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EP0909362A1 - Bohrwerkzeug für das lufthebeverfahren - Google Patents

Bohrwerkzeug für das lufthebeverfahren

Info

Publication number
EP0909362A1
EP0909362A1 EP97924882A EP97924882A EP0909362A1 EP 0909362 A1 EP0909362 A1 EP 0909362A1 EP 97924882 A EP97924882 A EP 97924882A EP 97924882 A EP97924882 A EP 97924882A EP 0909362 A1 EP0909362 A1 EP 0909362A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
channel
drilling
drilling tool
tool according
flow
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP97924882A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0909362B1 (de
Inventor
Fritz Tibussek
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mhwirth GmbH
Original Assignee
Wirth Maschinen und Bohrgeraete Fabrik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wirth Maschinen und Bohrgeraete Fabrik GmbH filed Critical Wirth Maschinen und Bohrgeraete Fabrik GmbH
Publication of EP0909362A1 publication Critical patent/EP0909362A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0909362B1 publication Critical patent/EP0909362B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • 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
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/02—Core bits
    • E21B10/04—Core bits with core destroying means
    • 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
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/02—Core bits
    • E21B10/06—Roller core bits
    • 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
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/08—Roller bits
    • E21B10/18—Roller bits characterised by conduits or nozzles for drilling fluids
    • 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
    • E21B10/00—Drill bits
    • E21B10/26—Drill bits with leading portion, i.e. drill bits with a pilot cutter; Drill bits for enlarging the borehole, e.g. reamers
    • E21B10/28—Drill bits with leading portion, i.e. drill bits with a pilot cutter; Drill bits for enlarging the borehole, e.g. reamers with non-expansible roller cutters
    • 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
    • E21B21/00—Methods or apparatus for flushing boreholes, e.g. by use of exhaust air from motor
    • E21B21/12—Methods or apparatus for flushing boreholes, e.g. by use of exhaust air from motor using drilling pipes with plural fluid passages, e.g. closed circulation systems
    • 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
    • E21B21/00—Methods or apparatus for flushing boreholes, e.g. by use of exhaust air from motor
    • E21B21/14—Methods or apparatus for flushing boreholes, e.g. by use of exhaust air from motor using liquids and gases, e.g. foams
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
    • E21D1/00—Sinking shafts
    • E21D1/03—Sinking shafts mechanically, e.g. by loading shovels or loading buckets, scraping devices, conveying screws
    • E21D1/06—Sinking shafts mechanically, e.g. by loading shovels or loading buckets, scraping devices, conveying screws with shaft-boring cutters

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for drilling boreholes in the ground while discharging the drill material by the air lifting method according to the preamble of claims 1 and 3
  • the material detached from the cutting elements is extracted from the sole through a suction opening, the suction opening being located centrally on the underside of the tool head or, for example if the tool head has a pilot tip, can be arranged at a position offset by approximately 1/4 of the diameter from the center.
  • suction does not mean that a suction pump should be installed on the drill pipe.
  • a pump is only involved in injecting high pressure air into the delivery channel above the drilling tool.
  • the hydrostatic pressure at the bottom of the drill is greater than further up in the production channel in the mixture of water, drillings and air present there.
  • the production actually takes place through the higher pressure in the area of the drilling base, but at least there is a lower pressure in the production channel and in this sense a confluence with a area of lower pressure is referred to as "suctioning" to simplify the expression.
  • the suction openings are circular or oval.
  • several suction openings are arranged instead of one, distributed over the active surface of the drilling tool, in order to be able to achieve suction of the material as close as possible to each cutting element. This is necessary so that the drilling material loosened by the cutting elements is conveyed away from the drilling sole as soon as possible after the loosening and the drilling tool does not ineffectively work on a layer of drilling material loosened on the drilling sole.
  • the last-mentioned arrangement of the suction openings at a plurality of radially differently arranged locations requires a complex line routing for connecting the suction openings to the inner cross-section of the drill pipe forming the central delivery channel.
  • the object of the invention is to provide a drilling tool with efficient suction behavior, with which the material released from the cutting elements is almost completely sucked off the bottom of the borehole without it being too repeated engagement of the cutting elements with the material already loosened.
  • a transverse flow of the rinsing liquid running radially towards the center of the drilling tool head is generated on the active surface of the drilling tool head, the flow speed of which is high enough to take up and take away the drilled material.
  • a lifting effect is achieved by means of the flow rate, which increases the suction behavior on the active surface and thus the effectiveness of the air lifting process as a whole.
  • the suction opening which otherwise simply has a circular or elliptical cross section, is designed in a special way, namely as an elongated, downwardly open, radially extending channel in which a transverse flow from the outside to the center towards the delivery channel of the drill pipe is produced.
  • the channel is closed towards the circumferential end of the drilling tool head. Due to the circumferential design of the channel is avoided that in soft rock in particular, the cross-flow causes the borehole to "scale out” (claim 4).
  • the channel-shaped suction opening is guided over the entire cross section of the bottom of the borehole during each revolution, and the drilled material is conveyed to the surface by the cross flow through the inner cross section of the drill pipe.
  • an opening is arranged at the outer end of the channel in the upper wall thereof, through which liquid can additionally enter from the area of the drilling base, so that a higher speed of the transverse flow can be achieved (claim 5).
  • an upwardly extending tubular element can be provided at the opening (claim 6).
  • Means can be provided in order to supply the flushing medium at the opening in an accelerated manner and to increase the cross-flow (claim 7).
  • components influencing the flow can be arranged in the duct (claim 8), and / or the wall surfaces of the duct can be designed in a snail-shaped manner (claim 9), so that turbulent flow behavior can be achieved in the crossflow.
  • downwardly directed nozzles fed via an air line can be arranged, which increase the lifting effect of the dissolved material by whirling it up.
  • At least one additional supply line for the flushing liquid and / or an additional supply line for air can extend along the drill pipe.
  • the tool head can be designed such that drilling from a support tube is possible (claim 12).
  • FIG. 1 shows a drilling tool with a flat active surface in a side view in a section going through the drilling axis
  • FIG. 2 shows a view of the active surface of the drilling tool head according to FIG. 1 from below;
  • FIG 3 shows a cross section through a suction channel.
  • FIG. 4 shows a sectional view corresponding to FIG. 1 of a further exemplary embodiment of the drilling tool.
  • FIG. 5 shows a sectional view corresponding to FIG. 1 of a third exemplary embodiment of a drilling tool with a W-shaped active surface.
  • the drilling tool 100 shown in FIG. 1 has a barrel-shaped housing 1 with a diameter which, depending on the drilling diameter, can be a few meters.
  • a tool head 10 of the same diameter is attached, on the underside 20 of which cutting elements 2 designed as hard metal inserts are arranged such that the drilling tool 100 has a flat active surface 3, shown by dash-dotted lines.
  • Roller drilling tools 6 distributed over the active surface complement the cutting elements 2.
  • the tool head 10 has on its upper side a connecting plate 21 which can be connected to a connecting flange 4 on the underside of the housing 1.
  • the housing 1 is in turn connected to a hollow drill pipe 50 which can be set in rotation about the drill axis A by a rotary drive (not shown) which engages at its upper end.
  • the inner cross section of the drill pipe 50 forms a conveying channel 51 and serves to discharge the drill material according to the air lifting method.
  • the conveying channel 51 of the drill pipe 50 extends coaxially to the drilling axis A down to a flange connection 24 perpendicular to the drilling axis A approximately in half the height of the housing 1 and then opens into a suction tube 11 which is arranged slightly obliquely within the tool head 10 and which, from the center (at the level of the flange connection 24) in the exemplary embodiment, at an angle of approximately 20 ° in a passage 22 in the upper connecting plate 21 of the drill head 10 opens.
  • the passage 22 is connected to a suction opening designed as a radial channel 5 and is located near the drilling axis A.
  • the distance of the end of the channel 5 adjacent to the drilling axis A is determined by the dimensions of the receptacle 7 'of a pilot tip 7 projecting downwards in the drilling axis A from the drilling head 10.
  • the channel 5 has a U-shaped cross-section open at the bottom, extends radially from the center and is closed on the peripheral edge of the tool head 10 by the housing wall 8 there.
  • the channel 5 shown in cross section in FIG. 3 has a constant cross section over its length.
  • a grid 9 is attached to the open underside of the channel 5 in order to limit the size of the chunks entering the channel 5.
  • the channel 5 is arranged only at one point, seen in the circumferential direction, on the underside 20 of the tool head 10, as can be seen more clearly in FIG. 2.
  • the delivery channel 51 of the drill pipe 50 and the suction pipe 11 opening into the channel 5 are filled with the flushing liquid, usually water.
  • Air L is blown upward into the conveying duct 51 through an inlet nozzle 53 at the lower end of the conveying duct 51 via a feed line 52 which extends along the drill pipe 50.
  • the blowing in of the air L causes the pressure difference between the bottom of the borehole and in the drill pipe 50.
  • the liquid is driven from the area of high pressure at the bottom of the borehole into the area of lower pressure in the production channel 51.
  • the drill material loosened and comminuted by the cutting elements 20 and the roller drills 6 on the bottom of the borehole is entrained and conveyed through the conveying channel 51 to the surface as a mixture B of rinsing liquid F and drill material B.
  • a cross flow indicated by the arrow Q, is generated within the channel 5 during operation, which collects the detached drilling material over the entire radial extent of the channel 5 and feeds it to the suction pipe 11 or the central delivery channel 51. Characterized in that the channel 5 is closed at the U start edge by the housing wall 8, it is avoided that material is washed out of the bore wall in an undesirable manner.
  • the suction channel 5 slides over the entire cross-section of the drilling base during a 360 ° rotation, so that in the air-lifting method as a result of the transverse flow Q in the sense of the arrows, the sole is automatically "cleaned” without the cutting elements 2 , 6 have to work in already solved material.
  • an opening 13 is provided at the outer end of the suction channel 5 near the housing wall 8 of the upper side of the channel 5, through which clean rinsing liquid F enters the channel 5 at the outer end inner end at the passage 22 exits the channel 5 upwards as a loaded rinsing liquid FB into the suction pipe 11.
  • nozzles 15 directed from the sides of the channel 5 towards the bottom of the borehole 14 can be provided, with which even larger chunks of material 16, which are not easily entrained by the cross flow Q, are raised, so that with the cross flow Q can be conveyed into the delivery channel 5 and to the surface.
  • the nozzles 15 are fed with air or water and are arranged such that the direction of radiation of the nozzles 15 in the direction of rotation D of the drilling tool 100.
  • flow-influencing components such as guide surfaces 17 (FIG. 3) can also be arranged within the channel 5, with which a swirl is introduced into the cross-flow, which further increases the lifting of the rocks 16 lying on the borehole bottom 14.
  • the wall 18 of the channel 5 can also be provided with a helical or screw-shaped relief, have depressions or grooves, in order to achieve an additional swirl within the transverse flow Q in this way.
  • the additional swirl within the transverse flow can also raise material (material to be drilled) that lies in depressions produced by the cutting elements 2 on the bottom of the borehole 14.
  • the channel 105 in the drilling head 110 extends with its lower boundaries particularly closely above the bottom of the borehole 114, the suction pipe 111 being designed as a pipe bend which extends in the longitudinal direction of the channel 105, i.e. without an abrupt diversion, opens into channel 105.
  • the suction tube 111 and the pilot tip 107 are not hindered by the other construction.
  • the suction pipe merges with the drill pipe 150 at the level of the flange connection 124.
  • a pipe section 120 is welded to the opening 113 located near the housing wall 108, which extends upwards and inwards at the upper pipe end, i.e. away from the borehole wall, to prevent the inlet opening 122 from being closed by material falling or sliding into the borehole.
  • the embodiments shown show a "free" suction of the rinsing liquid at the radially outer end of the channel 5, 105 from above.
  • a cross flow can be achieved at increased speed within the channel 5, 105. the, whereby the suction efficiency and thus the effectiveness of the drilling tool 100,200 can be further increased overall.
  • the effective surface 203 of the tool head 210 determined by the roller cutting elements 206 is formed in a W-shaped cutting plane through the drilling axis A.
  • W-shaped active surfaces an optimal result could be achieved for drilling tools with diameters of approximately 3.60 m and flow rates of the cross flow Q of approximately 3 m per second.
  • the W-shape which deviates from the flat design of the active surface, interacts with the swirl effect of the transverse flow Q inside the channel 205, so that a particularly efficient lifting and conveying of the drill material through the suction channel 211 and the drill pipe 250 could be achieved.
  • drilling tools 100 and 300 shown in FIGS. 1 and 5 are also suitable for drilling out of support tubes.

Landscapes

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Abstract

Bei dem Verfahren zum Niederbringen von Bohrungen im Erdreich unter Austrag des Bohrguts nach dem Lufthebeverfahren wird ein Bohrwerkzeug (100, 200, 300) mit einem an der Unterseite mit Schneidelementen besetzten Bohrkopf (10; 110; 210) eingesetzt, an dessen Oberseite ein hohles Bohrgestänge (50; 150, 250) mit einem inneren Förderkanal (51) angeschlossen ist und von dessen Unterseite mit der Spülflüssigkeit vermischtes Bohrgut durch den Förderkanal (51) entfernt wird. An der Unterseite des Bohrwerkzeugkopfes (10, 110, 210) wird in einem mit dem Führungskanal (51) in Verbindung stehenden radialen Kanal eine radial nach innen verlaufende Querströmung (Q) der Spülflüssigkeit mit hoher Fließgeschwindigkeit zur Mitnahme des Bohrguts erzeugt.

Description

Bohrwerkzeug für das Lufthebeverf hren
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Niederbringen von Bohrungen im Erdreich unter Austrag des Bohrguts nach dem Lufthebeverfahren nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 bzw. 3.
Gattungsgemäße Bohrwerkzeuge und das Lufthebebohrver- fahren sind aus dem Stand der Technik bekannt. Beim Materialaustrag nach dem Lufthebeverfahren (Reverse-Circula- tion) steht eine Flüssigkeitssäule im einen Förderkanal bildenden Innenquerschnitt des hohlen Bohrgestänges, und es wird in diesen Förderkanal des Bohrgestänges oberhalb des Werkzeugkopfes Luft eingeblasen, so daß durch die im Bohrgestänge hochsteigende Luft eine Druckdifferenz der Flüssigkeitssäule im Bohrgestänge zwischen der Sohle des Bohrloches und der Oberfläche entsteht, die eine Strömungsgeschwindigkeit im Bohrgestänge induziert, mit der das an der Sohle des Bohrlochs lösgelöste Material durch den Innenquerschnitt des Bohrgestänges hindurch ausgetrieben wird. Die Größe der Druckdifferenz und damit der Förderleistung hängt u.a. von der eingeblasenen Luftmenge je Zeiteinheit, von der Einblastiefe und von der Förderhöhe ab. Das von den Schneidelementen losgelöste Material wird durch eine Absaugöffnung von der Sohle abgesaugt, wobei die Absaugöffnung zentral an der Unterseite des Werkzeug- köpfes oder, beispielsweise wenn der Werkzeugkopf eine Pilotspitze aufweist, an einer um etwa ein 1/4 des Durchmessers aus der Mitte versetzten Position angeordnet sein kann.
Wenn hier und im Folgenden von "Absaugen" die Rede ist, so ist damit nicht gemeint, daß am Bohrgestänge eine Saugpumpe installiert sein soll. Eine Pumpe ist lediglich im Spiel, um Luft hohen Drucks über dem Bohrwerkzeug in den Förderkanal einzupressen. Der hydrostatische Druck an der Bohrsohle ist jedoch größer als weiter oben in dem Förderkanal in dem dort vorhandenen Gemisch aus Wasser, Bohrgut und Luft. Die Förderung erfolgt eigentlich durch den höheren Druck im Bereich der Bohrsohle, aber immerhin liegt in dem Förderkanal ein niedrigerer Druck vor und in diesem Sinne einer Einmündung in einen Bereich niedrigeren Drucks wird zur Vereinfachung der Ausdrucksweise von "Absaugen" gesprochen.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Bohrwerkzeugen sind die Absaugöffnungen kreisrund bzw. oval ausgeführt. Bei einigen bekannten Bohrwerkzeugen werden statt einer mehrere Absaugöffnungen, verteilt über die Wirkfläche des Bohrwerkzeuges, angeordnet, um eine Absaugung des Materials möglichst nahe eines jeden Schneidelementes erzielen zu können. Dies ist erforderlich, damit das von den Schneidelementen gelöste Bohrgut möglichst unmittelbar nach dem Lösen von der Bohrsohle weggefördert wird und das Bohrwerkzeug nicht wirkungslos auf einer Lage gelösten, auf der Bohrsohle liegengebliebenen Bohrguts arbeitet. Die zuletzt genannte Anordnung der Absaugöffnungen an mehreren radial unterschiedlich angeordneten Stellen bedingt eine aufwendige Leitungsführung zum Anschluß der Absaugöffnungen an den den zentralen Förderkanal bildenden Innenquerschnitt des Bohrgestänges .
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bohrwerkzeug mit effizientem Absaugverhalten zu schaffen, mit dem das von den Schneidelementen gelöste Material nahezu vollständig von der Sohle des Bohrlochs abgesaugt wird, ohne daß es zu einem wiederholten Eingriff der Schneidelemente mit dem bereits gelösten Material kommt.
Diese Aufgabe wird in ihren verfahrenstechnischem Aspekt durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst .
Während des Bohrens wird an der Wirkfläche des Bohrwerkzeugkopfes eine radial zur Mitte des Bohrwerkzeugkopfes hin verlaufende Querströmung der Spülflüssigkeit erzeugt, deren Fließgeschwindigkeit hoch genug ist, das losgebohrte Material auf- und mitzunehmen. Dabei wird mittels der Fließgeschwindigkeit ein Anhebeeffekt erzielt, der das Absaugverhalten an der Wirkfläche und damit die Effektivität des Lufthebeverfahrens insgesamt steigert. Durch die Drehung des Bohrwerkzeugs während des Bohrens wird die Querströmung je Umdrehung des Bohrwerkzeugs einmal vollständig über den gesamten Querschnitt der Bohrlochsohle bewegt, so daß die Schneidelemente jeweils mit einer "gereinigten" Bohrsohle in Eingriff geraten.
Um den Anhebeeffekt der QuerStrömung zu erhöhen, kann diese von Fluidstromungen überlagert werden, die nach unten aus dem Bohrwerkzeugkopf herausgerichtet sind (Anspruch 2). Mit diesen "turbulenzartig" überlagerten Fluidstromungen wird die Effektivität des Absaugens weiter gesteigert, da auch vergleichsweise schweres Bohrgut angehoben wird, um von der Querströmung mitgerissen zu werden.
In ihrem apparativen Aspekt wird die Aufgabe durch ein Bohrwerkzeug gemäß dem Gegenstand des Anspruchs 3 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Bohrwerkzeug ist die Absaugöffnung, die sonst einfach einen kreisförmigen oder elliptischen Querschnitt aufweist, in besonderer Weise ausgestaltet, nämlich als länglicher, nach unten offener, sich radial erstreckender Kanal ausgebildet, in dem eine QuerStrömung von außen zur Mitte zum Förderkanal des Bohrgestänges hin erzeugt wird.
Zum umfangsseitigen Ende des Bohrwerkzeugkopfes hin ist der Kanal verschlossen. Durch die zum Umfang hin verschlossene Ausgestaltung des Kanals wird vermieden, daß insbesondere in weichem Gestein die Querströmung eine "Auskesselung" des Bohrlochs bewirkt (Anspruch 4).
Im Betrieb wird die kanalförmig ausgebildete Absaugöffnung während einer jeden Umdrehung über den gesamten Querschnitt der Bohrlochsohle geführt, und das losgebohrte Material wird von der Querströmung durch den Innenquerschnitt des Bohrgestänges hindurch zur Oberfläche gefördert.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist an dem äußeren Ende des Kanals in dessen oberer Wandung eine Öffnung angeordnet, durch die Flüssigkeit aus dem Bereich der Bohrsohle zusätzlich eintreten kann, so daß eine höhere Geschwindigkeit der Querströmung erzielbar ist (Anspruch 5). Um ein Verstopfen dieser Öffnung insbesondere bei Bohrungen in niedrigen Bohrlochtiefen bzw. weichem Gestein zu vermeiden, kann an der Öffnung ein sich nach oben erstreckendes, rohrförmiges Element vorgesehen sein (Anspruch 6 ) .
Es können Mittel vorgesehen sein, um das Spülmedium an der Öffnung beschleunigt zuzuführen und die Querströmung zu verstärken (Anspruch 7).
Zur Verbesserung des Anhebeeffektes können in dem Kanal Strömungsbeeinflussende Bauteile angeordnet sein (Anspruch 8), und/oder die Wandflächen des Kanals schnek- kenförmig ausgebildet sein (Anspruch 9), so daß in der Querströmung ein turbulentes Strömungsverhalten erzielbar ist.
Gemäß Anspruch 10 können zusätzlich nach unten gerichtete, über eine Luftleitung gespeiste Düsen angeordnet sein, die den Anhebeeffekt des gelösten Materials durch Aufwirbeln desselben verstärken.
Um eine ausreichende Versorgung der Querströmung mit Spülflüssigkeit zu erzielen, können sich gemäß Anspruch 11 wenigstens eine zusätzliche Zuleitung für die Spülflüssigkeit und/oder eine zusätzliche Zuleitung für Luft entlang des Bohrgestänges erstrecken. Für spezielle Anwendungszwecke kann der Werkzeugkopf derart ausgelegt sein, daß ein Bohren aus einem Stützrohr heraus möglich ist (Anspruch 12) .
Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung dreier Ausfüh- rungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung ersichtlich. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein Bohrwerkzeug mit ebener Wirkfläche in Seitenansicht in einem durch die Bohrachse gehenden Schnitt;
Fig. 2 eine Ansicht der Wirkfläche des Bohrwerkzeugkopfes gemäß Figur 1 von unten;
Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Absaugkanal;
Fig. 4 eine Fig. 1 entsprechende Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des Bohrwerkzeugs; und
Fig. 5 eine Fig. 1 entsprechende Schnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines Bohrwerkzeugs mit W- förmiger Wirkfläche.
Das in der Fig. 1 gezeigte Bohrwerkzeug 100 weist ein tonnenförmiges Gehäuse 1 von einem Durchmesser auf, der je nach Bohrdurchmesser einige Meter betragen kann. An der Unterseite des Gehäuses 1 ist ein Werkzeugkopf 10 gleichen Durchmessers angebracht, an dessen Unterseite 20 als Hartmetalleinsätze ausgebildete Schneidelemente 2 derart angeordnet sind, daß das Bohrwerkzeug 100 insgesamt eine flache, strichpunktiert wiedergegebene Wirkfläche 3 hat. Über die Wirkfläche verteilte Rollenbohrwerkzeuge 6 ergänzen die Schneidelemente 2. Der Werkzeugkopf 10 weist an seiner Oberseite eine Anschlußplatte 21 auf, die mit einem Anschlußflansch 4 an der Unterseite des Gehäuses 1 verbindbar ist . Das Gehäuse 1 wiederum ist mit einem hohlen Bohrgestänge 50 verbunden, welches durch einen nicht dargestellten, an seinem oberen Ende angreifenden Drehantrieb um die Bohrachse A in Drehung versetzbar ist. Der Innenquerschnitt des Bohrgestänges 50 bildet einen Förderkanal 51 und dient dem Austrag des Bohrgutes nach dem Lufthebeverfahren. Der Förderkanal 51 des Bohrgestänges 50 erstreckt sich koaxial zur Bohrachse A bis hinab zu einer zur Bohrachse A senkrechten Flanschverbindung 24 etwa in halber Höhe des Gehäuses 1 und mündet dann in ein innerhalb des Werkzeugkopfes 10 leicht schräg angeordnetes Absaugrohr 11, welches aus der Mitte heraus (in Höhe der Flanschverbindung 24) in dem Ausführungsbeispiel unter einem Winkel von etwa 20° in einen Durchlass 22 in der oberen Anschlußplatte 21 des Bohrkopfes 10 einmündet. Der Durchlass 22 steht mit einer als radial verlaufender Kanal 5 ausgebildeten Absaugöffnung in Verbindung und ist nahe der Bohrachse A gelegen. Der Abstand des der Bohrachse A benachbarten Endes des Kanales 5 ist durch die Ausmaße der Aufnahme 7 ' einer in der Bohrachse A von dem Bohrkopf 10 nach unten vorspringenden Pilotspitze 7 bestimmt. Der Kanal 5 hat einen U-förmigen nach unten offenen Querschnitt, erstreckt sich radial aus der Mitte heraus und ist am Umfangsrand des Werkzeugkopfes 10 von der dortigen Gehäusewand 8 verschlossen. Der in Fig. 3 im Querschnitt gezeigte Kanal 5 hat einen über seine Länge konstanten Querschnitt. In dem Ausführungsbeispiel ist an der offenen Unterseite des Kanals 5 ein Gitter 9 angebracht, um die Größe der in den Kanal 5 eintretenden Brocken zu begrenzen. Der Kanal 5 ist nur an einer Stelle, in Umfangsrich- tung gesehen, an der Unterseite 20 des Werkzeugkopfes 10 angeordnet, wie deutlicher in Fig. 2 zu sehen ist.
Im Betrieb sind der Förderkanal 51 des Bohrgestänges 50 und das in den Kanal 5 mündende Absaugrohr 11 mit der Spülflüssigkeit, in der Regel Wasser, gefüllt. Über eine sich entlang des Bohrgestänges 50 erstreckende Zuleitung 52 wird Luft L durch eine Einblasdüse 53 am unteren Ende des Förderkanals 51 nach oben in den Förderkanal 51 eingeblasen. Das Einblasen der Luft L bewirkt die Druckdifferenz zwischen der Bohrlochsohle und im Bohrgestänge 50. Dem Druckgefälle folgend wird die Flüssigkeit aus dem Bereich hohen Drucks an der Bohrlochsohle in den Bereich niedrigeren Drucks in dem Förderkanal 51 hineingetrieben. Durch die sich einstellende kräftige Strömung wird das von den Schneidelementen 20 und den Rollenbohrern 6 an der Bohrlochsohle gelöste und zerkleinerte Bohrgut mitgerissen und durch den Förderkanal 51 als Gemisch B von Spülflüssigkeit F und Bohrgut B zur Oberfläche gefördert. Durch die radiale Führung des Kanals 5 wird im Betrieb eine durch den Pfeil Q angedeutete Querströmung innerhalb des Kanales 5 erzeugt, die das losgelöste Bohrgut auf der gesamten radialen Erstreckung des Kanals 5 einsammelt und dem Absaugrohr 11 bzw. dem zentralen Förderkanal 51 zuführt. Dadurch, daß der Kanal 5 am U fangsrand durch die Gehäusewand 8 geschlossen ist, wird vermieden, daß in unerwünschter Weise Material aus der Bohrungswand ausgespült wird.
Infolge der Drehbewegung des Bohrwerkzeugs 100 überstreift der Absaugkanal 5 während einer 360°-Drehung den gesamten Querschnitt der Bohrsohle, so daß bei dem Lufthebeverfahren infolge der Querströmung Q im Sinne der Pfeile selbsttätig eine "Reinigung" der Sohle erzielt wird, ohne daß die Schneidelemente 2,6 in bereits gelöstem Material zu arbeiten haben.
Um die Querströmung Q in dem Absaugkanal 5 zu intensivieren, ist am äußeren Ende des Absaugkanales 5 in der Nähe der Gehäusewand 8 der Oberseite des Kanals 5 eine Öffnung 13 vorgesehen, durch die saubere Spülflüssigkeit F am äußeren Ende in den Kanal 5 eintritt, die am inneren Ende an dem Durchlass 22 aus dem Kanal 5 nach oben als beladene Spülflüssigkeit FB in das Absaugrohr 11 austritt.
Um den Anhebeeffekt der Querströmung Q zu erhöhen, können von den Seiten des Kanales 5 her auf die Bohrlochsohle 14 gerichtete Düsen 15 vorgesehen sein, mit denen auch größere Materialbrocken 16, die von der Querströmung Q nicht leicht mitgerissen werden, angehoben werden, so daß mit der Querströmung Q in den Förderkanal 5 und zur Oberfläche befördert werden können. Wie in Fig. 2 gezeigt, sind entlang des Kanales 5 bevorzugt mehrere derartiger Düsen 15' angeordnet, um eine gleichmäßig verteilte, zusätzliche Aufwirbelung zu erzielen. Die Düsen 15 werden mit Luft oder Wasser gespeist und sind derart angeordnet, daß die Abstrahlrichtung der Düsen 15 in Drehrichtung D des Bohrwerkzeugs 100 weist.
Anstelle oder zusätzlich zu den Düsen 15 können innerhalb des Kanales 5 auch Strömungsbeeinflussende Bauteile wie Leitflächen 17 (Fig. 3) angeordnet sein, mit denen in die Querströmung ein Drall eingeleitet wird, der das Anheben der auf der Bohrlochsohle 14 liegenden Gesteinsbrocken 16 weiter verstärkt. Alternativ kann auch die Wandung 18 des Kanals 5 mit einem schrauben- oder schnek- kenförmigen Relief versehen sein, Vertiefungen oder Riefen aufweisen, um derart einen zusätzlichen Drall innerhalb der Querströmung Q zu erzielen. Durch den zusätzlichen Drall innerhalb der Querströmung kann auch Material (Bohrgut) angehoben werden, das in von den Schneidelementen 2 an der Bohrlochsohle 14 erzeugten Vertiefungen liegt.
Bei dem in der Fig. 4 gezeigten Bohrwerkzeug 200 erstreckt sich der Kanal 105 in dem Bohrkopf 110 mit seinen unteren Begrenzungen besonders dicht über der Bohrlochsohle 114, wobei das Absaugrohr 111 als Rohrkrümmer ausgebildet ist, der in Längsrichtung des Kanals 105, d.h. ohne abrupte Umlenkung, in den Kanal 105 mündet. Durch die andere Konstruktion behindern sich das Absaugrohr 111 und die Pilotspitze 107 nicht. Am oberen Ende geht das Absaugrohr in Höhe der Flanschverbindung 124 in das Bohrgestänge 150 über. An der nahe der Gehäusewandung 108 gelegenen Öffnung 113 ist ein Rohrabschnitt 120 angeschweißt, der sich nach oben erstreckt und am oberen Rohrende nach innen, d.h. von der Bohrlochwand hinweg, gekrümmt ist, um ein Verschließen der Eintrittsöffnung 122 durch herabfallendes oder in das Bohrloch rutschendes Material zu verhindern.
Die gezeigten Ausführungsformen zeigen ein "freies" Ansaugen der Spülflüssigkeit am radial äußeren Ende des Kanales 5,105 von oben. Mittels weiterer sich entlang des Bohrgestänges 50,150 erstreckender Zuleitungen, in die Spülflüssigkeit von außen unter hohem Druck der äußeren Öffnung zuführbar ist, kann eine Querströmung mit erhöhter Geschwindigkeit innerhalb des Kanales 5,105 erzielt wer- den, wodurch die Absaugeffizienz und damit die Wirksamkeit des Bohrwerkzeugs 100,200 insgesamt weiter steigerbar sind.
Bei dem in der Fig. 5 gezeigten Bohrwerkzeug 300 ist die von den Rollenschneidelementen 206 (nur eines gezeigt) bestimmte Wirkfläche 203 des Werkzeugkopfes 210 in einer durch die Bohrachse A gehenden Schnittebene in W-Form ausgebildet. Bei Bohrwerkzeugen mit W-förmigen Wirkflächen konnte ein optimales Ergebnis für Bohrwerkzeuge mit Durchmessern von etwa 3,60 m und Strömungsgeschwindigkeiten der Querströmung Q von annähernd 3 m pro Sekunde erzielt werden. Die von der flachen Ausbildung der Wirkfläche abweichende W-Form wirkt mit dem auf die Bohrlochsohle gerichteten Dralleffekt der Querströmung Q innerhalb des Kanals 205 zusammen, so daß ein besonders effizientes Anheben und Wegfördern des Bohrgutes durch den Absaugkanal 211 und das Bohrgestänge 250 erzielbar waren.
Insbesondere die in den Fig. 1 und 5 gezeigten Bohrwerkzeuge 100 bzw. 300 sind auch zum Bohren aus Stützrohren heraus geeignet .

Claims

P a t e nt a n s p rü c h e
1. Verfahren zum Niederbringen von Bohrungen im Erdreich unter Austrag des Bohrguts nach dem Lufthebeverfahren mittels eines Bohrwerkzeugs (100,200,300) mit einem an der Unterseite mit Schneidelementen besetzten Bohrkopf (10;110;210) , an dessen Oberseite ein hohles Bohrgestänge (50;150,250, mit einem inneren Förderkanal (51) angeschlossen ist und von dessen Unterseite mit der Spülflüssigkeit vermischtes Bohrgut durch den Förderkanal (51) entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, daß an der Unterseite des Bohrwerkzeugkopfes (10,110,210) eine radial nach innen verlaufende Querströmung (Q) der Spülflüssigkeit mit hoher Fließgeschwindigkeit zur Mitnahme Bohrguts erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querströmung (Q) von zusätzlichen Strömungen überlagert wird.
3. Bohrwerkzeug (100,200,300) zum Niederbringen von Bohrungen im Erdreich unter Austrag des Bohrguts nach dem Lufthebeverfahren mit einem Bohrwerkzeugkopf (10,110,210), an dessen Oberseite ein hohles Bohrgestänge (50,150,250) mit einem inneren Förderkanal (51) für den Austrag des Bohrguts und dessen Unterseite (1) über den Querschnitt verteilte Schneidelemente ( 2 , 6 ; 102 , 106 ; 206 ) und mindestens eine mit dem Förderkanal (51) verbundene Absaugöffnung für mit der Spülflüssigkeit vermischtes Bohrgut aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Absaugöffnung als nach unten offener, sich radial erstreckender Kanal (5;105;205) ausgebildet ist, dessen zur Mitte hin liegendes Ende in Fluidverbindung mit dem Förderkanal (51) ist.
4. Bohrwerkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Ende des Kanals (5;105;205) radial verschlossen ist.
5. Bohrwerkzeug nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß an dem äußeren Ende des Kanals (5,105, 205) in dessen oberer Wandung eine Öffnung (13; 113; 213) für den Einlaß der sauberen Spülflüssigkeit angeordnet ist .
6. Bohrwerkzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an der Öffnung (113) ein sich nach oben erstreckendes rohrförmiges Element (120) vorgesehen ist.
7. Bohrwerkzeug nach Anspruch 5 oder 6 , dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnung (13; 113; 213) die Spülflüssigkeit beschleunigt zuführbar ist.
8. Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kanal (5; 105; 205) strö- mungsbeeinflussende Bauteile (17) angeordnet sind.
9. Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (5; 105; 205) von Wandungen (18) umgeben ist, die die auf der dem Kanalin- nern zugewandten Seite ein Strömungsbeeinflussendes Relief aufweisen.
10. Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß von mindestens einer Seite des Kanals (5; 105; 205) her im wesentlichen nach unten gerichtete mit Luft oder Spülflüssigkeit gespeiste Düsen (15) zum Aufwirbeln gelösten Materials angeordnet sind.
11. Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich entlang des Bohrgestänges wenigstens eine zusätzliche Zuleitung (52) für Luft und/- oder eine zusätzliche Zuleitung für die Spülflüssigkeit erstreckt.
12. Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeugkopf (100,300) zum Bohren aus einem Stützrohr heraus ausgelegt ist.
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