Bohrvorrichtung für ein Hochdruck-Injektions-Bohrverfahren

Abstract

 Es wird eine Bohrvorrichtung sowie ein unter Verwendung dieser Bohrvorrichtung durchführbares Hochdruck-Injektions-­Verfahren zur Herstellung von Injektionskörpern im Erd­reich beschrieben. Die Bohrvorrichtung umfaßt ein mit einem Bohrkopf versehenes Gestänge (3), welches an seinem Ende mit einer Bohrkrone (4) sowie mit mindestens einer Injektionsdüse (12) zum Austritt von Injektions-Suspension versehen ist. Das Gestänge (3) wird von einem Außenrohr (1) umgeben, welches mit einem weiteren Bohrkopf (2) sowie mit einem Zuführkanal (7) für Spülmedium versehen ist. Gestänge (3) und Außenrohr (1) können bezüglich Drehrichtung, Drehgeschwindigkeit und Bohrfortschritt unabhängig voneinander betrieben werden. Nach Erreichen der End­teufe wird das Gestänge (3) in eine Stellung gebracht, in welcher die Injektionsdüse (12) vor der Außenrohr-Bohrkrone (2) steht. Beim nachfolgenden Ziehen und Injizieren wird das Außenrohr (1) gleichzeitig mit dem Gestänge (3) zurückge­zogen. Überschüssige Injektions-Suspension kann im Ringraum (16) zwischen dem Außenrohr (1) und dem Gestänge (3) nach oben austreten.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Bohrvorrichtung für ein Hoch­druck-Injektions-Verfahren mit einem ersten Bohrantrieb und mit einem Kanalgestänge, welches mindestens eine In­jektionsdüse zum Austritt einer Hochdruck-Suspension und an Ihrem Ende einen Bohrkopf aufweist.

[0002] Die Erfindung betrifft ferner ein Bohrverfahren unter Ver­wendung dieser Bohrvorrichtung.

[0003] Hochdruck-Injektions-Verfahren werden im Tiefbau zu Her­stellung von Stütz- und Dichtwänden im Erdreich, Unter­fangungskörpern oder plattenförmigen Körpern für Sohl­dichtungen verwendet. Hierbei wird vornehmlich unter Außen­spülung eine an einem Gestänge angebrachte Bohrkrone ein­gebracht. Nach Erreichen der Endteufe wird über eine im unteren Teil des Bohrgestänges befindliche, horizontal ausgerichtete Düse unter Hochdruck eine Betonit-Zement-­Suspension in das Erdreich injiziert. Durch Drehen des Bohrgestänges ist es beim Zurückziehen möglich, säulenför­mige Injektionskörper herzustellen, deren Größe und Festig­keit durch die Wahl von Ziehgeschwindigkeit, Pumpdruck und Düsendurchmesser festgelegt wird. Durch Verbindung von mehreren Säulen erhält man die wand- und plattenförmigen Injektionskörper.

[0004] Obwohl derartige Hochdruck-Injektions-Verfahren, die auch als HDI-Verfahren bezeichnet werden, in den meisten Fällen erfolgreich eingesetzt werden, kann die relativ schlechte Zielgenauigkeit der Bohrungen als nachteilig bezeichnet wer­den.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bohr­vorrichtung sowie ein Bohrverfahren der eingangs ge­nannten Art anzugegen, mit welchen die Zielgenauigkeit der Bohrungen verbessert wird.

[0006] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß um das Kanalge­stänge ein separates Außenrohr mit einer separaten Bohr­krone und mit einem unabhängigen zweiten Bohrantrieb längs­verschieblich angeordnet ist. Verfahrensmäßig wird die Auf­gabe mit Hilfe dieser Bohrvorrichtung durch folgende Ver­fahrensschritte gelöst:

a) gleichzeitiges Abbohren des Kanalgestänges und des Außen­rohres,

b) Einleiten eines Spülmediums als Bohrhilfe für das Außen­rohr,

c) nach Erreichen der Endteufe Anordnen der Injektions­düse vor der Bohrkrone des Außenrohres und anschließend

d) gleichzeitiges Zurückziehen des Außenrohres und des Kanalgestänges unter Injektion der Hochdruck-Suspension.

[0007] Die Erfindung hat den Vorteil, daß das Abbohren des Kanal­gestänges durch die Bohrhilfe des Außenrohres erleichtert wird. Die Führung des Außenrohres gewährleistet ein ziel­genaueres Abteufen. Insbesondere bei horizontalem Vortrieb kann einem Abweichen des Kanalgestänges von der vorgege­benen Vortriebsrichtung wirksam begegnet werden.

[0008] Eine bevorzugte Ausgestaltung der Bohrvorrichtung besteht darin, daß das Außenrohr doppelwandig zur Bildung eines Zuführkanals für das Spülmedium ausgeführt ist, der im Bereich der Bohrkrone mit Austrittsöffnungen versehen ist.

[0009] Ferner erweist es sich als vorteilhaft, daß zwischen dem Außenrohr und dem Kanalgestänge ein Ringraum vorhanden ist. Über diesen Zwischenraum kann überschüssige Injektions-Sus­ pension ungehindert nach oben entweichen. Somit wird ver­mieden, daß unkontrolliert austretende Injektions-Suspen­sion Hebungen im Boden verursacht. Außerdem besteht keine Gefahr von Verstopfungen, die ansonsten bei einem Einfal­len der Bohrlochwand auftreten könnten. Da der Abstand zwischen dem Außenrohr und dem Kanalgestänge frei wählbar ist, kann durch entsprechende Wahl des Außenrohrdurchmessers eine optimale Anpassung an den Bohrgrund vorgenommen werden.

[0010] Bevorzugt ist weiterhin vorgesehen, daß das Kanalgestänge eine Zuführung für weiteres Spülmedium für den Bohrkopf um­faßt. Das Bohrverfahren wird bevorzugt dadurch weitergebil­det, daß das Außenrohr und das Kanalgestänge bezüglich ihrer Drehrichtung und/oder ihrer Drehzahl unabhängig von­einander rotierbar sind.

[0011] Ferner kann es von Vorteil sein, daß der Vortrieb des Ka­nalsgestänges und des Außenrohrs unabhängig voneinander sind.

[0012] Durch diese Maßnahmen ist eine optimale Anpassung an die je­weilige Geologie sowohl beim Abbohren als auch beim Ziehen durchführbar. Der Bohrfortschritt des Außenrohres und des Kanalgestänges kann unabhängig voneinander gewählt werden. Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in Un­teransprüchen beschrieben. Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles weiter beschrieben.

Figur 1 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch ein Bohrloch während des Abbohrens einer Bohrvorrichtung

Figur 2 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch das Bohrloch ge­maß Figur 1 während des Ziehens der Bohrvorrichtung und

Figur 3 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch die Bohrvorrichtung.

[0013] In Figur 1 ist ein Bohrwerkzeug und das zugehörige Ge­stänge während einer Bohrphase veranschaulicht. Das Bohr­ werkzeug besteht aus einem doppelwandigen Außenrohr 1 mit einer endseitigen Bohrkrone 2. Im Inneren des Außenrohres 1 ist koaxial ein separates, unabhängiges Kanalgestänge 3 mit einem Bohrkopf 4 angeordnet. Aus Gründen einer übersicht­lichen Darstellung ist nicht gezeigt, daß sowohl das Außen­rohr 1 als auch das Kanalgestänge 3 jeweils mit einem separaten Bohrantrieb versehen sind, die oberhalb des Erd­reichs beispielsweise auf einer Lafette montiert sein können.

[0014] Während der in der Figur 1 gezeigten Bohrphase wird das Außenrohr 1 und das Gestänge 3 gleichzeitig abgebohrt, wo­bei die Drehrichtungen gegenphasig sein können, wie die Drehrichtungspfeile 6 andeuten. Ebenso ist es möglich, auf­grund der beiden unabhängigen Bohrantriebe unterschiedliche Drehzahlen vorzusehen. Die Wahl der Drehrichtungen und der Drehzahlen wird in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Erdreichs 5 im Hinblick auf einen optimalen Vortrieb ge­wählt. Durch einen Zuführkanal 7, der zwischen der Außen­wand 8 und der Innenwand 9 des Außenrohres gebildet ist, wird ein Spülmedium, beispielsweise Bentonit-Suspension, als Bohrhilfe für das Außenrohr eingeleitet. Die dazu er­forderlichen Pumpeinrichtungen und Vorratsbehälter sind an der Erdoberfläche installiert. Das Spülmedium gelangt im Bereich der Bohrkrone 2 über Austrittsöffnungen 10, die über den Umfang des Außenrohres 1 verteilt sind, in das von der Bohrkrone 2 beaufschlagte Erdreich. Das austretende Spülmedium ist in der Figur mit dem Bezugszeichen 11 verse­hen. Der Bohrgrund wird ferner mit Hilfe des Bohrkopfes 4 bearbeitet. Auch der Bohrkopf 4 ist mit Austrittsöffnungen (nicht dargestellt) für weiteres Spülmedium versehen, wel­ches im Inneren des Kanalgestänges 3 zugeführt wird. Es entfaltet seine Wirkung im Bereich 13 vor dem Bohrkopf 4.

[0015] In der Figur 1 ist eine Konfiguration dargestellt, bei wel­cher das Außenrohr 1 dem Kanalgestänge 3 vorauseilt. In Abhängigkeit von der jeweiligen Geologie kann es aber glei­ chermaßen zweckmäßig sein, das Kanalgestänge 3 vor dem Außenrohr 1 oder auf gleicher Höhe des Außenrohrs 1 zu führen.

[0016] Im unteren Bereich weist das Gestänge 3 mindestens eine Injektionsdüse 12 auf, die im wesentlichen horizontal aus­gerichtet ist. Sie ist im Inneren des Kanalgestänges 3 über eine Zuleitung (nicht dargestellt) mit einer Hoch­druckpumpe an der Erdoberfläche verbunden, über welche eine Hochdruck-Suspension eingeleitet wird, wie die nachfolgende Beschreibung erläutert.

[0017] Nach Erreichen der Endteufe wird das Gestänge 3 in eine Stellung gebracht, in welcher die Injektionsdüse 12 oder gegebenenfalls mehrere derartiger Injektionsdüsen vor der Bohrkrone 2 stehen. Diese Stellung veranschaulicht Figur 2. Anschließend wird die Hochdruck-Suspension 14 in das Erdreich 5 injiziert, wobei durch Drehen und Ziehen des Bohrgestänges 3 ein zylinderförmiger Injektionskörper 15 erzeugt wird.

[0018] Gleichzeitig mit dem Kanalgestänge 3 wird auch das Außenrohr 1 zurückgezogen. Überschüssige Injektions-Suspension, die nicht mehr in das Erdreich 5 eindringen kann, tritt über eine Ringraum 16 zwischen dem Außenrohr 1 und dem KanaI­gestänge 3 nach oben an die Erdoberfläche aus.

[0019] In Figur 3 ist das Außenrohr 1 und das Kanalgestänge 3 teil­weise im Längsschnitt entlang der Längsmittellinie 17 darge­stellt. Es wird ersichtlich, daß das Kanalgestänge 3 aus zwei koaxialen Rohren besteht, wobei das äußere Kanalrohr mit dem Bezugszeichen 18, das innere Kanalrohr mit dem Bezugszei­chen 20 versehen sind. Über das innere Kanalrohr 20 wird die Suspension an die Injektionsdüse 12 geleitet.

[0020] Eine Spülleitung 21, die durch den Rohrraum zwischen dem äußeren Kanalrohr 18 und dem inneren Kanalrohr 20 gebildet wird, dient zur Versorgung mit dem weiteren Spülmedium, für das bevorzugt Wasser verwendet wird.

[0021] Wie die Figur 3 veranschaulicht, kann dieses weitere Spül­medium auch zum Ausspülen des Ringraums 16 verwendet wer­den. Zu diesem Zweck ist das äußere Kanalrohr 18 mit min­destens einer Spüldüse 22 versehen, welche einen Flüssig­keitsstrahl von unten nach oben lenkt. Durch diese Maßnahme wird ein kontinuierlicher Rückfluß im Ringraum 16 sicherge­stellt, und ein Verstopfen oder teilweises Verengen des Ringraums 16 verhindert.

[0022] Das austretende weitere Spülmedium fließt nach oben in Rich­tung auf die Erdoberfläche und unterstützt den Transport des Bohrguts, das von der Bohrkrone 2 und dem Bohrkopf 4 (Figur 1) unter dem zusätzlichen Einfluß von Spülmedium gelöst wurde. Es verhindert, daß sich dieses Bohrgut im Ringraum 16 zusammen­setzt oder verklumpt.

[0023] Grundsätzlich kann es ausreichend sein, daß eine einzige Spüldüse 22 vorhanden ist. Werden mehrere derartiger Spül­düsen entlang des Umfangs des äußeren Kanalrohrs 18 ver­teilt, so kann der kontinuierliche Bohrguttransport an die Erdoberfläche weiter verbessert werden. Insbesondere bei längeren Kanalgestängen 3 wird die Spülung des Ring­raums 16 unterstützt, wenn Spüldüsen vertikal übereinander entlang des Kanalgestänges 3 angeordnet sind.

[0024] Da eine Verstopfung oder Verengung des Ringraums 16 nicht nur beim Abbohren eintreten kann, wird die Spüldüse 22 gleichermaßen beim Rückziehen der Bohrvorrichtung, wie es im Zusammenhang mit Figur 2 beschrieben ist, betätigt. In dieser Phase wird überschüssige Hochdruck-Suspension nach oben abgeführt.

Ansprüche

1. Bohrvorrichtung für Hochdruckinjektionsverfahren mit einem ersten Bohrantrieb und mit einem Kanalge­stänge, welches mindestens eine Injektionsdüse zum Austritt einer Hochdruck-Suspension und an ihrem Ende einen Bohrkopf aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß um das Kanalgestänge (3) ein separates Außenrohr (1) mit einer separaten Bohr­krone (2) und mit einem unabhängigen zweiten Bohrantrieb längsverschieblich angeordnet ist.

2. Bohrvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das Außenrohr (1) doppelwandig zur Bildung eines Zuführkanals (7) für Spülmedium (11) ausgeführt ist, der im Bereich der Bohrkrone (2) mit Austrittsöffnungen (10) versehen ist.

3. Bohrvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Außen­rohr (1) und dem Kanalgestänge (3) ein Ringraum (16) vor­handen ist.

4. Bohrvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Kanalgestänge (3) eine Spülleitung für ein weiteres Spülmedium für den Bohr­kopf (4) umfaßt.

5. Bohrvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Kanalgestänge (3) mindestens eine in den Ring­raum (16) austretende und in Vortriebsrichtung hinter der Injektionsdüse (12) angeordnete Spüldüse (22) aufweist.

6. Bohrvorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Spüldüse (22) vom bohrkopfseitigen Ende wegge­richtet ist.

7. Bohrvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Spüldüsen (22) über den Umfang des Kanalge­stänges (3) verteilt sind.

8. Bohrvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Spüldüsen (22) über die Länge des Kanalge­stänges (3) verteilt sind.

9. Bohrverfahren unter Verwendung der Bohrvorrichtung nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch folgende Verfahrens­schritte:

a) gleichzeitiges Abbohren des Kanalgestänges (3) und des Außenrohres (1),

b) Einleiten eines Spülmediums (11) als Bohrhilfe für das Außenrohr (1),

c) nach Erreichen der Endteufe Anordnen der Injektions­düse (12) vor der Bohrkrone (2) des Außenrohres und anschließend

d) gleichzeitiges Zurückziehen des Außenrohres (1) und des Kanalgestänges (3) unter Injektion der Hochdruck-­Suspension (14).

10. Bohrverfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß das Außenrohr (1) und das Kanalgestänge (3) mit unterschiedlicher Drehrichtung bewegt werden.

11. Bohrverfahren nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, daß das Außenrohr (1) und das Kanalgestänge (3) mit unterschiedlicher Drehzahl bewegt werden.

12. Bohrverfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß das Außenrohr (1) und das Kanalgestänge (3) mit unterschiedlichem Vortrieb abgeteuft werden.

13. Bohrverfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß während des Abteufens und/oder Zurückziehens über eine Spüldüse (22) weiteres Spülmedium in den Ringraum (16) zur Spülung des Ringraums (16) eingeleitet wird.

Zeichnung