DE10122299C2 - Verfahren zum Felsbohren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bohren von Gestein oder Fels, insbesondere zum Erzeugen einer Felsbohrung für leichte bis mittelere Felsformationen.

Beim Bohren in leichteren bis mittleren Felsforma­ tionen werden üblicherweise sog. "MUD-Motoren" einge­ setzt. Dabei handelt es sich um Schraubenmotoren, die nach dem Moineau-Prinzip arbeiten.

Das Bohren mit MUD-Motoren ist betriebstech­ nisch aufwendig und teuer, so daß gegenüber dem Bohren in Lockergesteinsformationen, welches ohne den Einsatz von MUD-Motoren möglich ist, ein Kostenfaktor von 5 bis 10 gegeben ist.

Um den Einsatz der teuren MUD-Motoren zu ver­ meiden, wurden kleinere Hartgesteinsbohrköpfe aus dem Bergbau und der Ankertechnik eingesetzt, die jedoch keinen gesteuerten Vortrieb erlauben.

Daneben wurden von der Fa. FlowTex entwickelte steuerbare, asymmetrische Hartgesteinsbohrköpfe mit sog. Doppelkeilbohrgestänge eingesetzt. Die höhenasymmetri­ schen Flügelschneiden der dabei verwendeten Bohrköpfe wurden beim Steuern so bewegt, daß die längere Front­ schneide sich durch kurze Links/Rechts-Schwenkbewegun­ gen in der gewünschten Richtung in den Fels hineinarbeitet. Nach entsprechender Vorbohrtiefe wird dann durch Rotation des gesamten Bohrkopfes der Bohrlochdurchmesser durch Vorschneider und Nachräumer herausgearbeitet. Der Vor­ schneider stellt dabei die längere Frontschneide und der Nachräumer die kürzere Frontschneide dar.

Auch dieses Verfahren ist mit einem hohen Ko­ stenaufwand verbunden, da die erforderlichen Doppelkeil­ bohrgestänge teuer sind. Zudem weist die Bohrvorrichtung einen schlechten Wirkungsgrad auf, so daß mit hohem Zeitaufwand nur kurze Bohrstrecken realisierbar sind. Dabei ist das Vorschneiden zur Richtungsänderung aufwendig und der Verschleiß des Vorschneiders hoch. In der Praxis ist ein Vorschneiderwechsel nach jedem Bohrvorgang erforderlich.

DE 196 07 365 C2 lehrt, auf einen sich drehenden Schrägflächenkopf pro Rotation einen richtungsändernden Lenkimpuls einwirken zu lassen, wenn die Winkellage des Bohrkopfes bezüglich seiner Achse der Lage entspricht, in der die Richtungsänderung erfolgen soll. Dabei werden als Lenkimpulse insbesondere Schlag- oder Schubimpulse verstanden. Durch die kurzen Lenkimpulse soll auch bei rotierendem Lenkkopf eine Lenkbewegung möglich sein. Der Lenkimpuls wird während der Rotation stets dann zur Wirkung gebracht, wenn die Winkellage des Bohrkopfes bezüglich seiner Achse der Lage entspricht, in der die Richtungsänderung erfolgen soll. Der Lenkimpuls wird in den folgenden Rotationen so oft wiederholt, bis das gewünschte Lenkergebnis erreicht wird. Der Grad der Richtungsabweichung wird über die Wiederholung des Lenkimpulses in aufeinanderfolgenden Rotationen eingestellt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem ein kostengünstiges und leistungsfähiges Gesteins- oder Felsboh­ ren möglich ist und welches insbesondere zum Drehen in einer Richtung geneigt ist.

Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine leistungsfähige Vorrichtung zur Verfügung zu stellen.

Die Erfindung wird gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patent­ ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprü­ che.

Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf dem Gedanken, mit einem asymmetrischen rotierenden Bohrkopf im Verlauf der Rotation den Anpreß­ druck so zu variieren, daß mindestens ein Kreisabschnitt α stärker abgetra­ gen wird als die übrige Ortsbrust. Das Bohrgerät wird dabei eine Richtungs­ abweichung in Richtung des Kreisabschnitts α ausgehend von der Rota­ tionsachse vollziehen.

Der erfindungsgemäße asymmetrische Bohrkopf kann eine schräge Steuer­ fläche, wie herkömmliche Bohrköpfe für leichte Böden, aufweisen. Die Steu­ erfläche kann konkav ausgebildet sein. Hierdurch wird die Steuerfunktion verbessert und der Kantenabrieb kompensiert. Dieser Effekt kann auch durch Verwendung von Leisten - vorzugsweise aus Hartmetall - erreicht werden, die im Bereich der Steuerkanten angeordnet sind. Ferner kann eine asymmetrische oder asymmetrisch angeordnete Frontschneide vorgesehen sein.

Das Bohrgerät kann des weiteren mit einem Schlag­ werk ausgestattet sein, das vorzugsweise mit hoher Schlag­ frequenz arbeitet. Die Druckbeaufschlagung des Bohrkop­ fes beträgt vorzugsweise mehr als 2 Tonnen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform verfügt der Bohrkopf über einen in steiler Schrägachse asymme­ trisch angebrachten einfach oder zweifach rotierenden Kleinbohrkopf mit Hartmetallbesatz oder über einen ver­ setzt, achsenparallel oder steilschräg angebrachten Schlag­ kopf, der beispielsweise die in den Figuren dargestellten Geometrien aufweisen kann. Der Kleinbohrkopf dient dabei zur Richtungsvorschneidung in dem Kreisabschnitt α der Ortsbrust. Der Bohrlochquerschnitt kann nachrückend von dem Gesamtbohrkopf aufgefahren werden.

Beim schlagenden Vortrieb kann der ganze Kopf oder auch nur ein Teil des Bohrkopfes beschleunigt werden. Dabei kann auch ein Meißel, der auf einem Rotationsele­ ment (Rolle) angeordnet ist, von einem Schlagkolben in Lenkrichtung getrieben werden. Das Rotationselement kann dabei, entkoppelt vom Meißelschaft, die Ortsbrust durch Rotation abtragen.

Der Kopf kann aber auch als Stufenkonus ausge­ bildet sein, wobei Meißel und Stößel in einer Achse aber in bezug auf die Achse des Schlagkolbens oder des Bohrkop­ fes oder des Bohrgerätes achsparallel versetzt oder in einem Winkel angeordnet sein können. Diese Anordnung läßt sich auch mit anderen Kopfformen verwirklichen. Bei Bohrkopf­ varianten mit schräger Steuerfläche können die Kanten der Steuerfläche abgerundet sein, um das in der Ortsbrust entge­ genwirkende Drehmoment zu verringern. Dabei kann mittig eine konische Nut eingesenkt sein, um die Stabilität und Steuerschärfe beim Lenken zu erhöhen. In die Schrägfläche können Hartmetallbits eingearbeitet sein.

Der Bohrkopf wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise in einer Richtung drehend vorge­ trieben. Der Kreisabschnitt α besitzt vorzugsweise ein Win­ kelmaß von 10 bis 25 Grad.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des nähe­ ren erläutert.

In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine Darstellung des erfindungsgemäßen Vortriebs in der Ortsbrust,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II der Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III der Fig. 2,

Fig. 4 eine Darstellung verschiedener erfindungs­ gemäßer Bohrköpfe,

Fig. 5 weitere erfindungsgemäße Bohrköpfe und

Fig. 6 verschiedene erfindungsgemäße Front­ schneidengeometrien.

Die Bohrvorrichtung 1 weist eine Schlageinheit 2, einen asymmetrischen Bohrkopf 4 und einen Anschluß für ein Gestänge 6 auf. Über das Gestänge 6 kann sowohl ein Drehmoment als auch ein variabler Axialdruck auf die Bohrvorrichtung 1 übertragen werden. Beim Bohren (wie in Fig. 1 dargestellt) befindet sich die Bohrvorrichtung 1 mit dem Bohrkopf 4 in der Ortsbrust 8. Zum Geradeausbohren wird der Bohrkopf 4 gleichmäßig mit Druck beaufschlagt.

Beim Richtungsbohren wird in einem Kreisab­ schnitt α ein erhöhter oder im Kreisabschnitt β ein vermin­ derter Druck auf den Bohrkopf 4 aufgebracht, so daß in die­ sem Bereich ein vermehrtes oder vermindertes Abtragen er­ folgt, was schließlich zu einer Verlagerung der Bohrachse führt.

Die in Fig. 4 und 5 dargestellten Bohrköpfe weisen sämtlich eine mehrstufige Schneidenverteilung mit Vor­ schneiden und Räumschneiden auf. Die Frontschneide kann aus einer Vorschneide 72 und einer Räumschneide 74, wie bei den Bohrköpfen 10, 15, 40, 50 oder als reine Front­ schneide 73, wie bei den Bohrköpfen 20, 30 ausgebildet sein. Am Bohrkopf 10 ergibt sich die Asymmetrie aus den unterschiedlichen Geometrien der Schneidenflächen sowie aus der Längendifferenz Δx_n zwischen Vorschneidefläche 72, 93, 91 und Räumschneidefläche 74, 94, 92. Eine ähnli­ che Anordnung weisen die Bohrköpfe 15, 40, 50 auf. Die Bohrköpfe 20, 30 bilden die zum Richtungsbohren erforder­ liche Asymmetrie durch eine asymmetrische Frontschnei­ dengeometrie 73 sowie durch eine versetzte Anordnung der Räumschneiden 91, 92 aus. Im Bereich der Schneidenflä­ chen sind Hochdruckdüsen 81, 82, 83, 84 angeordnet. Die Asymmetrie des Bohrkopfes 50 kann aber auch durch ein­ flankige Düsenanordnung 85, 87 oder wie bei Bohrkopf 40 durch die Düsenanordnung 85 erreicht werden.

Über Düsenkanäle 181, 182, 183, 184, 185, 187 wird dem Bohrkopf Bohrmedium zur Kühlung und zum Ab­ transport von Bohrklein über den zentralen Kanal 180 zuge­ führt.

Die Schneidenflächen können PCD besetzt oder als Hartmetallschneiden ausgebildet sein.

Der Versatz Δy kann ebenfalls zur Ausbildung der Asymmetrie herangezogen werden, indem das Δy für die unterschiedlichen Schneiden unterschiedlich ausgebildet ist.

Die Bohrköpfe besitzen ein Gewinde 200 und kön­ nen mit herkömmlichen Rechts- oder Linksgewinde aufwei­ senden Gestängeschüssen betrieben werden.

In Fig. 6 sind unterschiedliche Schneidengeome­ trien 61, 62, 63, 64 dargestellt. Die Schneidengeometrie 61 ist bevorzugt für Sandstein und Kalk, die Geometrie 62 für Kalk, Gips und Dolomit, die Geometrie 63 für Granit, Gneis und Basalt und die Geometrie 64 für Kalk, Dolomit und Granit.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich eine herkömmliche Bohreinrichtung oder eine Erdrakete mit Schub/Drehgestänge ohne weiteres im lockeren bis festen Gestein zum Richtungsbohren einsetzen. Dabei erfolgen beim Steuervorgang vorzugsweise schnell getaktete Vor/­ Rückwärtsschritte nach Art einer Pleuelbewegung. Hier­ durch wird das Gesteinsgefüge gebrochen und abgetragen, wobei der Vorwärtsschritt vorzugsweise eine gleichmäßige nur geringe Bewegung beinhaltet.

Claims (10)

1. Verfahren zum richtungsgesteuerten Horizontalbohren mit einem rotierenden, bezüglich der Bohrachse asymmetrischen Bohrkopf mit einer Bohrspitze, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrkopf zum Richtungssteuern rotiert und während dieser Rotation über einen Rotationsabschnitt (α) von mindestens 10° mit einer größeren Vortriebskraft vorgetrieben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vortriebskraft in einem weiteren Rotationsabschnitt (β) gleich null oder negativ ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohr­ kopf nur in einer Richtung rotiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bohrkopf mit einer Frontschneide verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrkopf mit einer Vortriebskraft von mindestens 2 t beaufschlagt wird.

6. Bohrkopf zum Bohren in Fels oder Gestein, der bezüglich der Bohrachse asymmetrisch ausgestaltet ist und ein Rechts- oder Linksgewinde zur Verbindung mit einem Bohrgestänge aufweist, gekennzeichnet durch eine Frontschneide (72, 73, 74) und zurückgesetzte Hauptschneiden (91, 92, 93, 94), wobei die Hauptschneidenflächen (91, 92, 93, 94) als Vorschneide und in bezug darauf in axialer Richtung zurück versetzte Räumschneide ausgebildet sind.

7. Bohrkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Front­ schneide aus einer Vorschneide (72) und einer zurückgesetzten (Δx₁) Räumschneide (74) besteht.

8. Bohrkopf nach einem der Ansprüche 6 oder 7, gekennzeichnet durch asymmetrisch angeordnete Hochdruckdüsen (81, 82, 83, 84, 85, 87) für ein Bohrmedium.

9. Bohrkopf nach einem Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch eine schräge Steuerfläche zum Richtungsbohren, die konkav ausgebildet ist.

10. Schlagbetriebene Bohrvorrichtung mit einem Bohrkopf nach einem der Ansprüche 6 bis 9.