EP3827156B1

EP3827156B1 - Bohrlochverschlussvorrichtung

Info

Publication number: EP3827156B1
Application number: EP19756105.3A
Authority: EP
Inventors: Sascha ZIPP
Original assignee: Zipp Industries Co Kg GmbH
Current assignee: Zipp Industries Co Kg GmbH
Priority date: 2018-07-26
Filing date: 2019-07-25
Publication date: 2021-12-08
Anticipated expiration: 2039-07-25
Also published as: WO2020021002A1; EP3827156B8; EP3827156A1; DE102018118121A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Bohrlochverschluss zur Durchführung von Bohrungen in einem Bohrloch unter Kontrolle des Wasseraustritts aus dem Bohrloch.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Bohrverfahren für Gestein und Erdreich bekannt. Derartige Bohrungen werden beispielsweise im Tiefbau, zum Setzen von Ankern, welche Zugkräfte in den Boden oder Fels einleiten, und in der Geothermie eingesetzt. Allgemein unterscheidet man in diesem Zusammenhang Trockenbohr- und Spülbohrverfahren. Während beim Trockenbohren das Bohrgut periodisch zu Tage gefördert wird, erfolgt die Bohrgutförderung beim Spülbohren kontinuierlich im Spülstrom, wobei für die Erzeugung des Spülstroms Luft oder ein Fluid wie insbesondere Wasser eingesetzt wird. Häufig werden dem Wasser Zusätze hinzugefügt, beispielsweise Bentonit zur Erhöhung der Viskosität oder Zement. Weiter unterscheidet man zwischen verrohrten und unverrohrten Bohrungen.
Besondere Probleme ergeben sich bei Bohrungen unterhalb des Grundwasserspiegels, da in diesem Fall Wasser in das Bohrloch drückt, welches kontrolliert abgeleitet werden muss, ohne stärkere Bodenaustragungen aus dem Bohrloch zu erlauben. Unkontrollierte Bodenaustragungen sind grundsätzlich unerwünscht, da hierdurch das Gestein instabil und im schlimmsten Fall ein Grundbruch hervorgerufen werden kann. Auch bei diagonalen oder horizontalen Bohrungen kann das Problem von drückendem Wasser auftreten.
Bohrungen unterhalb des Grundwasserspiegels werden meistens in Außenrohren ausgeführt. Häufig kommen in diesem Zusammenhang Imlochhämmer zum Einsatz, insbesondere wenn die Bohrung in verhältnismäßig hartem Gestein durchgeführt werden muss. Lediglich bei leichten Böden können auch Spülbohrungen ohne Imlochhammer ausgeführt werden. Die Bohrungen werden oft als Doppelkopfbohrungen durchgeführt.
Es stellte sich erfindungsgemäß die Aufgabe, einen Bohrlochverschluss zur Verfügung zu stellen, mit dem einerseits der Zwischenraum zwischen Bohrgestänge und Außenrohr gegen von unten oder aus anderen Richtungen drückendes Wasser wirksam abgedichtet werden kann, der jedoch auf der anderen Seite Spülbohrverfahren erlaubt, bei denen das zugeführte Fluid das Bohrgut kontinuierlich aus dem Bohrloch herausbefördert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Bohrlochverschlussvorrichtung nach Anspruch 1.
Erfindungsgemäß ist ein an der Außenseite des Grundrohrs festgelegtes Elastomerelement so beschaffen, dass es den Zwischenraum zwischen der zum Bohrgestänge gehörenden Bohrlochverschlussvorrichtung und dem Außenrohr abdichten kann. Das Elastomerelement ist normalerweise radial umlaufend um die Bohrlochverschlussvorrichtung angeordnet, insbesondere um das Grundrohr. Es kann die Form eines Ringzylinders oder einer schlauchförmigen Hülse aufweisen. Das Elastomerelement kann jedoch so gestreckt werden, dass keine Abdichtung gegenüber dem Außenrohr mehr vorliegt, und ein Fluid, insbesondere Wasser, durch den Zwischenraum nach außen dringen kann. Um diese Streckung herbeizuführen, kann das Elastomerelement jedenfalls an einem axialen Ende, vorzugsweise direkt, mit der Hülse verbunden sein, wodurch die Verschiebung der Hülse in Längsrichtung entgegen der Federkraft eine Streckung des Elastomerelements hervorruft. Alternativ kann das Elastomerelement auch nur an einem Abschnitt der Hülse anliegen, sodass die Längsbewegung der Hülse es dem Elastomerelement erlaubt, sich in Längsrichtung auszudehnen, wobei gleichzeitig die radiale Ausdehnung abnimmt. Das Elastomerelement kann beispielsweise aus Gummi oder einem anderen elastischen Material gefertigt sein. Die Steifigkeit des Elastomerelements kann in Abhängigkeit von den angewendeten Drücken durch geeignete Auswahl von Form und Material eingestellt werden. Hinsichtlich des Materials ist der Begriff Elastomer weit auszulegen, grundsätzlich sind Materialien geeignet, die eine Verformung des Elastomerelements in der Weise erlauben, dass bei Stauchung in Längsrichtung eine radiale Ausdehnung und bei Streckung in Längsrichtung eine Abnahme der radialen Ausdehnung erfolgt. Hierzu ist eine gewisse Verformbarkeit notwendig.
Für die erfindungsgemäße Bohrlochverschlussvorrichtung lassen sich somit im Wesentlichen zwei unterschiedliche Betriebszustände unterscheiden. Im Ruhezustand, in dem nicht gebohrt wird und keine Spülung mit Fluid stattfindet, ist das Elastomerelement expandiert und dichtet den Zwischenraum zwischen Bohrlochverschlussvorrichtung und dem Außenrohr ab. In diesem Zustand kann beispielsweise der Ausbau und die Verlängerung des Bohrgestänges erfolgen. Das Austreten von Grundwasser oder anderem drückenden Wasser wird auf diese Weise wirkungsvoll verhindert. Wenn hingegen eine Bohrung stattfindet, wird die gesamte Bohrlochverschlussvorrichtung druckbeaufschlagt, d. h. Fluid strömt durch das Innere des Grundrohrs in Bohrrichtung, um beim Bohren das zerkleinerte Bohrgut (Bohrklein) durch das Außenrohr mitzunehmen und herauszufördern. In diesem druckbeaufschlagten Zustand gelangt das Fluid durch die radialen Durchlässe in der Wandung des Grundrohrs in den Kolbenraum zwischen Außenseite des Grundrohrs und Innenseite der Hülse. Der Druck des Fluids bewirkt, dass die Hülse in Längsrichtung verschoben wird, wobei der vom Fluid ausgeübte Druck gegen die Federkraft der Feder wirkt. Da die Hülse zugleich mit dem Elastomerelement in Verbindung steht bzw. an dieser anliegt, wird dieses gestreckt bzw. erhält Raum für eine Streckung in Längsrichtung. Hiermit verbunden ist eine Abnahme der radialen Expansion des Elastomerelements und der Zwischenraum zwischen Bohrlochverschlussvorrichtung und Außenrohr wird freigegeben, d. h. das zugeführte Fluid kann durch den Zwischenraum zwischen Bohrlochverschlussvorrichtung und Außenrohr nach außen strömen und hierbei das geförderte Bohrgut nach außen abtransportieren. Sobald der Druck durch das Fluid wieder nachlässt, weil keine Druckbeaufschlagung mit Fluid mehr erfolgt, sorgt die Feder dafür, dass die Hülse sich axial in die entgegengesetzte Richtung bewegt, wobei die Hülse in diesem Fall für eine Stauchung des Elastomerelements in Längsrichtung sorgt, so dass sich das Elastomerelement radial ausdehnt und einen Verschluss des Zwischenraums zwischen Außenrohr und Bohrlochverschlussvorrichtung herbeiführt. Das unkontrollierte Austreten von drückendem Wasser wird somit verhindert. Dies ist im Ruhezustand von Bedeutung, wenn nicht gebohrt wird, insbesondere beim Ausbau des Bohrgestänges.
Eine Bohrvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus der US 7,314,092 B2 bekannt. Hier ist zwar ebenfalls ein Elastomerelement vorhanden, das in der Lage ist, eine Abdichtung gegenüber einem Außenrohr herbeizuführen, das Elastomerelement wird jedoch durch das Gewicht des auf das Außenrohr aufgesetzten Bohrgestänges expandiert. Im Gegensatz dazu erlaubt die Erfindung die bewusste Steuerung der Expansion des Elastomerelements durch Zufuhr eines Fluids in den Kolbenraum, um auf diese Weise das unkontrollierte Austreten von Grundwasser zu verhindern.
Typischerweise bewegt sich die Hülse beim Eintreten von Fluid in den Kolbenraum entgegengesetzt der Bohrrichtung und sorgt entsprechend für eine Streckung des Elastomerelements in der gleichen Richtung. Grundsätzlich ist jedoch auch eine Verschiebung der Hülse in umgekehrter Richtung, d. h. Bohrrichtung, unter entsprechender Streckung des Elastomerelements denkbar.
Die Abdichtung des Kolbenraums in Längsrichtung erfolgt vorzugsweise über Nutdichtringe. Damit die Hülse längsverschieblich ist, sollte der Nutdichtring zumindest in einer Richtung so an der Hülse festgelegt sein, dass eine Längsverschiebung gegenüber dem Grundrohr möglich ist, gleichzeitig jedoch die Abdichtung des Kolbenraums gewährleistet bleibt. Die längsverschiebliche, federseitige Begrenzung des Kolbenraums stößt normalerweise direkt oder indirekt an die Feder, d. h. bei Druckbeaufschlagung des Kolbenraums mittels zugeführtem Fluid wird eine Kraft von der Begrenzung des Kolbenraums auf die Feder ausgeübt, welche diese komprimiert; wenn hingegen der Druck im Kolbenraum abnimmt, sorgt die Entspannung der Feder dafür, dass sich der Kolbenraum wieder verkleinert, indem die Feder gegen die Begrenzung drückt und die Hülse in Längsrichtung verschiebt.
Bei dem Fluid handelt es sich in der Regel um ein Fluid auf Wasserbasis, wobei auch Wasser mit bestimmten Zusätzen verwendet werden kann, beispielsweise Bentonit. Mit dem Wasser wird zugleich das vom Bohrer zerkleinerte Gestein sowie Erdreich im Zwischenraum zwischen der Bohrlochverschlussvorrichtung und dem dieses umgebenden Außenrohr aus dem Bohrloch heraus befördert. Möglich ist auch die Verwendung von Gasen als Fluid, beispielsweise von Luft. Besonders bevorzugt ist die Verwendung einer Mischung aus Luft, Wasser und einer Zementwassersuspension als Fluid.
Das vorzugsweise Wasser enthaltende Fluid dient der Kühlung beim Bohren sowie dem Austragen des gelösten Bohrguts. Im Betrieb wird somit ein Fluid durch den Innenraum des Grundrohrs zum Bohrer gepumpt, das dafür sorgt, dass das zerkleinerte Bohrgut durch das Außenrohr aus dem Bohrloch herausgespült wird. Gemäß der Erfindung übernimmt das Fluid eine weitere Rolle und gelangt durch die Durchlässe in der Wandung des Grundrohrs in den Kolbenraum zwischen der Außenseite des Grundrohrs und der Innenseite der Hülse, um mit dem hier aufgebauten Druck dafür zu sorgen, dass sich die Hülse in Längsrichtung entgegen der Federkraft verschiebt und dabei das Elastomerelement expandiert. Bei Unterbrechungen des Bohrens wird die Fluidzufuhr verringert oder gestoppt. Das Nachlassen des Fluiddrucks sorgt für eine Expansion der Feder und dafür, dass das Fluid aus dem Kolbenraum herausgepresst wird und sich die Hülse in entgegengesetzter Richtung verschiebt, wodurch das Elastomerelement radial expandiert und den Zwischenraum zwischen Bohrlochverschlussvorrichtung und Außenrohr abdichtet. Ein Austragen von Bohrgut ist in diesem Zustand mangels Bohrung naturgemäß nicht erforderlich, gleichzeitig wird jedoch insbesondere auch bei Bohrungen unterhalb des Grundwasserspiegels das unerwünschte und unkontrollierte Austreten von Grundwasser wirkungsvoll verhindert. Entsprechendes gilt bei Horizontal- oder Diagonalbohrungen, wenn drückendes Wasser vorhanden ist.
Bei dem Bohrer kann es sich um einen hydraulisch angetriebenen Bohrer handeln. Bevorzugte Bohrer sind im Stand der Technik als Imlochhämmer bekannt, die insbesondere bei Bohrungen in festem Gestein zum Einsatz kommen und über ein Schlagwerk zur Erzeugung einer Schlagbewegung verfügen. Grundsätzlich lässt sich die Erfindung jedoch auch mit anderen Bohrern praktizieren, beispielsweise bei leichteren Böden. Beispiele für weitere Bohrer sind (verlorene) Rammspitzen, ggf. mit Spatenschneiden. Die Erfindung lässt sich auch im Zusammenhang mit HDI (Hochdruckinjektionsverfahren), d. h. Düsenstrahlverfahren anwenden, bei denen ein Fluid unter Hochdruck zugeführt wird, das das Gestein oder Erdreich aufschneidet. Hierbei kann auch eine meist zementhaltige Suspension zugeführt werden, um einen betonartigen Körper zu erzeugen. Auch derartige Verfahren werden gemäß der hier verwendeten Terminologie als "Bohren", eine HDI-Injektionslanze entsprechend als Bohrer aufgefasst.
Sinnvollerweise lässt sich der Bohrer am bohrrichtungsseitigen Ende der Bohrlochverschlussvorrichtung anschließen, insbesondere über eine am bohrrichtungsseitigen Ende des Grundrohrs angeordnete Verschlussmuffe. Diese Verschlussmuffe sollte einen in Längsrichtung verlaufenden Strömungskanal aufweisen, der sich an den Strömungskanal des Grundrohrs anschließt, mit anderen Worten mit dem Inneren des Grundrohrs in Verbindung stehen. Die Verbindung zwischen Grundrohr und Verschlussmuffe kann beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass das Grundrohr ein entsprechendes Außengewinde und die Verschlussmuffe ein entsprechendes Innengewinde aufweisen, die miteinander verschraubbar sind. Denkbar sind jedoch auch Ausführungsformen, bei denen beispielsweise der Bohrer direkt am Grundrohr angeschlossen wird oder der Bohrer unmittelbarer Bestandteil der Bohrlochverschlussvorrichtung ist. Das Elastomerelement kann bohrrichtungsseitig an die Verschlussmuffe angrenzen, sodass die Streckung in Längsrichtung durch die Verschlussmuffe begrenzt wird. Alternativ kann die Bohrlochverschlussvorrichtung auch über eine anderweitige Begrenzung für das Elastomerelement in Bohrrichtung verfügen.
Um den Druckaufbau durch das Fluid zu kontrollieren, ist es sinnvoll, im zu den Durchlässen führenden Strömungsweg des Fluids, vorzugsweise bohrrichtungsseitig, eine Stauscheibe anzuordnen. Eine solche Stauscheibe sorgt dafür, dass sich zunächst ein gewisser Druck aufbauen muss, bevor eine ausreichende Menge Fluid durch die radialen Durchlässe in den Kolbenraum zwischen Grundrohr und Hülse gelangt, um hier einen Druck aufzubauen, der ausreichend groß ist, die Hülse gegen die Federkraft zu verschieben. Kleinere Drücke hingegen, die bereits vom Grundwasser oder anderem drückenden Wasser ausgeübt werden, reichen nicht aus, die Hülse zu verschieben. Das Elastomerelement bleibt entsprechend in seiner expandierten Konfiguration und verschließt den Zwischenraum zwischen Bohrlochverschlussvorrichtung und Außenrohr. Die Stauscheibe reguliert den gewünschten Überdruck und ist vorzugsweise austauschbar, d. h. der gewünschte Überdruck, ab dem eine Verschiebung der Hülse und damit eine Öffnung des Zwischenraums zwischen Außenrohr und Bohrlochverschlussvorrichtung erfolgt, kann je nach Bedarf und Verhältnissen vor Ort eingestellt werden.
Zweckmäßigerweise kann die Stauscheibe in der Verschlussmuffe angeordnet sein. Die Verschlussmuffe kann einen Bereich mit kleinerem Innendurchmesser aufweisen, in dem die Stauscheibe angeordnet wird. Am bohrrichtungsseitigen Ende der Verschlussmuffe kann diese eine Aufnahme haben, für den die Aufnahme des Bohrers, beispielsweise eines Zapfens des Bohrers, geeignet ist.
Die Feder, die dafür sorgt, dass ohne Fluiddruck die Hülse in ihrer Ruhestellung bleibt und das Elastomerelement eine expandierte Form hat, muss so angeordnet werden, dass sie ihre Rolle erfüllen kann. Zweckmäßigerweise handelt es sich um eine Schraubenfeder, insbesondere eine Druckfeder, die durch Druckbeaufschlagung belastet und zusammengedrückt wird. Eine Druckfeder, insbesondere eine Schraubendruckfeder hat den Vorteil, so angeordnet werden zu können, dass sie vom Elastomerelement ausreichend beabstandet ist. Grundsätzlich sind aber auch Ausführungsformen denkbar, bei denen beispielsweise eine Tellerfeder oder eine Zugfeder, insbesondere eine Schraubenzugfeder verwendet wird.
Die Feder, insbesondere die Druckfeder, ist vorzugsweise in einem Zwischenraum zwischen der Außenseite des Grundrohrs und der Innenseite der Hülse angeordnet. Dieser Zwischenraum kann, getrennt durch eine längsverschiebliche federseitige Begrenzung des Kolbenraums in Längsrichtung, an den Kolbenraum angrenzen, der im Betriebszustand durch das Fluid gefüllt wird. Die oben erwähnte federseitige Begrenzung des Kolbenraums drückt somit bei Einströmen des Fluids in den Kolbenraum die Feder zusammen. In der Regel ist der Kolbenraum in Bohrrichtung gesehen hinter dem Zwischenraum angeordnet, d. h. der Kolbenraum befindet sich bohrrichtungsseitig zum Zwischenraum. Am der federseitigen Begrenzung des Kolbenraums entgegengesetzten Ende der Druckfeder sollte eine Begrenzung oder Fixierung vorgesehen sein, die dieses Ende der Druckfeder fixiert, sodass eine Kraftausübung durch die federseitige Begrenzung des Kolbenraums eine Komprimierung der Druckfeder zur Folge hat. Beispielsweise kann das Grundrohr auf seiner Außenseite eine Stufe aufweisen, die als entgegen der Bohrrichtung liegende Begrenzung für die Feder dient. Im Falle einer Zugfeder sollte selbstverständlich entsprechend ein Ende der Zugfeder in der Weise fixiert werden, dass die Druckbeaufschlagung des Fluids ein Auseinanderziehen der Zugfeder bewirkt.
Um die Längsbewegung der Hülse zu begrenzen, kann die Außenseite des Grundrohrs über einen Anschlag verfügen, der mit einem an der Hülse angebrachten Distanzstück zusammenwirkt. Der Anschlag kann beispielsweise ein ein- oder mehrteiliger Prellring sein, der vorzugsweise radial umlaufend ausgebildet ist. Der Prellring grenzt wiederum an den Kolbenraum an, ggf. von diesem zusätzlich getrennt durch den Kolbenraum abdichtende Nutdichtringe. Zugleich kann das Distanzstück als Anschlag für das Elastomerelement dienen, wobei entweder eine Verbindung, beispielsweise eine Klebeverbindung, mit dem Elastomerelement vorliegt, oder das Distanzstück lediglich die Längsausdehnung des Elastomerelements begrenzt. Das Distanzstück kann ein über den inneren Umfang der Hülse radial umlaufender Distanzring sein, der z. B. über einen Sicherungsring an der Hülse fixierbar ist. Der Sicherungsring kann teilweise in eine radial umlaufende Aussparung auf der Innenseite der Hülse eingelassen sein.
Neben der erfindungsgemäßen Bohrlochverschlussvorrichtung betrifft die Erfindung auch eine Bohrvorrichtung im Ganzen, die sich aus der Bohrlochverschlussvorrichtung, wie zuvor beschrieben, einem Außenrohr, durch das sich die Bohrlochverschlussvorrichtung erstreckt, und einem Bohrer zusammensetzt, der an die Bohrlochverschlussvorrichtung angeschlossen ist. Möglich ist in diesem Zusammenhang auch, dass der Bohrer selbst Bestandteil der Bohrlochverschlussvorrichtung ist. Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Durchführen von Bohrungen, bei dem das Bohrloch temporär mit der erfindungsgemäßen Bohrlochverschlussvorrichtung gegen Flüssigkeitsaustritt abgedichtet wird.
Die Erfindung wird anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung zeigen, die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Insbesondere umfasst die Erfindung, soweit es technisch sinnvoll ist, beliebige Kombinationen der technischen Merkmale, die in den Ansprüchen aufgeführt oder in der Beschreibung als erfindungsrelevant beschrieben sind.
Es zeigen:

Fig. 1: das Grundrohr der erfindungsgemäßen Bohrlochverschlussvorrichtung im Längsschnitt;
Fig. 2: die Hülse der erfindungsgemäßen Bohrlochverschlussvorrichtung im Längsschnitt;
Fig. 3: das Grundrohr der erfindungsgemäßen Bohrlochverschlussvorrichtung mit aufgesteckter Hülse im Längsschnitt;
Fig. 4: die Hülse auf dem Grundrohr im drucklosen Zustand im Längsschnitt;
Fig. 5: die Hülse auf dem Grundrohr im druckbeaufschlagten Zustand im Längsschnitt;
Fig. 6: die Verschlussmuffe der erfindungsgemäßen Bohrlochverschlussvorrichtung im Längsschnitt;
Fig. 7: die erfindungsgemäße Bohrlochverschlussvorrichtung innerhalb eines Außenrohrs im drucklosen Zustand im Längsschnitt;
Fig. 8: die erfindungsgemäße Bohrlochverschlussvorrichtung innerhalb eines Außenrohrs im druckbeaufschlagten Zustand im Längsschnitt;
Fig. 9: die erfindungsgemäße Bohrlochverschlussvorrichtung innerhalb eines Außenrohrs im drucklosen Zustand im Längsschnitt gemäß einer alternativen Ausführungsform und
Fig. 10: die erfindungsgemäße Bohrlochverschlussvorrichtung innerhalb eines Außenrohrs im druckbeaufschlagten Zustand im Längsschnitt gemäß der alternativen Ausführungsform.

In Figur 1 ist das Grundrohr 1 im Längsschnitt dargestellt, wobei wie in den folgenden Figuren die Bohrrichtung rechts ist, d. h. rechts ist der hier nicht dargestellte Bohrer angeordnet. Das Grundrohr 1 verfügt über einen Innenraum 2 als Durchlass in Längsrichtung, durch welches ein Fluid in Richtung Bohrer geleitet werden kann. Das Grundrohr 1 verfügt in seiner Wandung über Durchlässe 3, durch die das Fluid nach außen gelangen kann. Zusätzlich verfügt das Grundrohr 1 über ein Außengewinde 4, über das eine Verschraubung mit einer Verschlussmuffe möglich ist, eine Stufe 5 als Anschlag für eine Feder so wie eine radial umlaufende Nut 6 für einen ersten Sicherungsring.
In Figur 2 ist die Hülse 7 der erfindungsgemäßen Bohrlochverschlussvorrichtung im Längsschnitt dargestellt. Die Hülse 7 ist im Wesentlichen innen hohl, so dass sie auf das Grundrohr 1 aufgesteckt werden kann. Die Hülse 7 weist darüber hinaus eine radial umlaufende Aussparung 8 für einen Nutdichtring, eine radial umlaufende Aussparung 9 für einen zweiten Sicherungsring und eine radial umlaufende Nut 10 für einen O-Ring auf.
In Figur 3 ist das Grundrohr 1 mit aufgesteckter Hülse 7 dargestellt. Zwischen Grundrohr 1 und Hülse 7 ergibt sich ein Zwischenraum 16, in dem eine Schraubendruckfeder 11 untergebracht ist, welche auf der der Bohrrichtung abgewandten Seite an die Stufe 5 angrenzt. Die Hülse 7 ist auf dem Grundrohr 1 längsverschieblich angeordnet, und zwar in der hier gewählten Darstellung nach links, d. h. entgegen der Bohrrichtung, wobei eine federseitige Begrenzung 26 des Kolbenraums die Feder 11 zusammenpresst. Zwischen Hülse 7 und Grundrohr 1 befindet sich zudem ein radial umlaufender O-Ring 13.
In Figur 4 ist die Hülse 7 erneut in auf dem Grundrohr 1 aufgestecktem Zustand dargestellt, allerdings wird hier zusätzlich der radial umlaufende Prellring 15 gezeigt, der mithilfe eines ersten Sicherungsrings 17 am Grundrohr 1 festgelegt ist. Der Prellring 15 kann mehrteilig und durch weitere Nutdichtringe 27 abgedichtet sein. Auf diese Weise ergibt sich ein Kolbenraum 14, der mit den Durchlässen 3 in Verbindung steht und in Längsrichtung abgeschlossen ist, wobei jedoch durch Zufuhr eines Fluids durch die Durchlässe 3 unter Druckbeaufschlagung in den Kolbenraum 14 eine Längsverschiebung der Hülse 7 auf dem Grundrohr 1 entgegen der Bohrrichtung (in der gewählten Darstellung nach links) möglich ist. Dabei wird die Feder 11 durch die federseitige Begrenzung 26 des Kolbenraums 14 komprimiert. Diese Bewegung wird durch ein mittels eines zweiten Sicherungsrings 19 an der Hülse 7 fixiertes Distanzstück 18 begrenzt, welches bei maximaler Längsverschiebung der Hülse 7 an den Prellring 15 anstößt. Auch das Distanzstück 18 sowie der zweite Sicherungsring 19 sind radial umlaufend angeordnet.
Figur 5 zeigt die gleiche Darstellung wie Figur 4, jedoch in druckbeaufschlagtem Zustand. Man erkennt, dass der Kolbenraum 14 deutlich größer geworden ist und sich die Hülse 7 nach links verschoben hat, wobei die Feder 1 komprimiert wurde. Da das Distanzstück 18 mit der Hülse 7 verbunden ist, bewegt sich dieses ebenfalls entgegen der Bohrrichtung.
In Figur 6 ist die Verschlussmuffe 20 im Längsschnitt dargestellt. Diese verfügt über ein Innengewinde 21, das mit dem Außengewinde 4 am Grundrohr 1 verschraubbar ist. In der Verschlussmuffe 20 ist eine Stauscheibe 22 angeordnet, die den gewünschten Überdruck reguliert und ggf. nach Bedarf gewechselt werden kann. Des Weiteren verfügt die Verschlussmuffe 20 über eine Aufnahme 23 für den Bohrer.
In Figur 7 ist das Gesamtsystem im drucklosen Zustand dargestellt. Die Bohrlochverschlussvorrichtung befindet sich innerhalb eines Außenrohrs 25. Im Vergleich zur Figur 4 erkennt man des Weiteren das an das Distanzstück 18 angrenzende und ggf. mit diesem verbundene Elastomerelement 24, das bohrrichtungsseitig an die Verschlussmuffe 20 angrenzt. Das Elastomerelement 24 ist radial umlaufend ausgebildet und hat die Form eines Ringzylinders. Im drucklosen Zustand ist das Elastomerelement 24 radial expandiert und dichtet daher den Zwischenraum 28 zwischen Bohrlochverschlussvorrichtung und Außenrohr 25 ab. Mit anderen Worten kann keine durch die Pfeile angedeutete Flüssigkeit, beispielsweise Grundwasser durch den Zwischenraum 28 austreten.
In Figur 8 ist die Situation in druckbeaufschlagtem Zustand dargestellt. Hier wird ein Fluid in Pfeilrichtung durch den Innenraum 2 des Grundrohrs 1 zum hier nicht dargestellten Bohrer geführt, um diesen zu kühlen. Des Weiteren sorgt das Fluid für ein Austragen des entstehenden Bohrguts. Das Fluid gelangt durch die Durchlässe 3 in den Kolbenraum 14, wobei der Druck über die Stauscheibe 22 reguliert ist. Aufgrund der Druckbeaufschlagung des Kolbenraums 14 bewegt sich die Hülse 7 entgegen der Bohrrichtung, d. h. in der hier gewählten Darstellung nach links, und komprimiert die Feder 11. In gleichem Maße bewegt sich auch das Distanzstück 18 entgegen der Bohrrichtung, wodurch sich das Elastomerelement 24 in Längsrichtung streckt und zugleich seine radiale Ausdehnung abnimmt. Entsprechend wird der Zwischenraum 28 zwischen Außenrohr 25 und Bohrlochverschlussvorrichtung freigegeben, d. h. das Fluid kann durch das Außenrohr 25 fließen und Bohrgut austragen. Wenn der Bohrvorgang unterbrochen wird, wird die Fluidzufuhr unterbrochen, die Druckfeder 11 expandiert und bewegt die Hülse 7 wiederum in Bohrrichtung (nach rechts), wobei das Distanzstück 18 mitgenommen wird und für eine radiale Aufweitung des Elastomerelements 24 sorgt. Der Zwischenraum 28 zwischen Bohrlochverschlussvorrichtung und Außenrohr 25 wird entsprechend erneut abgedichtet.
Eine alternative Ausführungsform, die sich hinsichtlich des Elastomerelements 24 unterscheidet, ist in den Figuren 9 und 10 dargestellt, wobei Fig. 9 den drucklosen Zustand, Fig. 10 hingegen den druckbeaufschlagten Zustand darstellt. In Fig. 9 erkennt man das auch hier radial umlaufend ausgebildete Elastomerelement 24, welches bohrrichtungsseitig mit der Verschlussmuffe 20 und an der der Bohrrichtung abgewandten Seite mit der Hülse 7 verbunden ist. In diesem Fall weist das Elastomerelement 24 die Form einer schlauchförmigen Hülse auf, wobei die schlauchförmige Hülse im drucklosen Zustand in der Weise gestaucht ist, dass eine Abdichtung des Zwischenraums 28 zwischen der Bohrlochverschlussvorrichtung und dem Außenrohr 25 gewährleistet ist. Das Elastomerelement 24 ist über einen Mitnehmerring 29 mit der Hülse 7 verbunden, sodass die axiale Bewegung der Hülse 7 auf das Elastomerelement 24 übertragen wird. Über einen weiteren, beispielsweise als Halbschale ausgeführten Ring 30 erfolgt die Verbindung des Elastomerelements 24 mit der Verschlussmuffe 20. Die Fixierung von Mitnehmerring 29 und weiterem Ring 30 an der Hülse 7 bzw. der Verschlussmuffe 20 erfolgt über ein oder mehrere, beispielsweise zwei Madenschrauben 31. Im Gegensatz zur Ausführungsform nach Fig. 7 oder 8 liegt das Elastomerelement 24 innen nicht vollständig am Grundrohr 1 an, sondern wölbt sich bei Stauchung in Längsrichtung nach radial außen, um die Abdichtung herbeizuführen.
In Fig. 10 ist der Zustand dargestellt, wenn der Druck im Kolbenraum 14 zunimmt, indem Fluid durch die Durchlässe 3 zugeführt wird. Der Druckanstieg bewirkt eine Verschiebung der Hülse 7 entgegen der Bohrrichtung gegen die von der Feder 11 ausgeübte Kraft. Da die Hülse 7 über den Mitnehmerring 29 mit dem Elastomerelement 24 verbunden ist, erfolgt eine Streckung des Elastomerelements 24 in Längsrichtung bei gleichzeitiger Abnahme der radialen Ausdehnung und der Durchlass 28 zwischen Bohrlochverschlussvorrichtung und Außenrohr 25 wird freigegeben.

Claims

Bohrlochverschlussvorrichtung zur Durchführung von Bohrungen in einem Bohrloch unter Kontrolle des Wasseraustritts aus dem Bohrloch, mit einem Grundrohr (1) und einer Hülse (7), die sich längsverschieblich auf der Außenseite des Grundrohrs (1) befindet, wobei eine Feder (11) in der Weise zwischen Grundrohr (1) und Hülse (7) angeordnet ist, dass eine Längsverschiebung der Hülse (7) gegenüber dem Grundrohr (1) in einer der Längsrichtungen nur unter Überwindung der Federkraft möglich ist, wobei ein radial expandierbares Elastomerelement (24) in der Weise an der Außenseite der Bohrlochverschlussvorrichtung festgelegt ist, dass es axial mit der Hülse (7) in Verbindung steht oder an diese angrenzt, wobei das Elastomerelement (24) in der Lage ist, eine Abdichtung gegenüber einem um die Bohrlochverschlussvorrichtung angeordneten Außenrohr (25) zu bewirken und wobei die Wandung des Grundrohrs (1) über ein oder mehrere radiale Durchlässe (3) verfügt,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Verschiebung der Hülse (7) in Längsrichtung gegen die Federkraft eine Abnahme der radialen Ausdehnung des Elastomerelements (24) und eine Verschiebung der Hülse (7) in Längsrichtung entsprechend der Federkraft eine radiale Expansion des Elastomerelements (24) herbeiführt, die eine Abdichtung gegenüber dem um die Bohrlochverschlussvorrichtung angeordneten Außenrohr (25) bewirkt, und die radialen Durchlässe (3) in einen Kolbenraum (14) zwischen der Außenseite des Grundrohrs (1) und der Innenseite der Hülse (7) münden, wobei der Kolbenraum (14) in Längsrichtung beiderseits geschlossen ist, und die Verschiebung der Hülse (7) in Längsrichtung gegen die Federkraft dadurch herbeiführbar ist, dass ein während der Bohrung zugeführtes Fluid in den Kolbenraum (14) zwischen der Außenseite des Grundrohrs (1) und der Innenseite der Hülse (7) gelangt.
Bohrlochverschlussvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass das Fluid Wasser enthält.
Bohrlochverschlussvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am bohrrichtungsseitigen Ende der Bohrlochverschlussvorrichtung ein Bohrer anschließbar ist.
Bohrlochverschlussvorrichtung nach einem der Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Bohrer um einen Imlochhammer, eine verlorene Rammspitze oder ein oder mehrere Hochdruckinjektionsdüsen handelt.
Bohrlochverschlussvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Bohrer über eine am bohrrichtungsseitigen Ende des Grundrohrs (1) angeordnete Verschlussmuffe (20) anschließbar ist, wobei die Verschlussmuffe (20) einen in Längsrichtung verlaufenden Strömungskanal aufweist, der sich an den Strömungskanal (2) des Grundrohrs (1) anschließt.
Bohrlochverschlussvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im zu den radialen Durchlässen (3) führenden Strömungsweg des Fluids, vorzugsweise bohrrichtungsseitig, eine Stauscheibe (22) angeordnet ist, die den Druck kontrolliert, mit dem das Fluid durch die radialen Durchlässe (3) strömen und auf die Feder (11) einwirken kann.
Bohrlochverschlussvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stauscheibe (22) in der Verschlussmuffe (20) angeordnet ist.
Bohrlochverschlussvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundrohr (1) an seinem bohrrichtungsseitigen Ende über ein Außengewinde (4) und die Verschlussmuffe (20) über ein Innengewinde (21) verfügt, über welches die Verschlussmuffe (20) an das Grundrohr (1) anschließbar ist.
Bohrlochverschlussvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stauscheibe (22) austauschbar ist.
Bohrlochverschlussvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (11) in einem Zwischenraum (16) zwischen der Außenseite des Grundrohrs (1) und der Innenseite der Hülse (7) angeordnet ist.
Bohrlochverschlussvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenraum (14) in Bohrrichtung gesehen hinter dem Zwischenraum (16) angeordnet ist.
Bohrlochverschlussvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenseite des Grundrohrs (1) über einen Anschlag (15) verfügt, der mit einem an der Hülse (7) angebrachten Distanzstück (18) zusammenwirkt und die Längsbewegung der Hülse (7) begrenzt.
Bohrlochverschlussvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundrohr (1) auf seiner Außenseite über zumindest eine Stufe (5) verfügt, die als entgegen der Bohrrichtung liegende Begrenzung für die Feder (11) dient.
Bohrvorrichtung mit einer Bohrlochverschlussvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, einem Außenrohr (25) und einem Bohrer.
Verfahren zum Durchführen von Bohrungen, dadurch gekennzeichnet, dass das Bohrloch temporär mit einer Bohrlochverschlussvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 gegen Flüssigkeitsaustritt abgedichtet wird.