covered by groups E21B15/00 - E21B40/00
    • E21B41/0078—Nozzles used in boreholes

Definitions

  • the invention relates to an injection nozzle for Hochdruckinjedgingsbohrsysteme according to the preamble of claim 1 and a Hochchristinjedgingsbohrtechnikzeug with such an injection nozzle according to the preamble of claim 11.
  • cement slurry is injected into the ground to create a watertight concrete platform prior to excavation.
  • the fluid namely the cement slurry is pumped down through the fluid line of a Hochlichinjedgingsbohrwerkmaschinectiones and injected via at least one connected to the fluid line injection nozzle on the rotating Hochtikinjetechnischsbohrwerkmaschinezeug circularly around it, so that a circular concrete block is formed.
  • the concrete platform to be built is formed by a large number of concrete blocks, which overlap one another. The larger the diameter of the individual concrete blocks, the fewer holes must be drilled to obtain the desired concrete platform size.
  • the known injection nozzles which are used for such systems, have a fluid channel with a round inner cross-section.
  • attempts have already been made without great success to concentrate the injection jet by lengthening the injection nozzles or the fluid channel extending therethrough in order to achieve larger diameters.
  • a high-pressure injection nozzle in which a blocking element in the form of a cross is arranged in the nozzle body immediately before the exit of the fluid from the nozzle.
  • the nozzle has a narrow feed channel which widens in the direction of flow of the fluid via an inlet portion into a nozzle chamber in a funnel shape.
  • the inner diameter of the nozzle even further enlarging outlet section then the blocking element is arranged.
  • the fluid hits the blocking element at high speed and is thereby braked and split. A satisfactory bundling of the fluid jet does not take place. Rather, the fluid jet loses energy and exit velocity and thus length.
  • a generic injection nozzle is in the US-A-5,256,004 described.
  • the invention therefore addresses the problem of providing an injection nozzle for Hochdruckinjedgingsbohrsysteme or a Hochdruckinjedgingmiesbohrwerkmaschine, which makes it possible to create concrete blocks with the largest possible diameter.
  • the non-circular internal cross-sectional shape of the fluid channel of the newly developed injection nozzle brakes the resulting vortex within the nozzle and thus bundles the injection jet over the entire nozzle length to the outlet, so that a smooth uniform jet without turbulence leaves the nozzle, which still remains sharp over a large length ,
  • significantly larger concrete block diameters can be achieved and fewer holes must be made to cover the same concrete platform surface.
  • the construction times and construction costs are reduced considerably.
  • Injection nozzles whose inner cross-section has guide profiles projecting into the fluid channel are particularly effective, since they brake the generated vortices particularly well.
  • Preferred designs are therefore injection nozzles with wings projecting into the fluid channel or wedge-like guide profiles, which, when arranged adjacently, result in a star-shaped inner cross section of the fluid channel.
  • the Wirbelbrems- and bundling effect is particularly large when the guide profiles are rib-shaped and preferably extend over the entire nozzle length.
  • the walls of the fluid channel are exposed to high wear by the cement slurry, it is advantageous to form the fluid channel in a separate nozzle insert, which is inserted into the nozzle body and connected thereto, for example by screwing, soldering or gluing.
  • a production of the nozzle insert made of carbide extends its service life and thus reduces possible set-up times for a change.
  • the high-pressure injection drilling tool shown in FIG. 1 consists of a drill string 1, through which a fluid line 2 extends. Front side of the drill pipe 1 a drill bit 3 is arranged. In the direction of fluid flow 4 in front of the drill bit 3 are injection nozzles 5 with a nozzle body 6, in which a nozzle insert 7 is inserted.
  • the nozzle insert 7 is shown in more detail in FIGS. 4 and 5. Through the nozzle insert 7 extends a fluid channel 8, which - as can be seen in FIGS. 2 to 4 - has a non-circular over the entire length L of the fluid channel 8 constant inner cross-section.
  • Fig. 6 shows various non-circular inner cross-sectional shapes, all of which brake the resulting in the fluid jet during the deflection of the fluid line 2 in the fluid passage 8 vortex and bundle the fluid jet thereby.
  • the fluid channel has guide profiles 9 projecting into it, as in the embodiments of FIGS. 6d to 6f.
  • the guide profiles 9 are wedge-shaped and arranged close together, so that there is a star-shaped inner cross-section.
  • the guide profiles 9 form trains 10 and fields 9 '.
  • the guide profiles are wing-like and protrude far into the interior of the fluid channel 8.
  • the swirl braking effect and the associated bundling of the fluid jet is particularly pronounced in this embodiment.
  • the number of guide profiles is not limited to three. Even a single guide profile already achieves a positive effect. However, embodiments with three or four guide profiles lead to a particularly good bundling of the fluid jet.
  • the injection nozzle preferably has an inlet section 1, which is connected upstream of the fluid channel 8. This creates a smooth transition of the cross-sectional constriction of the fluid line 2 in the fluid channel 8. Energetically low, this cross-sectional constriction of the inlet portion 11 is viewed from the inside of the nozzle convex rounded.
  • the guide profiles 9 can also begin as indicated in dashed lines in Fig. 5 already in the inlet section 11, thereby preventing even in this area that form an undesirable spin or turbulence in the fluid.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Injektionsdüse für Hochdruckinjektionsbohrsysteme nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Hochdruckinjektionsbohrwerkzeug mit einer derartigen Injektionsdüse nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
  • Mit den bekannten Hochdruckinjektionsbohrsystemen wird nach dem Abbohren eines Bohrstrangs in bis zu 30 Metern Tiefe mit über 400 bar Druck Zementschlämme ins Erdreich injiziert, um vor dem Baugrubenaushub eine wasserdichte Betonplattform zu erstellen. Dazu wird durch die Fluidleitung eines Hochdruckinjektionsbohrwerkzeuges das Fluid, nämlich die Zementschlämme, hinabgepumpt und über zumindest eine mit der Fluidleitung verbundene Injektionsdüse über das sich drehende Hochdruckinjektionsbohrwerkzeug kreisförmig um dieses herumgespritzt, so daß ein kreisförmiger Betonblock entsteht. Die zu erstellende Betonplattform wird durch viele aneinandergereihte Betonblöcke gebildet, die sich gegenseitig teilweise überschneiden. Je größer der Durchmesser der einzelnen Betonblöcke ist, umso weniger Bohrungen müssen niedergebracht werden, um die gewünschte Betonplattformgröße zu erhalten.
  • Die bekannten Injektionsdüsen, die für derartige Systeme eingesetzt werden, weisen einen Fluidkanal mit einem runden Innenquerschnitt auf. Um möglichst große Betonblöcke zu erhalten, hat man bereits ohne großen Erfolg versucht, durch Verlängerung der Injektionsdüsen bzw. des sich durch diese hindurch erstreckenden Fluidkanals den Injektionsstrahl zu bündeln, um größere Durchmesser zu erreichen.
  • Es hat sich gezeigt, daß bei den herkömmlichen Injektionsdüsen in dem zu injizierenden Fluid durch dessen annähernd rechtwinklige Umleitung aus der Fluidleitung des Bohrgestänges in den Fluidkanal der Injektionsdüse Wirbel entstehen, durch die der Injektionsstrahl bei Verlassen der Injektionsdüse frühzeitig aufsprüht und an Wirkung verliert, so daß sich nur geringe Betonblockdurchmesser ergeben.
  • In der DE 199 22 820 A1 wird daher eine Hochdruckinjektionsdüse vorgeschlagen, bei der im Düsenkörper ein Sperrelement in Form eines Kreuzes unmittelbar vor dem Austritt des Fluids aus der Düse angeordnet ist. Die Düse hat einen schmalen Zufuhrkanal, der sich in Flußrichtung des Fluids über einen Eintrittsabschnitt in einen Düsenraum trichterförmig erweitert. In einem sich daran anschließenden, den Innendurchmesser der Düse noch weiter vergrößernden Austrittsabschnitt ist dann das Sperrelement angeordnet. Bei dieser Düsenform trifft das Fluid mit hoher Geschwindigkeit auf das Sperrelement und wird dadurch abgebremst und aufgeteilt. Eine befriedigende Bündelung des Fluidstrahls findet nicht statt. Vielmehr verliert der Fluidstrahl an Energie und Austrittgeschwindigkeit und somit an Länge.
  • Eine gattungsgemäße Injektionsdüse ist in der US-A-5 256 004 beschrieben.
  • Die Erfindung befaßt sich daher mit dem Problem, eine Injektionsdüse für Hochdruckinjektionsbohrsysteme bzw. ein Hochdruckinjektionsbohrwerkzeug zu schaffen, das es ermöglicht, Betonblöcke mit möglichst großem Durchmesser zu erstellen.
  • Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch eine Injektionsdüse mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. ein Hochdruckinjektionsbohrwerkzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.
  • Durch die Ausbildung des Fluidkanals im Düsenkörper mit einem gleichbleibenden unrunden Innenquerschnitt über die gesamte Fluidkanallänge wird ein wesentlich länger gebündelter Injektionsstrahl ausgebildet, wodurch Betonblöcke größeren Durchmessers erhältlich sind.
  • Die erfindungsgemäße unrunde Innenquerschnittsform des Fluidkanals der neuentwickelten Injektionsdüse bremst die entstandenen Wirbel innerhalb der Düse ab und bündelt so den Injektionsstrahl über die gesamte Düsenlänge bis zum Austritt, so daß ein ruhiger gleichmäßiger Strahl ohne Verwirbelungen die Düse verläßt, der noch über eine große Länge scharf bleibt. Dadurch können deutlich größere Betonblockdurchmesser erzielt werden und es müssen weniger Bohrungen eingebracht werden, um die gleiche Betonplattformfläche abzudecken. Die Bauzeiten und Baukosten verringern sich damit erheblich.
  • Besonders wirksam sind Injektionsdüsen, deren Innenquerschnitt in den Fluidkanal hineinragende Leitprofile aufweist, da diese die entstandenen Wirbel besonders gut bremsen. Bevorzugte Bauformen sind daher Injektionsdüsen mit in den Fluidkanal hereinragenden Flügeln oder keilartigen Leitprofilen, die bei aneinandergrenzender Anordnung einen sternförmigen Innenquerschnitt des Fluidkanals ergeben.
  • Die Wirbelbrems- und Bündelungswirkung ist besonders groß, wenn die Leitprofile rippenförmig sind und sich vorzugsweise über die gesamte Düsenlänge erstrecken.
  • Da die Wandungen des Fluidkanals durch die Zementschlämme einem hohen Verschleiß ausgesetzt sind, ist es vorteilhaft, den Fluidkanal in einem separaten Düseneinsatz auszubilden, der in den Düsenkörper eingesetzt und mit diesem beispielsweise durch Verschrauben, Verlöten oder Verkleben verbunden ist. Eine Fertigung des Düseneinsatzes aus Hartmetall verlängert dessen Standzeit und vermindert so eventuelle Rüstzeiten für einen Wechsel.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus den Unteransprüchen und in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen der Erfindung, die im folgenden beschrieben werden; es zeigen:
    • Fig. 1
    ein Hochdruckinjektionsbohrwerkzeug, teilweise im Schnitt,
    Fig. 2
    eine dreidimensionale Ansicht eines erfindungsgemäßen Düseneinsatzes für eine Injektionsdüse,
    Fig. 3
    einen Längsschnitt durch den Düseneinsatz aus Fig. 1, in einem Düsenkörper eingesetzt,
    Fig. 4
    einen Längsschnitt durch den Düseneinsatz aus Fig. 1 in zweidimensionaler Darstellung,
    Fig. 5
    eine Ansicht aus Richtung V auf den Gegenstand in Fig. 4 und
    Fig. 6 a - f
    verschiedene Innenquerschnittsformen des Fluidkanals.
  • Das in Fig. 1. dargestellte Hochdruckinjektionsbohrwerkzeug besteht aus einem Bohrgestänge 1, durch das sich eine Fluidleitung 2 hindurch erstreckt. Frontseitig an dem Bohrgestänge 1 ist eine Bohrkrone 3 angeordnet. In Fluidflußrichtung 4 vor der Bohrkrone 3 befinden sich Injektionsdüsen 5 mit einem Düsenkörper 6, in den ein Düseneinsatz 7 eingesetzt ist.
  • Der Düseneinsatz 7 ist in den Fig. 4 und 5 näher dargestellt. Durch den Düseneinsatz 7 erstreckt sich ein Fluidkanal 8, der - wie in den Fig. 2 bis 4 zu erkennen ist - einen unrunden über die gesamte Länge L des Fluidkanals 8 gleichbleibenden Innenquerschnitt aufweist.
  • Fig. 6 zeigt verschiedene unrunde Innenquerschnittsformen, die sämtlich die in dem Fluidstrahl bei der Umlenkung aus der Fluidleitung 2 in den Fluidkanal 8 entstehenden Wirbel bremsen und den Fluidstrahl dadurch bündeln.
  • Besonders starke Bündelungseffekte ergeben sich, wenn der Fluidkanal wie bei den Ausführungsformen der Fig. 6d bis 6f in ihn hineinragende Leitprofile 9 aufweist. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6d sind die Leitprofile 9 keilförmig und dicht an dicht angeordnet, so daß sich ein sternförmiger Innenquerschnitt ergibt. In Fig. 6e bilden die Leitprofile 9 Züge 10 und Felder 9' aus. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6f und Fig. 2 bis 5 sind die Leitprofile flügelartig und ragen weit in das Innere des Fluidkanals 8 hinein. Die Wirbelbremswirkung und die damit verbundene Bündelung des Fluidstrahls ist bei dieser Ausführungsform besonders ausgeprägt. Die Zahl der Leitprofile ist dabei nicht auf drei beschränkt. Auch ein einziges Leitprofil erzielt bereits eine positive Wirkung. Ausführungsformen mit drei oder vier Leitprofilen führen aber zu einer besonders guten Bündelungen des Fluidstrahls.
  • Wie in den Figuren 3 bis 5 dargestellt, weist die Injektionsdüse bevorzugt einen Einlaufabschnitt 1 auf, der dem Fluidkanal 8 vorgeschaltet ist. Dieser schafft einen weichen Übergang der Querschnittsverengung von der Fluidleitung 2 in den Fluidkanal 8. Energetisch günstig ist diese Querschnittsverengung des Einlaufabschnitts 11 vom Düseninneren aus betrachtet konvex gerundet ausgebildet. Die Leitprofile 9 können auch wie in Fig. 5 gestrichelt angedeutet bereits im Einlaufabschnitt 11 beginnen, wodurch schon in diesem Bereich verhindert wird, daß sich ein unerwünschter Drall oder Verwirbelungen im Fluid ausbilden.

Claims (11)

  1. Injektionsdüse für Hochdruckinjektionsbohrsysteme mit einem Düsenkörper (6) und einem sich durch diesen in Längsrichtung hindurch erstreckenden Fluidkanal (8) für zu injizierende Zementschlämme, wobei die Injektionsdüse (15) zur Aufnahme an einem Bohrgestänge (1) derart ausgebildet ist, daß sich ihr Fluidkanal (8) zumindest annähernd rechtwinklig zur Längsachse des Bohrgestänges erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidkanal (8) über zumindest den wesentlichen Teil seiner Länge (L) einen einheitlichen, unrunden Innenquerschnitt aufweist.
  2. Injektionsdüse nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch in den Fluidkanal hineinragende, sich in Längsrichtung der Düse (5) erstreckende Leitprofile (9).
  3. Injektionsdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Leitprofile (9) zumindest im wesentlichen über die gesamte Düsenlänge erstrecken.
  4. Injektionsdüse nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitprofile (9) rippenförmig sind.
  5. Injektionsdüse nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch einen sternförmigen Innenquerschnitt.
  6. Injektionsdüse nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitprofile (9) in dem Fluidkanal Züge (10) und Felder (9') ausbilden.
  7. Injektionsdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Fluidkanal (8) ein Einlaufabschnitt (11) mit in Fluidflußrichtung (4) sich verengendem Querschnitt vorgeschaltet ist.
  8. Injektionsdüse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsverengung des Einlaufabschnitts (11) konvex gerundet ausgebildet ist.
  9. Injektionsdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidkanal (8) in einem in den Düsenkörper (6) eingesetzten Düseneinsatz (7) ausgebildet ist.
  10. Injektionsdüse nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Düseneinsatz (7) aus Hartmetall besteht.
  11. Hochdruckinjektionsbohrwerkzeug mit einem Bohrgestänge (1), einer frontseitig an diesem angeordneten Bohrkrone (3), einer sich durch das Bohrgestänge (1) erstreckenden Fluidleitung (2) und zumindest einer in Fluidflußrichtung (4) vor der Bohrkrone (3) angeordneten, an die Fluidleitung (2) angeschlossenen Injektionsdüse (5), deren Längsachse sich im Winkel zu der Längsachse des Bohrgestänges (1) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektionsdüse (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgebildet ist.
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