Bohrlochpumpe für kleine Bohrlochdurchmesser

Abstract

 Bohrlochpumpen für kleine Bohrlochdurchmesser werden benötigt, um Wasser in wassergefährdeten Gegenden, z.B. in der Nähe von Mülldeponien, auf Schadstoffe zu untersuchen. Bisherige als Kreiselpumpe ausge­führte Bohrlochpumpen benötigten Bohrlochdurch­messer von etwa 100 mm. Derartige Bohrungen sind verhältnismäßig teuer. Es ist deshalb das Ziel, eine Bohrlochpumpe zu schaffen, welche mit einem wesentlich geringeren Bohrlochdurchmesser auskommt wo­durch eine erhebliche Kostenersparnis eintritt.
Die Bohrlochpumpe nach der Erfindung löst diese Auf­gabe durch eine untertägige Einheit aus einer Hub­kolbenpumpe (10), einem druckmittelbetätigten Hubkolben­antrieb (12) und einer Steuereinrichtung (14). Die beiden Kolben (18, 30) der Hubkolbenpumpe und des Hubkolbenantriebs sind in Bohrlochachsrichtung beweglich und über eine Kolbenstange (40) verbunden.

Beschreibung

[0001] Bohrlochpumpe für kleine Bohrlochdurchmesser

[0002] Die Erfindung betrifft eine Bohrlochpumpe für kleine Bohrlochdurchmesser nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0003] Zur Überwachung des Grundwassers auf Schadstoffe, z.B. in der Nähe von Mülldeponien, werden Bohrungen mit einer Tiefe zwischen 40 und 100 Meter abgeteuft. Durch in die Bohrlöcher abgesenkte Pumpen läßt sich das Wasser aus verschiedenen Tiefen hochpumpen und auf den Schadstoffgehalt untersuchen.

[0004] Bisher war es üblich, für derartige Bohrlöcher Kreisel­pumpen zu verwenden, wobei jedoch die Kreiselpumpen aufgrund ihrer konstruktiven Ausgestaltung einen Bohr­ lochdurchmesser von etwa 100 mm benötigten. Die Kosten für das Abteufen der Bohrung dieses Durchmessers be­laufen sich auf ca. DM 30.000,--. Eine wesentliche Verringerung könnte erzielt werden, wenn Bohr­löcher kleineren Durchmessers für die vorgesehene Aufgabe ausreichen würden.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bohr­lochpumpe für kleine Bohrlochdurchmesser zu schaffen, welche auch bei Bohrlochdurchmessern unter 100 mm noch eine Förderung aus Tiefen zwischen 40 und 100 Meter ermöglicht.

[0006] Diese Aufgabe wird bei einer Bohrlochpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die im kennzeich­nenden Teil angegebenen Merkmale gelöst.

[0007] Die Bohrlochpumpe nach der Erfindung nutzt den Um­stand aus, daß eine ausreichende Fördermenge und ein ausreichender Förderdruck statt durch einen großen Durchmesser der Pumpe auch durch einen entsprechend langen Hub erzielbar sind. Dabei kann die für die Überwindung des hydrostatischen Drucks zwischen der Montagestelle der Bohrlochpumpe und der Erdoberfläche durch einen entsprechenden Vordruck des Druckmittels erreicht werden. Im Gegensatz zu Kreisenpumpen, bei denen der Druck durch strömungstechnische Kriterien begrenzt ist, sind dem hier verfügbaren Druck ledig­lich Grenzen durch die Standfestigkeit der Dichtung gegeben.

[0008] Die erfindungsgemäße Bohrlochpumpe zeichnet sich auch durch eine besondere Einfachheit im Aufbau damit eine einfache Herstellbarkeit und Wartungsfreundlichkeit aus. Dabei ist besonders hervorzuheben, daß die Hub­kolbenpumpe ähnlich dem Hubkolbenantrieb ausgebildet ist, so daß die Möglichkeit besteht, ähnliche oder gleiche Teile für beide Aggregate zu verwenden.

[0009] Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der weiteren Beschreibung und der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel einer Bohrlochpumpe nach der Erfindung darstellt. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Bohrlochpumpe im Längs­schnitt als Prinzipdarstellung, wobei die Kolben in einer un­teren Endstellung sind,

Fig. 2 eine Darstellung entsprechend Fig. 1, wobei jedoch die Kol­ben in einer aufwärts Bewegungs­phase gezeigt sind,

Fig. 3 eine Darstellung entsprechend Fig. 1, wobei die Kolben in einer oberen Endstellung sind,

Fig. 4 eine Darstellung entsprechend Fig. 1, wobei die Kolben in einer abwärtsgerichteten Phase sind,

Fig. 5 einen Querschnitt durch das Bohrloch oberhalb der Bohr­lochpumpe, und

Fig. 6 und 7 weitere Detaildarstellungen im Querschnitt.

[0010] In Fig 1 ist in einem Futterrohr 64, mit dem ein Bohrloch ausgekleidet ist, eine Bohrlochpumpe abge­senkt. Das Futterrohr ist porös, so daß in den Innen­raum Wasser aus der angrenzenden Sand- oder Gesteins­ formation eindringen kann.

[0011] Die dargestellte Bohrlochpumpe nach der Erfindung besteht aus einer Hubkolbenpumpe 10, einem Druck­mittel betätigten Hubkolbenantrieb 12 und einer elektronischen bzw. elektrischen Steuereinrichtung 14. Nach Obertage führen vier Leitungen und zwar Druckmittelleitungen 56 und 58, von denen eine der Zufuhr und die andere der Ab­fuhr von Druckmittel dient, eine elektrische Ver­sorgungs- und Steuerleitung 60 sowie eine Förder­leitung 62.

[0012] Die Hubkolbenpumpe 10 ihrerseits umfaßt eine Pumpen­kammer 16 mit einem darin in Bohrlochachsrichtung beweglichen Pumpenkolben 18. In der Pumpenkammer 16 befinden sich Einlaßöffnungen 20, aus denen Wasser aus dem Ringraum zwischen der Borlochpumpe und dem Futterrohr eindrigen kann und eine Auslaß­öffnung 22 in der Abschlußstirnfläche 54, aus der das Wasser in die nach Obertage führende Förder­leitung 62 gedrückt wird. Ferner sind in dem Pumpen­kolben 18 Öffnungen 66 angeordnet, die über Rück­schlagventile 24 schließbar sind. Ein weiteres Rück­schlagventil 26 befindet sich an der Auslaßöffnung 22.

[0013] Der Hubkolbenantrieb 12 umfaßt einen Antriebszylinder 28 mit einem darin in Borlochachsrichtung beweglichen Antriebskolben 30. Oberhalb der oberen und unterhalb der unteren Endstellungen des Antriebskolbens 30 be­findet sich eine Einlaßöffnung 32 bzw. eine Auslaß­öffnung 34. Die Öffnungen können wechselweise als Einlaß- und Auslaßöffnungen dienen, wobei jedoch immer nur eine Einlaßöffnung ist, wenn die andere Auslaßöffnung ist.

[0014] Der Antriebskolben 30 ist doppelseitig druckbeauf­schlagbar, wobei ein erster Arbeitsraum 46 im An­treibszylinder 28 zwischen dessen unterer Abschluß­stirnfläche 48 und der unteren Seite des Antriebs­kolbens 30 und ein zweiter Arbeitsraum 50 zwischen einer Dichtung 52 und der anderen Seite des Antriebs­kolbens 30 gebildet ist. Die Umsteuerung des An­triebskolbens 30 erfolgt durch steuerbare Ventile 36 und 38, die z.B. als Dreiwegeventile ausgebildet sein können.

[0015] Die Ventile 36 und 38 werden dann so gesteuert, daß z.B. bei einem ersten Arbeitstakt der erste Arbeits­raum 46 mit einer ankommenden Druckmittelleitung 56 und der zweite Arbeitsraum 50 mit einer abgehenden Druckmittelleitung 58 verbunden ist und daß in einer zweiten Arbeitsphase der zweite Arbeitsraum 50 mit der ankommenden Druckmittelleitung 56 und der erste Arbeitsraum 46 mit der abgehenden Druckmittelleitung 58 verbunden ist. Die Umsteuerung der steuerbaren Ventile 36 und 38 erfolgt durch die Steuereinrichtung 14, wobei die Steuersignale mit Hilfe von Sensoren 42 und 44 gewonnen werden, die bei Erreichen der Endstellungen des Antriebskolbens 30 entsprechende Signale an die Steuereinrichtung 14 abgeben, die da­raufhin die Umschaltung der steuerbaren Ventile ver­anlaßt.

[0016] Wird also z.B. der Antriebskolben durch Überdruck im ersten Arbeitsraum 46 nach oben gedrückt und er­reicht den Sensor 44, so werden die steuerbaren Ven­tile 36 und 38 umgeschaltet, so daß nun der zweite Arbeitsraum 50 den Überdruck erhält und der erste Arbeitsraum 46 sein Druckmittel in die abgehende Druckmittelleitung ableitet. Bei Erreichen des unteren Sensors 42 kehrt sich der Vorgang wieder um.

[0017] Der Pumpenkolben 18 und der Antriebskolben 30 sind über eine Kolbenstange 40 verbunden, so daß die beiden Kolben 18 und 30 synchrone Bewegungen vollführen. Die Abdichtung zwischen der Hubkolbenpumpe 10 und dem Hub­kolbenantrieb 12 wird durch eine die Kolbenstange 40 umschließende Dichtung 52 erreicht.

[0018] Fig. 2 zeigt eine Arbeitsphase, in der sich die Kolben 18 und 30 in einer mittleren Stellung befinden und im Begriff sind, eine aufwärts gerichtete Bewegung durch­zuführen. Durch Pfeile sind entsprechende Strömungs­richtungen des Druckmittels sowie des Fordermediums dargestellt. Außerdem sind durch Pfeile in den Kolben auch die Bewegungsrichtungen letzterer veranschlau­licht.

[0019] In den ersten Arbeitsraum 46 wird Druckmittel einge­lassen, während aus dem zweiten Arbeitsraum 50 Druck­mittel entweicht. Der Differenzdruck zwischen den beiden Arbeitsräumen 46 und 50 führt also zu einer aufwärtsgerichteten Bewegung des Antriebskolbens 30 und damit über die Kolbenstange 40 auch zu einer aufwärtsgerichteten Bewegung des Pumpenkolbens 18.

[0020] Dementsprechend gelangt über die Einlaßöffnung 20 Wasser in die Pumpenkammer 16 unterhalb des Pumpen­kolbens 18. Dasjenige Wasser oder Fördermedium, das bereits vorher in den oberhalb des Pumpenkolbens 18 gelegenen Teil der Pumpenkammer 16 gelangt ist, wird nun über die Auslaßöffnung 22 in die Förderleitung 62 gedrückt. Auch dies ist durch einen entsprechenden Pfeil in der Auslaßöffnung 22 angedeutet.

[0021] Bei den Rückschlagventilen ist dementsprechend das in der Auslaßöffnung 22 angeordnete Rückschlagven­til 26 geöffnet und das im Pumpenkolben 18 vorhandene Rückschlagventil 24 geschlossen.

[0022] Die entsprechend den Pfeilen angedeutete Strömungs­richtung gilt solange, bis die Kolben 18 und 30 die in Fig. 3 eingezeichnete Stellung erreicht haben. In dieser oberen Endstellung erfolgt eine Umsteuerung der steuerbaren Ventile 36 und 38 und die Kolben kehren ihre Bewegungsrichtung um. In dieser Phase sind kurz­zeitig die Rückschlagventile 24 und 26 gleichzeitig geschlossen.

[0023] Eine Mittelstellung der Kolben mit abwärtsgerichteter Bewegungstendenz ist in Fig. 4 veranschaulicht. Wieder zeigen die Pfeile in den Kolben die Bewegungsrichtung. Auch die Strömungsrichtung des Druckmittels ist ent­sprechend umgekehrt gegenüber derjenigen in Fig. 2, d.h., Druckmittel strömt in den zweiten Arbeitsraum 50 ein und aus dem ersten Arbeitsraum 46 aus. Die Druckdifferenz bewirkt die Verschiebung des Antreibs­kolbens 30 und damit des Pumpenkolbens 18.

[0024] Bei der Hubkolbenpumpe 10 ist in dieser Phase das Rückschlagventil 26 in Folge der in der Förder­leitung 62 stehenden Wassersäule geschlossen. Dagegen ist das Rückschlagventil 24 im Pumpenkolben 18 geöffnet und das Wasser kann vom unteren Teil der Pumpenkammer 16 durch die Öffnungen 66 im Pumpen­kolben 18 in den oberen Teil der Pumpenkammer 16 über­strömen. Um zu verhindern, daß in dieser Phase Wasser wieder aus den Einlaßöffnungen 20 in den Ringraum zu­rückgedrückt werden kann, könnten auch noch zusätzliche Rückschlagventile vor oder hinter den Einlaßöffnungen 20 angeordnet werden. In der Regel kann man jedoch auf diese zusätzlichen Rückschlagventile verzichten.

[0025] Sobald die Kolben in die untere Endstellung gelangen, die der Darstellung in Fig. 1 entspricht, wird wie­derum die Strömungsrichtung des Druckmittels umge­kehrt und eine neue Arbeitsphase eingeleitet, wie sie in Fig. 2 beschrieben ist. Das in den oberen Teil der Pumpenkammer 16 übergetretene Wasser wird nun durch die Auslaßöffnung 22 in die Förderleitung 62 gedrückt.

[0026] Abschließend zeigt Fig. 5 in maßstäblicher Größe einen Querschnitt durch ein Bohrloch, wobei hier die An­ordnung der nach Obertage führenden Leitung ange­deutet ist und zugleich auch ein realistischer Ein­druck von den mit der Erfindung erzielten geringen Abmessungen der erforderlichen Bohrlöcher gewonnen wird. Gegenüber den eingangs genannten Kosten einer Bohrung mit einem Durchmesser von 100 mm gelingt es, mit der Erfindung den erforderlichen Bohrloch­durchmesser auf 50 mm zu verringern, wobei die Kosten für die Bohnung etwa von 1/10 des eingangs genannten Wertes beschränkt werden können.

[0027] In der teilweisen Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 6 sind neben der Dich­tung 52 noch zwei weitere Dichtungen 70 und 72 vorge­sehen, um der Gefahr zu begegnen, daß bei nur einer Dichtung 52 ölhaltige Luft aus dem Arbeitsraum 50 in die Pumpenkammer 16 gelangen kann, wodurch die Messun­gen verfälscht werden würden.

[0028] Deshalb sind gemäß Fig. 6 die insgesamt drei Dichtun­ gen 52, 70 und 72 im hier zweiteilig ausgebildeten Verbindungs- und Abdichtungselement 74 vorgesehen. Ferner besitzt die Ausführungsform gemäß Fig. 6 eine Luftschleuse 68 zwischen der unteren Dichtung 52 und der darüber angeordneten Dichtung 70.

[0029] Falls trotz der Dichtung 52 Luft nach oben dringen sollte, gelangt sie zunächst in einen Zwischenraum 76, in welchen die Luftschleuse 68 als Öffnung ein­mündet. Durch die Luftschleuse 68 kann die Luft dann gesondert mit einer hier nicht dargestellten Leitung nach oben geführt werden.

[0030] Die beiden Dichtungen 52 und 70 sind als Stangendich­tungen ausgebildet und beidseitig druckstabil (von oben und von unten) als Preßluftdichtungen. Die obere Dichtung 72 ist für Wasser vorgesehen, also als Hydrau­likdichtung ausgebildet. Es genügt, wenn diese Dich­tung 72 nur von oben her druckstabil ist.

[0031] Für Wartungs- und Reparaturzwecke ist es vorteilhaft, den unteren Teil des Futterrohres 64 (vgl. Fig. 1 und 7), in welchem sich die Steuereinheit 14 befindet, lösbar mit dem oberen Teil des Futterrohres 64 aus­zubilden, beispielsweise durch Steck- oder Schraub­verbindungen.

[0032] In einer weiteren Ausführungsform, die als schema­tische Querschnittsansicht in Fig. 7 dargestellt ist, wird unterhalb einer Abschottung 78 eine Bo­denkammer 80 vorgesehen, innerhalb welcher sich die Steuereinheit 14 befindet, und die als Konden­satkammer wirkt. In dem unteren Boden 84 ist des­halb ein Kondensatablaß 82 vorgesehen.

[0033] Die in die Bodenkammer 80 gelangende Druckluft ist in hohem Maße mit Feuchtigkeit angefüllt, und es soll verhindert werden, daß das Kondensat in die Steuereinheit 14 gelangen kann. Durch die im laufen­den Betrieb stattfindende Entspannung der Druckluft innerhalb der Bodenkammer 80 sammelt sich am Boden 84 Flüssigkeit an, die nach dem Gebrauch der Pumpe durch Öffnen des Kondensatablasses 82 entnommen wer­den kann.

[0034] Als weitere Ergänzung zeigt das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 noch einen oberen Deckel 86, welcher in waagerechter Richtung teilbar ausgebildet sein kann. Wenn zugleich auch die durch den Deckel 86 füh­renden Leitungen nach Art einer Steckverbindung aus­gebildet sind, läßt sich der obere Teil des Deckels leicht entfernen.

Ansprüche

1. Bohrlochpumpe für kleine Bohrlochdurchmesser, gekennzeichnet durch eine untertägige Einheit aus einer Hubkolbenpumpe (10), einem druckmittelbetätigten Hub­kolbenantrieb (12) und einer elektrischen Steuereinrichtung (14), wobei die Hubkolbenpumpe (10) aus einer Pumpenkammer (16) mit einem darin in Bohrlochachsrichtung beweg­lichen Pumpenkolben (18), wenigstens einer Einlaß­(20) und Außlaßöffnung (22) sowie Ventilen (24, 26) besteht, wobei der Hubkolbenantrieb (12) aus einem Antriebszylinder (28) mit einem darin in Borlochachs­richtung beweglichen Antriebskolben (30), wenigstens einer Einlaß- (32) und Auslaßöffnung (34) sowie aus von der Steuereinrichtung (14) steuerbaren Ventilen (36, 38) besteht und wobei der Pumpenkolben (18) mit dem Antriebskolben (30) über eine Kolbenstange (40) verbunden ist.

2. Bohrlochpumpe nach Anspruch 1, dadurch ge­kennzeichnet, daß dem Hubkolbenantrieb (12) im Be­trieb ein ständiger Druckmittelstrom von Obertage zugeführt ist und daß die Steuereinrichtung (14) Sensoren (44, 46) für die Endstellungen des Antriebs­kolbens (30) umfaßt, in denen durch Betätigen der steuerbaren Ventile (36, 38) der Druckmittelstrom auf den Antriebskolben (30) umgesteuert wird.

3. Bohrlochpumpe nach Anspruch 2, dadurch ge­kennzeichnet, daß die Sensoren (44, 46) durch mag­netische, kapazitive oder optoelektronische Näherungs­schalter gebildet sind.

4. Bohrlochpumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß der An­triebskolben (30) doppelseitig druckbeaufschlag­bar ist, wobei ein erster Arbeitsraum (46) im Antriebs­zylinder (28) zwischen dessen Abschlußstirnfläche (48) und einer Seite des Antreibskolbens (30) und ein zweiter Arbeitsraum (50) zwischen einer die Kol­benstange (40) umschließenden Dichtung (52) und der anderen Seite des Antreibskolbens (30) gebildet ist.

5. Bohrlochpumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein­laßöffnungen (20) der Hubkolbenpumpe (10) in der Pumpenkammer (16) nahe der die Kolbenstange um­schließenden Dichtung (52) und die Auslaßöffnung (22) in der Abschlußstirnfläche (54) angeordnet ist und daß die Ventile (24, 26) als Rückschlagven­tile ausgebildet sind, wobei wenigstens ein erstes (24) im Pumpenkolben (18) und wenigstens ein zweites (26) in der Auslaßöffnung (22) angeordnet ist.

6. Bohrlochpumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der untertägigen Einheit die Hubkolbenpumpe (10) oben, der Hubkolbenantrieb (12) in der Mitte und die Steuer­einrichtung (14) unten angeordnet sind.

7. Bohrlochpumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Druck­mittel Preßluft dient.

Zeichnung