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Verfahren zum Spülbohren von im wesentlichen lotrechten Löchern in porigen oder sedimentären Gesteinsformationen
Bei den bisher allgemein in der Gesteinsbohrtechnik gebräuchlichen Verfahren zum Bohren von im wesentlichen lotrechten Löchern in porigen oder sedimentären Gebirgsformationen entfernt man den Bohr schlamm aus dem bereits gebohrten Teil der Löcher mittels Luft oder Wasser, wobei diese Mittel durch einen im Gesteinsbohrer vorgesehenen Kanal zugeführt werden, um durch den im Bohrloch aufsteigenden Rückstrom des Mittels den Bohrschlamm aus dem Bohrloch mitreissen und herausspülen zu lassen.
Bei porigen bzw. sedimentären Gesteinsarten wird nun das durch den Kanal im Bohrer zugeführte Spülmittel infolge der Porigkeit des Gesteins um das Bohrloch herum teilweise in die Umgebung hinausgepresst. Bei sedimentären Gesteinsarten folgt es hiebei in dünnen Schichten den waagrechten Spalten, die sets zwischen den einzelnen Schichtfolge vorhanden sind. Dies trifft insbesondere für schieferige Gesteinsarten zu, bei denen bisweilen feste, steinharte Schichten mit mehr oder weniger plastischen Lehmschichten abwechseln, die dem unter Druck austretenden Wasser weichen oder von ihm fortgespült werden, derart, dass weite Durchlässe für Abfluss des eingespritzten Spülwassers und seine Ausbreitung in im wesentlichen waagrechter Richtung in die Umgebung des Bohrloches entstehen.
Die Spülwirkung des durch den Bohrer zugeführten Spülmittels wird hiedurch erheblich herabgesetzt.
Um dennoch eine ausreichende Spülwirkung zu erhalten, muss der Druck in der Zufuhrleitung noch weiter erhöht werden. Dies aber hat eine noch kräftigere Ausbreitung des Spülmittels in die Umgebung des Bohrloches zur Folge ; hiedurch wachsen wiederum die vorgenannten Schwierigkeiten.
Die Erfindung bezweckt die Schaffung eines Verfahrens, das diese Schwierigkeiten verringert und zugleich die Reinspülung des Bohrloches während des Bohrvorganges unterstützt.
Des weiteren bezweckt die Erfindung die Steigerung des Wirkungsgrades des Bohrvorganges. Die Bohrgeschwindigkeit hängt u. a. davon ab, wie wirksam und schnell der anfallende Bohrschlamm beseitigt werden kann. Offensichtlich setzt eine Steigerung der Bohrgeschwindigkeit die Entfernung einer grösseren Menge anfallenden Bohrschlammes aus dem Bohrloch in der Zeiteinheit voraus. Die Erfindung gestattet die Erfüllung dieser Voraussetzung.
Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, dass während der Bohrarbeit in der Umgebung der Bohrlöcher ein Überdruck mit Hilfe eines Druckmittels erzeugt wird, das durch in der Gesteinsmasse ausserhalb dieser Bohrlöcher geformte Kanäle unter einem Druck eingepresst wird, der sicherstellt, dass der in der Umgebung der Bohrlöcher erzeugte Druck den Druck der Spt1lflüssigkeit übersteigt. Dieser Überdruck muss grösser sein als der in dem Gestein vorhandene statische Druck, der seinerseits von dem Grundwasserspiegel in der betreffenden Gebirgsformation bestimmt wird. Das Wasser in den verschiedenformigen Hohlräumen des Gesteins, wie z.
B. den Poren oder den waagrechten Spalten und den lotrechten Öffnungen und Spalten, bildet ein System von kommunizierenden Gefässen mit einem vom Grundwasserspiegel bestimmten Wasserdruck.
Gebirgoformationen der hier in Rede stehenden Beschaffenheit haben ein spezifisches Gewicht, das gewöhnlich mehr als doppelt so gross ist wie das spezifische Gewicht des Wassers. Wird somit in der Nähe eines inArbeit befindlichen Bohrloches durch einen hiefür vorgesehenen Zufuhrkanal in einer bestimmten Teufe ein Druckmittel, z. B. Pressluft oder Druckwasser, in die Gesteinsmasse eingeleitet, um einen bestimmten Überdruck zu erzeugen, so muss der Überdruck, damit er von der Einleitstelle aus sich in die
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nächste Umgebung ausbreiten kann, grösser sein als der Druck der Gesteinssäule, deren Höhe gleich dem Abstand zwischen Teufe und Erdoberfläche ist.
Die Belastung pro Flächeneinheit, die durch den Überdruck überwunden werden soll. wird überdies oft nicht von einer zylindrischen Säule bestimmt sondern von einem nach oben breiter werdenden Kegelstumpf aus Gesteinsmasse. Hiebei spielt auch die strukturmassige Festigkeit derGesteinsarten eine Rolle, die entweder denBelastungsdruck noch erhöht oder aber verringert.
Die zur Erzeugung dieses Überdrucks geeigneten Mittel sind an sich bekannt und u. d. in der österr.
Patentschrift Nr. 196330 und in dem Aufsatz "Underground gasification of coal" in "Endeavour", Band X, No. 39, beschrieben. Der Überdruck in dem das Bohrloch umgebenden Gestein verhindert das Ausströmen des durch den Bohrer zugeführten Spülmittels aus dem in Arbeit befindlichen Bohrloch in das umgebende Gestein.
Das zugeführte Spülmittel steht also voll zur Bildung des den Bohrschlamm aus dem Bohrloch entfernenden Rückstromes zur Verfügung, und dies bedeutet eine erheblich verbesserte Reinigungswirkung. Der Überdruck gestattet sogar, zusätzliches Spülmittel von aussen zuzuführen, wenn die Gesteinsart hiefür die nötigen Voraussetzungen bietet, wie es z.
B. bei sedimentären Gesteinen der Fall ist, indem in dem Gestein vorhandene oder durch den Druck des Mittels geschaffene waagrechte Spalten zur Erhöhung der Reinigungswirkung ausgenutzt werden, statt wie bisher durch die Ermöglichung des Ausflusses von Spülflüssigkeit die Wirkung zu verschlechtem.-
Wird Pressluft nicht nur als Mittel zur Erzeugung des Überdrucks sondern zugleich als Spülmittel benutzt, gewinnt man zusätzlich den Vorteil, dass das Grundwasser nicht nur von der Sohle des Bohrloches sondern auch aus dessen nächster Umgebung verdrängt wird.
Bei sedimentären Gesteinsarten, wie z. B. Schiefer, wird die Erfindung vorteilhaft dergestalt angewendet, dass Druckluft an mehreren Stellen auf verschiedenen Tiefen von der Erdoberfläche bis zur tiefsten vorgesehenen Sohlentiefe eingepresst wird. Infolge der Struktur dieser Gesteinsart bildet sich eine Anzahl waagrechter Strömungsschichten zwischen den verschiedenen Schichten des Gesteins aus, in denen Luft unter Überdruck weitergeleitet werden kann, u. zw. mit einem der jeweiligen Tiefe entsprechenden Überdruck. Dies bedeutet, dass man den Überdruck jeweils so bemisst, dass er in ausreichendem Masse den von der hangendenGesteinsmasse an der jeweiligen Einleitstelle des Druckmittels ausgeübten Druck übersteigt.
Um den Druck der Pressluft entsprechend der jeweiligen Tiefenlage der einzelnen Einpressstelle einstellen bzw. regeln zu können, werden Luftsonden in lotrechte Bohrlöcher sehr kleinen Durchmessers niedergebracht und in der vorgesehenen Tiefe in an sich bekannter Weise abgedichtet. Auf diese Weise lässt sich in dem Gestein um das in Ausführung befindliche Bohrloch jeweils der für die Entfernung des Bohrschlammes in einer bestimmten Tiefe günstigste Überdruck erzeugen.
Dank der Eigenschaft der sedimentären Gesteinsarten, vor allem des Schiefers, unter Überdruck waagrechte Spalten zu bilden, können gemäss einer weiteren Entwicklung des Erfindungsgedankens einige wenige fertige Löcher dazu dienen, den Überdruck über ein Gebiet zu verteilen, wo eine vielfach grössere Anzahl von Löchern gebohrt werden muss. Hiebei ist es zweckmässig, den ganzen Überdruck für eine kleinere Anzahl unter Arbeit befindlicher Löcher auszunutzen und andere, vor allem bereits fertiggebohrte Löcher in der Nähe dieser in Arbeit befindlichen Löcher gegen den Zustrom der Druckluft abzudichten.
Dies geschieht zweckmässig durch Sandfüllung oder durch Gummimuffen.
In dieser Weise wird die Wirkung der eingeleiteten Pressluft auf diejenigen Löcher konzentriert, bei denen die Beseitigung des anfallenden Bohrschlammes vordringlich ist.
Die Erfindung wird durch ein in der Zeichnung schematisch dargestelltes Ausführungsbeispiel näher veranschaulicht. Sie stellt einen lotrechten Schnitt durch eine sedimentäre Ablagerung dar, die durch Bohren von lotrechten Bohrlöchern erschlossen werden soll.
Unter einem Humuslager 10 befindet sich eine Kalksteinschicht 11, die eine sedimentäre Gesteinsformation 12 überlagert. In dieser Formation 12, die z. B. Ölschiefer sein kann, sind zwei Bohrlöcher 14 und 15 zur gewünschten Tiefe niedergebohrt worden. Diese Bohrlöcher sind mit einer Auskleidung 16 versehen, die etwas über die Oberfläche des Humuslagers 10 hinausragt. Das Niederbohren zweier weiterer Löcher 18,19 wird dadurch gehindert, dass eine poröse Gesteinsart 20 in die Gesteinsformation 12 eingebettet ist. Über dem einen Bohrloch 19 befindet sich eine Bohrmaschine 22, deren hohle Bohrstange 24 am freien Ende eine Bohrkrone 26 trägt.
Durch die hohle Bohrstange 24 soll Spülflüssigkeit unter Druck zugeführt werden und zusammen mit dem Bohrschlamm im Bohrloch 19 aufsteigen, um durch einen Auslass 29 in einer das Bohrloch 19 oben abschliessenden Hülse 28 auszutreten. Ein grosser Teil der Flüssigkeit entweicht jedoch in die poröse Gesteinsart 20.
Um dies zu verhindern, sind die fertigen Bohrlöcher 14 und 15 und das bis zu dem porösen Lager herabgebrachte Bohrloch 18 mit Hilfe von Gummipfropfen 30 abgedichtet. In dem Bohrloch 15 sitzt der
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dass der eine Pfropfen im Bohrloch 14 sich ungefähr auf dem unteren Niveau und der andere Pfropfen im halbfertigen Bohrloch 18 sich in der Nähe des oberen Niveaus des porösen Lagers 20 befindet.
Von einer an eine nicht dargestellte Druckluftquelle angeschlossenen Druckluftleitung "34 gehen Zweigleitungen 36 bzw. 38 in das Bohrloch 14 bzw. das Bohrloch 18 durch die Gummipfropfen 30 hindurch. An der Abzweigung der Zweigleitungen von der Druckluftleitung 34 sind je ein Druckreduzierventil 40 und ein Manometer 42 vorgesehen. Die Auskleidung 16 der beiden Bohrlöcher 14 und 18 ist unten mit Auslasslöchern 44 versehen, in deren Nähe die Zweigleitungen 36 bzw. 38 münden. Durch die Diuckluftleitung 34 über die Reduzierventile 40 in die Zweigleitungen 36 bzw. 38 unter angemessenem Druck eintretende Druckluft wird durch die Auslasslöcher 44 zum Übertritt in die umgebende Gesteinsformation gezwungen und gelangt in waagrecht verlaufenden Spalten 46 zu dem porösen Lager 20 und in die Umgebung des Bohrloches 19.
Es entsteht auf diese Weise ein Überdruck um die Bohrkrone 26 und den darüber befindlichen fertigen Teil des Bohrloches 19 herum. Dieser Überdruck hindert die zwar auch unter Druck, aber unter kleinerem Druck eingeführte Spülflüssigkeit daran, in die Poren des umgebenden Gesteins einzutreten. Statt dessen nimmt diese Flüssigkeit zusammenmit einem Teil der Druckluft ihren Weg aufwärts im Bohrloch 19, wobei sie den von der Arbeit der Bohrkrone 26 herrührenden Bohrschlamm zu dem Auslass 29 fördert. Die Bohrung kann also ungestört weitergehen, und einem Austreten von Bohrflüssigkeit in das umgebende Gestein Ist trotz dessen Porosität vorgebeugt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Spülbohren von im wesentlichen lotrechten Bohrlöchern in porigen oder sedimen- tären Gesteinsformationen, dadurch gekennzeichnet, dass während der Bohrarbeit in der Umgebung der Bohrlöcher ein Überdruck mit Hilfe eines Druckmittels erzeugt wird, das durch in der Gesteinsmasse ausserhalb dieser Bohrlöcher geformte Kanäle unter einem Druck eingepresst wird, der sicherstellt, dass der in Umgebung der Bohrlöcher erzeugte Druck den Druck der Spülflüssigkeit tibersteigt.