WO2005073495A1 - Device for the production of deep drilling in geological structures - Google Patents

Device for the production of deep drilling in geological structures Download PDF

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WO2005073495A1
WO2005073495A1 PCT/EP2005/000455 EP2005000455W WO2005073495A1 WO 2005073495 A1 WO2005073495 A1 WO 2005073495A1 EP 2005000455 W EP2005000455 W EP 2005000455W WO 2005073495 A1 WO2005073495 A1 WO 2005073495A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
drilling
drilling mast
mast
longitudinal direction
drill
Prior art date
Application number
PCT/EP2005/000455
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Andreas Beck
Original Assignee
Max Streicher Gmbh & Co. Kg Aa
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 Max Streicher Gmbh & Co. Kg Aa filed Critical Max Streicher Gmbh & Co. Kg Aa
Publication of WO2005073495A1 publication Critical patent/WO2005073495A1/en

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Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B15/00—Supports for the drilling machine, e.g. derricks or masts
    • E21B15/04—Supports for the drilling machine, e.g. derricks or masts specially adapted for directional drilling, e.g. slant hole rigs

Definitions

  • the present invention relates to a drilling device. More specifically, the present invention relates to an apparatus for making substantially deep holes in geological structures and layers. In particular, the present invention relates to a device for producing vertical bores for developing deposits.
  • the term “deposit” generally encompasses an occurrence of a substance in liquid, gaseous or solid form or energetically usable conditions in geological layers, in particular petroleum, natural gas and geothermal energy.
  • a drilling tool (the drilling head) is connected to a rotary drive arranged above the surface of the earth by a drill string.
  • the drill string consists of standard rods screwed together and special units such as drill rods, non-magnetic rods, centering units, flushing motors, etc., which are used as required.
  • special units such as drill rods, non-magnetic rods, centering units, flushing motors, etc., which are used as required.
  • a variety of Standard rods are gradually joined together depending on the drilling progress.
  • a prior art hanger 90 is shown in FIG. 5 shown. Accordingly, the drill string is held by means of a hook 901, which is connected to a cable winch 905a with an integrated brake 905b, the so-called hoist 905, by means of a block and tackle constructed from an upper block 904, a lower block 902, the driving cable 903a and the pulling cable 903b. On the other side of the upper bottle 904, a dead rope 903c is connected to a reserve rope drum 906. The weight of the drill string and drilling tool is absorbed by this structure (the lifting device).
  • FIG. 6 the rotary movement via driver rods 701, so-called Kelly rods, which have a polygonal (here square) cross section, is carried out by a rotary table 703 by means of a connecting piece 702 which is in the rotary table 703 engages with driver pins and which supports the Kelly bar 701 axially displaceably and grips positively in the direction of rotation, transferred to the drill string 709.
  • the Kelly rod 701 is suspended in the suspension device 90 from FIG. 5 and rotatably mounted.
  • FIG. 7 Another prior art solution is shown in FIG. 7.
  • the counter torque is recorded via a carriage 803 on rails 804 which are firmly connected to the derrick.
  • Directional drilling is made possible by controllable drilling tools, provided that the minimum rod or pipe radius and the available load from the weight of the string allow.
  • the hoist with the pull rope and the reserve rope drum with the dead rope are either led outwards from the top of the drilling mast or arranged inside a drilling tower.
  • This arrangement of rope drums, deflection rollers and ropes on the one hand requires a not insignificant parking space.
  • the ropes, which are subject to changing and sometimes very high tensile stress, are a considerable source of interference and a risk of accidents.
  • Newer drilling methods such as casing drilling, are not possible with conventional technology near the surface.
  • Fig. 8 a folding mast according to the prior art is shown as an example, which has a total height of almost 45 m.
  • the mast according to FIG. 8 has the known closed mast constructions, in which the drill string and the entire drive and Suspension technology is arranged inside a completely closed steel framework construction.
  • an object of the present invention is to provide an apparatus for producing vertical bores which can be used in the vicinity of, and even within, an urban environment, the noise emission of which is reduced compared to known apparatus, which is capable of , regardless of the dead weight of the drill string without significant modifications and additional units and components, to exert the optimal contact pressure on the drill string or the drilling tool, as well as to drive into a pressurized borehole without essential additional technology and to drill any borehole geometries including curves and rising sections with a view to Transport, assembly and disassembly causes lower costs in comparison to conventional devices and which overall requires a small assembly area.
  • a resultant task is to provide a device for producing vertical bores, which has a lower overall height than conventional devices and is capable of independently exerting pressure on the drill string.
  • Another object of the present invention is to simplify the construction of a vertical drilling rig and to make it safer.
  • the device for producing substantially vertical bores in geological layers by means of a drilling tool and a drill string consisting of a plurality of segments comprises: a vertically erected mast; a pair of racks attached to the mast and extending parallel to each other substantially the length of the mast in the longitudinal direction thereof; Guide surfaces attached to the mast and extending substantially the length of the mast in the longitudinal direction thereof; a carriage which is guided on the guide surfaces in the main direction of the mast on an outer side thereof; a drill motor for rotating the drill string, the drill motor being fastened to the slide and the axis of rotation of the drill motor being parallel to the longitudinal direction of the mast; and at least a pair of feed motors mounted on the carriage and mesh with one of the racks via a pinion.
  • a drilling device with this structure and the drill motor on a slide works according to the Topdrive principle.
  • the feed motors and the pinions can apply longitudinal forces to the drill motor and thus to the drill string. This eliminates the need for a superstructure to accommodate the suspension device. Long cables running from the top of the mast and under tension are also eliminated, which contributes to the operational and accident safety of the system and to a reduction in the space required.
  • a gear mechanism is preferably provided between the feed motors and the pinions. As a result, the output torque of the feed motors can be adapted to requirements, in particular increased.
  • a holding brake is preferably provided between the feed motors and the pinions. In this way, a targeted braking torque can be applied to the output shaft of the feed motors.
  • the drill motor and the feed motors can be electric motors or hydraulic motors.
  • the holding brakes are preferably hydraulic in this case Multi-disc brakes, which are determined by a pretensioning force in the depressurized state and released by applying hydraulic pressure.
  • Multi-disc brakes which are determined by a pretensioning force in the depressurized state and released by applying hydraulic pressure.
  • the mast with the toothed racks and guide surfaces preferably consists of at least two modules or sections arranged one behind the other in the longitudinal direction, and the individual modules have means for centering and connecting to one another.
  • the mast can be delivered in several, preferably two, pre-assembled sections to the drilling site and assembled there aligned to one another.
  • the length of the modules can be adapted to the internal dimensions of a standard container, thereby avoiding special transports.
  • the mast is preferably pivotally mounted at its lower end toward the side facing away from the slide and is supported by struts, the struts being located on the side of the mast facing away from the slide.
  • the struts allow the partially considerable moments that are conducted into the mast via the drill string and the drill motor of the lateral arrangement of the slide as tensile and compressive forces. They are located on one side of the mast where they cannot interfere with the carriage's movements.
  • the struts preferably each have a length change device for changing the length of the struts.
  • the length change device can have a cylinder.
  • the device preferably has an erection device for erecting the mast.
  • the erecting device can have a cylinder. With the erection device, the mast can be brought from an essentially horizontal position into its working position and vice versa. This quasi self-erecting property of the mast means that there is no need to erect it with a crane, which represents considerable effort and a potential risk of accident.
  • the device preferably has a breaking and countering device for boring bars, casing and accessories provided on the drilling mast.
  • the breaking and countering device can be moved on the entire mast in its main direction independently of the feed slide.
  • the breaking and locking device is used to screw and loosen segments with and from each other and with and from the chuck.
  • a cable winch is preferably pivotally attached to the side of the drilling mast. This enables loads to be lifted independently of the sled.
  • the mast and the struts are preferably mounted on a platform which has a self-supporting base frame.
  • At least two, in particular three, pairs of feed motors are preferably provided. Basically, two bearing points are required to absorb moments, each of which can absorb forces in opposite directions. In the case of a running rail / running wheel or toothed rail / gear wheel, which only absorb vertical bearing forces in the direction of pressure, this means that two pairs of wheels must be provided for each torque level. It is therefore advisable to distribute the driving force of the gearwheels over two pairs that are already present. An additional, third pair of driven gear wheels and thus feed motors serves for redundancy and better metering of the driving forces.
  • the device preferably has an energy supply unit and a control station, which are provided separately from one another and at a certain distance from the drilling axis in a container construction. Thanks to the container design, the drive unit and control station can be pre-assembled in the factory and transported to the drilling site using standard container transports. They are also protected from external influences and can be placed in a suitable location depending on the circumstances.
  • Brief description of the drawings 1 shows a side view of a drilling device according to the present invention.
  • FIG. 2 shows a front view of the drilling device from FIG. 1.
  • FIG. 3 shows a side view of the drilling device of Fig. 1 in an inclined position.
  • FIG. 4 shows an overall side view of a drilling system with the drilling device from FIG. 1 and additionally provided devices.
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of a suspension device according to the prior art.
  • FIG. 6 shows a side view of a central region of a turntable arrangement according to the prior art in partial section.
  • FIG. 7 shows a perspective illustration of a top drive arrangement according to the prior art.
  • FIG 8 shows a side view of a drilling device with a tilting mast according to the prior art.
  • the drilling device essentially consists of a drilling mast 1, a feed carriage 2 movable thereon and a platform 3.
  • the platform 3 is designed as a self-supporting welded steel structure, the so-called base frame 31, and has a pivot bearing 32 approximately in the middle, in the area of the rear corners two support bearings 33 and an additional bearing point 34 in between.
  • the drilling mast 1 is pivotably mounted on the base frame 31 in the pivot bearing 32 and is braced in the pivoting direction via two struts 6, which are supported in the support bearings 33 and are fastened in a bearing point 12 on both sides of the drilling mast 1.
  • the drilling mast 1 is fixed by the struts 6 in a vertical orientation, ie perpendicular to the surface of the earth.
  • the length of the strut 6 can be changed to a certain extent via a deflection cylinder 61 arranged in the strut 6, so that angular deviations of the drilling mast 1 from the vertical are possible. This makes the borehole accessible for various tasks, such as handling a crane.
  • the drilling mast 1 can be moved from a substantially horizontal position into the vertical working position via a lifting cylinder 7, which is supported in the bearing point 34 on the base frame 31 and in a further bearing point 15 on the drilling mast 1. This makes it easy to erect and lower the drilling mast 1 for assembly, disassembly, Maintenance and repair possible.
  • the lifting cylinder 7 can also be omitted if the drilling mast 1 is set up with a crane.
  • the drilling mast 1 is also a welded steel structure with an elongated box shape.
  • the drilling mast 1 is produced in the form shown in two modules, namely a lower mast 11a and an upper mast 11b.
  • the lower mast 11a and the upper mast 11b are connected in alignment with one another by suitable centering and connecting means 19.
  • the centering and connecting means 19 can, for example, be flanges provided on opposite end faces of the upper mast 11a and the lower mast 11b, which are aligned via centering bolts and firmly but releasably connected to one another by means of screws and nuts.
  • the individual modules have a size that is adapted to the loading space of a standard container.
  • the modular construction on the one hand minimizes the assembly time on the construction site, but on the other hand no special transports of the entire pre-assembled mast are necessary, but the transport is limited to standard transports. Furthermore, all structural components for supporting the construction are located on the rear side of the drilling mast 1. As a result, the front of the drilling mast 1 is free of any supports.
  • two toothed racks 14 extend over the entire length of the drilling mast 1, as shown in FIGS. 1 and 2.
  • the racks 14 are secured by suitable fasteners such as screws or Welding associated with the drilling mast.
  • the racks 14 are divided in the length of the modules 11a, 11b of the drilling mast 1 and are preassembled before delivery.
  • guide rails 13 extend over the entire length of the drilling mast 1.
  • the guide rails 13 are likewise connected and divided to the drilling mast 1 or the toothed racks 14 by suitable fastening means such as screws or welding. They are also divided in the length of the modules 11a, 11b of the drilling mast 1 and are preassembled before delivery.
  • the toothed racks 14 are each located on the lateral surfaces of the drilling mast 1, and one of the guide rails 13 is located behind the toothed rack 14. It goes without saying that various arrangements in technology, Combinations and geometries of racks and guide rails are known that can be used.
  • the feed carriage 2 is supported forwards and backwards in the running surfaces of the guide rails 13 by means of attached rollers, not shown, and is thus displaceably mounted in the main direction or in the longitudinal direction of the drilling mast 1, that is to say upwards and downwards.
  • the travel movement of the feed carriage 2 and the lateral support against the drilling mast 1 is carried out by toothed wheels or pinions 24 engaging in the toothed racks 14, which in turn are driven by feed motors 21 mounted on the feed carriage 2.
  • the feed motors 21 are designed as hydraulic motors in the preferred embodiment. These are sufficiently safe in potentially explosive drilling projects. In a non-hazardous environment, electric motors can also be used as feed motors.
  • the feed motors 21 are arranged in pairs. In the preferred embodiment, three pairs of feed motors 21 (and thus pinions 24) are provided, but there may also be more or fewer pairs. For reasons of stability, however, there should be at least two pairs of pinions 24, one of which can theoretically be without a drive. For reasons of redundancy and controllability, however, all pinions should preferably be driven.
  • the holding brakes 23 are designed as multi-disc brakes which block under spring preload and can be released by applying hydraulic pressure.
  • the feed carriage can deliver 2 compressive and tensile forces both at a standstill and in motion. Furthermore, due to the construction described above with guide rails / rollers and toothed racks / pinions, the drilling mast 1 can absorb all the tensile and compressive forces, bending and torsional moments and transverse forces occurring on the feed carriage 2 and dissipate them into the platform 3.
  • the drill motor 25 is in the preferred one Embodiment designed as a hydraulic motor and thus has sufficient safety on explosion-prone drilling projects. In a non-hazardous area, an electric motor can also be used as a drill motor 25.
  • a chuck 26 for receiving the drill string (not shown in more detail) is fastened to the drill motor 25.
  • the drilling device of the present invention is thus constructed according to the top drive principle, in which the drill motor is always located at the upper end of the uppermost rod of the drill string.
  • all longitudinal forces are caused by the feed motors 21 and the rack 14 applied. This eliminates the entire superstructure, which ultimately only serves to take up the deflection roller, the pulley block and the hook and to take up the excess part of its weight plus that of the drill motor 25 and the drill string including the drilling tool.
  • a breaking and countering device 83 for boring bars, casings and accessories is also installed, which can be moved on the entire drilling mast, independently of the feed carriage 2.
  • a pivotable cable winch 84 is attached to the side of the drilling mast. This makes it easy to handle loads. As stated above, certain angular deviations of the drilling mast from the vertical are possible via deflection cylinders 61 arranged in the struts 6. This means that the drilling mast can be tilted away, for example when working on the borehole, which is not possible with conventional drilling towers.
  • the drilling mast 1 can be used in any inclination to the surface. This is made possible by the use of supports of different lengths. This opens up completely new areas of application for a drilling device designed for a vertical bore. For example, deposits located under a settlement or other areas that are inaccessible, such as mountains, can be reached by first drilling at an angle and later directing the hole vertically if necessary.
  • the cable winch 84 is not used when working at angles other than the vertical.
  • FIG. 3 Such a configuration of the drilling device with a drilling angle of approximately 45 ° is shown in FIG. 3.
  • the base frame 31 is designed to be self-supporting. This enables drilling with or without a cellar and with or without a substructure without modifications.
  • An advantageous substructure which was developed by the applicant of the present invention, forms the subject of the German utility model application entitled "Substructure for a deep drilling platform" (attorney file number B / 22ST0409 / DE) from the same filing date. The disclosure content there is based on Full reference is made within the scope of the present application.
  • FIG. 4 shows a side view of an overall system with the drilling device according to the present invention.
  • the energy supply is provided by a hydraulic unit 81 provided in a container construction.
  • the control station 82 is also housed in a container.
  • the containers for hydraulic unit 81 and steering position 82 are arranged outside of platform 3. This means that an optimal distance from the borehole can always be maintained.
  • Hydraulic energy is supplied from the hydraulic unit 81 to the drill motor 25 and the feed motors 21 via hydraulic lines 85 (see FIG. 2) which are guided in articulated chains 86 in the upper region of the drilling mast 1.
  • the height is reduced by eliminating the hook, pulley block, deflection roller and superstructure. Therefore, the minimum clearances required for buildings and traffic routes as well as for containers and peripheral plant components can be reduced.
  • the drilling site required is becoming smaller and noise emissions can be reduced.
  • the desired contact pressure can be provided at any time by the combination of Topdrive and motor feed. So you can start with the one you need Contact pressure can be drilled without having to use drill collars or even to install additional devices. When reaching a depth at which the weight of the drill string is sufficient to ensure the required contact pressure, the excess weight can be absorbed by the feed motors. Directed bores can be carried out regardless of contact pressure losses due to skin friction.
  • the drilling axis in the drilling device according to the present invention is freely accessible. This simplifies the handling of the individual segments of the drill string outside the borehole, for example in a pipe store, is enormous.
  • a new type of automated tube or rod bearing which was developed by the applicant of the present invention, forms the subject of the German utility model application entitled "Tube or rod bearing for a drilling rig" (attorney file number B / 22ST0411 / DE) from the same filing date. The content of the disclosure there is referred to in full in the context of the present application.
  • Newer drilling methods such as casing drilling near the surface, are readily possible with the drilling device of the present invention.
  • the assembly and dismantling time of the drilling rig and the transportation costs and transportation times are due to the modular construction of the drilling device, in particular of the drilling mast 1, the self-erecting ability of the drilling mast 1 by means of the lifting cylinder 7 and the compact, preassembled configuration of the entire complex of drill drive 25 and feed 21, 22, 23, 24 on a single carriage 2 are particularly low. Due to the comparatively small peripheral technology and the overall compact design, not many transports are necessary when changing construction sites, which can also be limited to transports with standard containers. Overall, the drilling site is inexpensive, so that even smaller deposits can be developed economically.

Abstract

The invention relates to a device for the production of essentially vertical bores in geological layers by means of a drilling tool and a drill train consisting of a plurality of segments, having the following characteristics: a vertically mounted drilling mast (1); at least one pair of toothed racks (14) which are arranged on the drilling mast (1) and guiding surfaces (13) which extend in a parallel manner in relation to each other essentially over the length of the drilling mast (1) in the longitudinal direction thereof, said surfaces being disposed on the drilling mast (1) and extending, essentially over the length of the drilling mast (1) in the longitudinal direction thereof; a carriage (2) which is guided on the guiding surface (13) and can be displaced on an external side thereof in the longitudinal direction of the drilling mast (1); a drill motor (25) which is used to rotate the drill train, whereby the drill motor (25) is secured to the carriage (2) and the rotational axis of the drill motor (25) is parallel in relation to the longitudinal direction of the drilling mast (1); and at least one pair of feed motors (21) which are secured to the slide (2) and are engaged with one of the toothed racks (14) by means of a respective pinion (24).

Description

VORRICHTUNG ZUM HERSTELLEN VON TIEFBOHRUNGEN IN GEOLOGISCHEN STRUKTUREN DEVICE FOR PRODUCING DEEP HOLES IN GEOLOGICAL STRUCTURES
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Bohrvorrichtung. Genauer gesagt, bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung zum Herstellen von im wesentlichen Tiefbohrungen in geologischen Strukturen und Schichten. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung zum Herstellen von Vertikalbohrungen zur Erschließung von Lagerstätten. Hierbei umfaßt der Begriff "Lagerstätte" allgemein ein Vorkommen eines Stoffs flüssiger, gasförmiger oder fester Form oder energe- tisch nutzbarer Verhältnisse in geologischen Schichten, insbesondere Erdöl, Erdgas und geothermische Energie.The present invention relates to a drilling device. More specifically, the present invention relates to an apparatus for making substantially deep holes in geological structures and layers. In particular, the present invention relates to a device for producing vertical bores for developing deposits. Here, the term “deposit” generally encompasses an occurrence of a substance in liquid, gaseous or solid form or energetically usable conditions in geological layers, in particular petroleum, natural gas and geothermal energy.
Stand der Technik Vertikalbohrungen zur Exploration von Öl- und Gasfeldern sowie für Geothermieprojekte in Tiefen bis zu 9000 m werden heutzutage mit Stahlbohrgerüsten (Bohrtürmen) durchgeführt. Obwohl die verschiedensten konstruktiven Ausgestaltungen existieren, ist deren Funktionsweise grund- sätzlich immer gleich. Ein Bohrwerkzeug (der Bohrkopf) ist mit einem oberhalb der Erdoberfläche angeordneten Drehantrieb durch einen Bohrstrang verbunden. Der Bohrstrang besteht aus zusammengeschraubten Standardstangen und Sondereinheiten wie Schwerstangen, nichtmagnetischen Stangen, Zentriereinheiten, Spülungsmotoren etc., die je nach Bedarf eingesetzt werden. Insbesondere werden eine Vielzahl von Standardstangen je nach Bohrfortschritt nach und nach aneinandergefügt .State of the art Today vertical drilling for the exploration of oil and gas fields as well as for geothermal projects at depths of up to 9000 m are carried out with steel drilling rigs (drilling towers). Although the most varied of structural designs exist, their mode of operation is always the same. A drilling tool (the drilling head) is connected to a rotary drive arranged above the surface of the earth by a drill string. The drill string consists of standard rods screwed together and special units such as drill rods, non-magnetic rods, centering units, flushing motors, etc., which are used as required. In particular, a variety of Standard rods are gradually joined together depending on the drilling progress.
Beim Bohren wird eine definierte Auflast auf das Bohr- Werkzeug benötigt, um einen guten Bohrfortschritt zu erzeugen, aber gleichzeitig darf das Bohrwerkzeug nicht überlastet werden. Dazu wird das Eigengewicht des Bohrstranges als Auflast genutzt und das überschüssige Gewicht in einer Abhängevorrichtung abgefangen und geführt. Eine Abhängevor- richtung 90 nach dem Stand der Technik ist in Fi . 5 gezeigt. Demgemäß wird der Bohrstrang gehalten über einen Haken 901, der über einen aus einer Oberflasche 904, einer Unterflasche 902, dem Fahrseil 903a und dem Zugseil 903b aufgebauten Flaschenzug mit einer Seilwinde 905a mit inte- grierter Bremse 905b, dem sogenannten Hebewerk 905, verbunden ist. Nach der anderen Seite der Oberflasche 904 ist ein Totseil 903c mit einer Reserveseiltrommel 906 verbunden. Über diesen Aufbau (die Hebevorrichtung) wird das Gewicht von Bohrstrang und Bohrwerkzeug aufgefangen.When drilling, a defined load on the drilling tool is required to make good drilling progress, but at the same time the drilling tool must not be overloaded. For this purpose, the dead weight of the drill string is used as a load and the excess weight is intercepted and guided in a suspension device. A prior art hanger 90 is shown in FIG. 5 shown. Accordingly, the drill string is held by means of a hook 901, which is connected to a cable winch 905a with an integrated brake 905b, the so-called hoist 905, by means of a block and tackle constructed from an upper block 904, a lower block 902, the driving cable 903a and the pulling cable 903b. On the other side of the upper bottle 904, a dead rope 903c is connected to a reserve rope drum 906. The weight of the drill string and drilling tool is absorbed by this structure (the lifting device).
Zur Übertragung der Drehbewegung sind herkömmlicherweise im wesentlichen zwei Grundprinzipien bekannt. In einer ersten bekannten Anordnung, die in Fig. 6 beispielhaft dargestellt ist, wird die Drehbewegung über Mitnehmer- stangen 701, sogenanne Kellystangen, die einen polygonalen (hier quadratischen) Querschnitt aufweisen, von einem Drehtisch 703 mittels eines Verbindungsstücks 702, das in den Drehtisch 703 mittels Mitnehmerstiften einrastet und welches die Kellystange 701 axial verschiebbar lagert und in Drehrichtung formschlüssig ergreift, auf den Bohrstrang 709 übertragen. Die Kellystange 701 ist in der Abhängevorrichtung 90 von Fig. 5 eingehängt und drehbar gelagert. Eine andere Lösung des Stands der Technik ist in Fig. 7 gezeigt. Hierbei handelt es sich um einen sogenannten Topdrive 80, bei welchem die Drehbewegung von einem Drehmotor 801, der ebenfalls an der oben genannten Hebekonstruktion 90 hängt, über ein Einspannfutter 802 auf den Bohrstrang übertragen wird. Das Gegenmoment wird dabei über einen Fahrschlitten 803 auf mit dem Bohrturm fest verbundene Schienen 804 aufgenommen.Conventionally, essentially two basic principles are known for transmitting the rotary movement. In a first known arrangement, which is shown by way of example in FIG. 6, the rotary movement via driver rods 701, so-called Kelly rods, which have a polygonal (here square) cross section, is carried out by a rotary table 703 by means of a connecting piece 702 which is in the rotary table 703 engages with driver pins and which supports the Kelly bar 701 axially displaceably and grips positively in the direction of rotation, transferred to the drill string 709. The Kelly rod 701 is suspended in the suspension device 90 from FIG. 5 and rotatably mounted. Another prior art solution is shown in FIG. 7. This is a so-called top drive 80, in which the rotary movement is transmitted from a rotary motor 801, which also hangs on the above-mentioned lifting structure 90, to the drill string via a chuck 802. The counter torque is recorded via a carriage 803 on rails 804 which are firmly connected to the derrick.
Gerichtete Bohrungen werden durch steuerbare Bohrwerkzeuge ermöglicht, soweit es der minimale Gestänge- bzw. Verrohrungsradius und die zur Verfügung stehende Auflast aus dem Eigengewicht des Stranges zulassen.Directional drilling is made possible by controllable drilling tools, provided that the minimum rod or pipe radius and the available load from the weight of the string allow.
Die Bohrungen werden abschließend mit verschraubten Casingen verrohrt und zum Gebirge hin zementiert. Diese Casingrohrtouren werden auch über die Hubflaschen- und Windenkonstruktion 90 eingebaut.The holes are then cased with screwed casings and cemented towards the mountains. These casing tube tours are also installed via the lifting bottle and winch construction 90.
Der Stand der Technik, wie er oben beschrieben ist, wirft in der Praxis die nachstehenden Probleme auf.The prior art as described above poses the following problems in practice.
Durch die starre Oberflasche mit Lagerbock, die beweg- liehe Unterflasche, die drehbare Hakenlagerung, den Haken, die Anschlagmittel und evtl. den angehängten Top-Drive wird eine große Bauhöhe benötigt.Due to the rigid upper block with bearing block, the movable lower block, the rotatable hook bearing, the hook, the lifting gear and possibly the attached top drive, a large overall height is required.
Durch die große Bauhöhe kann nicht nahe an Gebäuden oder in Ortschaften gebohrt werden, da Mindestabstände inDue to the large construction height, it is not possible to drill close to buildings or in towns, as minimum distances in
Abhängigkeit von der Bauhöhe der Anlage vorgeschrieben sind. Bei Geothermieprojekten wirkt sich dies besonders nachteilig aus, da die Nähe zu Ortschaften einen entscheidenden Faktor zur Wirtschaftlichkeit darstellt. Darüber hinaus sind auch auf dem Bohrplatz Mindestabstände von Containern und Anlagen zum Bohrturm in Abhängigkeit von dessen Höhe einzuhalten (der sogenannte Kippradius) , so daß der Bohrplatz relativ groß angelegt werden muß.Depending on the overall height of the system. This has a particular impact on geothermal projects disadvantageous, since the proximity to localities is a decisive factor for profitability. In addition, minimum distances from containers and systems to the drilling rig depending on its height must be maintained at the drilling site (the so-called tipping radius), so that the drilling site must be relatively large.
Zudem trägt, bedingt durch die große Bauhöhe, dieIn addition, due to the large overall height, the
Lärmemission der oberen Bauteile sehr weit. Auch dies ist in oder in der Nähe von bewohnten Gebieten oft unerwünscht.Noise emission from the upper components very far. This is also often undesirable in or near inhabited areas.
Aus dem allgemein bekannten, seit Jahrzehnten angewendeten Prinzip einer Vertikalbohrung ergibt sich noch ein weiteres Problem. So ist der Anpreßdruck auf das Bohrwerk- zeug allein von dessen Eigengewicht, dem Gewicht des Bohrstrangs und ggf. des Topdrives sowie dem Eigengewicht der Aufhängevorrichtung bestimmt. Ein Zuviel an Gewicht kann durch die Hebevorrichtung kompensiert werden, aber hiermit kann auf den Bohrstrang kein Druck ausgeübt werden.Another problem arises from the well-known principle of vertical drilling, which has been used for decades. The contact pressure on the drilling tool is determined solely by its own weight, the weight of the drill string and possibly the top drive, and the own weight of the suspension device. Too much weight can be compensated for by the lifting device, but this cannot exert any pressure on the drill string.
Dadurch muß z.B. für die ersten ca. 200 m eine andere Bohrtechnik installiert werden (z.B. Lufthebeverfahren), oder der Bohrfortschritt bleibt weit hinter der unter optimalem Druck auf das Bohrwerkzeug möglichen Leistung zurück. Auch der gerichteten Bohrung sind dadurch Grenzen gesetzt, da z.B. beim Übergang in die Horizontale die Mantelreibung am Strang kontinuierlich ansteigt und bei längeren horizontalen Abschnitten irgendwann der Punkt erreicht ist, an dem das Eigengewicht aus dem vertikalen Bohrungsabschnitt für einen Vortrieb nicht mehr ausreicht. Daher ist auch die Erstellung eines durchgehenden gerichteten Bohrlochs mit Eintritt und Austritt an der Oberfläche nicht möglich. Ebenso kann in ein unter Druck stehendes, abgeschlossenes Bohrloch ohne Zuhilfenahme von Zusatztechnik nicht eingefahren werden, da beim Einfahren nicht gedrückt werden kann. Das Hebewerk mit dem Zugseil und die Reserveseiltrommel mit dem Totseil werden entweder von der Spitze des Bohrmasts nach außen geführt oder im Inneren eines Bohrturms angeordnet. Diese Anordnung von Seiltrommeln, Umlenkrollen und Seilen erfordert einerseits einen nicht un- erheblichen Stellplatz. Die unter wechselnder, teilweise sehr hoher Zugspannung stehenden und bewegten Seile stellen eine nicht unerhebliche Störquelle und Unfallgefahr dar.This means that, for example, a different drilling technique must be installed for the first approx. 200 m (eg air lifting method), or the drilling progress remains far behind the performance possible under optimal pressure on the drilling tool. There are also limits to the directional drilling, since, for example, the skin friction on the strand rises continuously during the transition to the horizontal, and at longer horizontal sections the point at which the dead weight from the vertical drilling section is no longer sufficient for propulsion is reached. Therefore, it is not possible to create a continuous, directed borehole with entry and exit on the surface. As well cannot be driven into a pressurized, closed borehole without the aid of additional technology, since it cannot be pressed when driving in. The hoist with the pull rope and the reserve rope drum with the dead rope are either led outwards from the top of the drilling mast or arranged inside a drilling tower. This arrangement of rope drums, deflection rollers and ropes on the one hand requires a not insignificant parking space. The ropes, which are subject to changing and sometimes very high tensile stress, are a considerable source of interference and a risk of accidents.
Schließlich ergeben sich aus der Bauform herkömmlicher Bohrtürme einige Nachteile. So ist z.B. ein schräges Einstechen in die Oberfläche nicht möglich.Finally, there are some disadvantages to the design of conventional drilling rigs. For example, oblique piercing into the surface is not possible.
Neuere Bohrverfahren, wie z.B das Casingbohren, sind im oberflächennahen Bereich mit der herkömmlichen Technik nicht möglich.Newer drilling methods, such as casing drilling, are not possible with conventional technology near the surface.
Schließlich ist die Auf- und Abbauzeit der Bohranlagen groß. Auch sind sehr viele Transporte bei einem Baustellenwechsel notwendig. Aufgrund des hohen technischen Aufwandes sind die Bohrungen teuer; kleinere Lagerstätten können damit nicht wirtschaftlich erschlossen werden. Die benötigte Fläche zum Auf- und Abbau ist entweder sehr groß oder man braucht sehr große Kräne. In Fig. 8 ist beispielhaft ein Klappmast nach dem Stand der Technik dargestellt, der eine Gesamthöhe von fast 45 m hat. Außerdem weist der Mast nach Fig. 8 die bekannte geschlossenen Mastkonstruktionen auf, bei welcher der Bohrstrang und die gesamte Antriebs- und Abhängetechnik im Inneren einer ringsum geschlossenen Stahlfachwerkkonstruktion angeordnet ist. Dies beschränkt die Zugänglichkeit zur Bohrachse, was sich negativ auf die Möglichkeiten zum Pipehandling, also zur Handhabung der einzelnen Segmente des Bohrstrang außerhalb des Bohrlochs, auswirkt. Die Segmente des Bohrstrangs müssen sozusagen von unten "eingefädelt" werden, um in den Bohrstrang eingebaut werden zu können. Zusammenfassung der ErfindungAfter all, the assembly and disassembly time for the drilling rigs is long. A lot of transports are also necessary when changing construction sites. Because of the high technical effort, the holes are expensive; this means that smaller deposits cannot be developed economically. The space required for assembly and disassembly is either very large or you need very large cranes. In Fig. 8 a folding mast according to the prior art is shown as an example, which has a total height of almost 45 m. In addition, the mast according to FIG. 8 has the known closed mast constructions, in which the drill string and the entire drive and Suspension technology is arranged inside a completely closed steel framework construction. This limits the accessibility to the drill axis, which has a negative effect on the possibilities for pipe handling, that is to say for handling the individual segments of the drill string outside the borehole. The segments of the drill string must be "threaded" from below, so to speak, in order to be installed in the drill string. Summary of the invention
Es ist die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorstehenden Nachteile des Stands der Technik zu überwinden.It is the main object of the present invention to overcome the above disadvantages of the prior art.
Das heißt, eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Herstellen von Vertikalbohrungen bereitzustellen, die in der Nähe von Ortschaften, ja sogar innerhalb von Ortschaften verwendet werden kann, deren Lärmemission im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen reduziert ist, die in der Lage ist, unabhängig vom Eigengewicht des Bohrstrangs ohne wesentliche Umbauten und Zusatzaggregate und Bauteile den optimalen Anpreßdruck auf den Bohrstrang bzw. das Bohrwerkzeug auszuüben sowie ohne wesentliche Zusatztechnik in ein unter Druck stehendes Bohrloch einzufahren und beliebige Bohrlochgeometrien einschließlich Kurven und ansteigenden Abschnitten zu bohren, die im Hinblick auf Transport, Aufbau und Abbau im Vergleich zu herkömmlichen Vorrichtungen geringere Kosten ver- ursacht und die insgesamt eine geringe Aufbaufläche benötigt. Eine sich hieraus ergebende Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung zum Herstellen von Vertikalbohrungen bereitzustellen, die eine geringere Bauhöhe als herkömmliche Vorrichtungen aufweist und in der Lage ist, eigenständig einen Druck auf den Bohrstrang auszuüben.That is, an object of the present invention is to provide an apparatus for producing vertical bores which can be used in the vicinity of, and even within, an urban environment, the noise emission of which is reduced compared to known apparatus, which is capable of , regardless of the dead weight of the drill string without significant modifications and additional units and components, to exert the optimal contact pressure on the drill string or the drilling tool, as well as to drive into a pressurized borehole without essential additional technology and to drill any borehole geometries including curves and rising sections with a view to Transport, assembly and disassembly causes lower costs in comparison to conventional devices and which overall requires a small assembly area. A resultant task is to provide a device for producing vertical bores, which has a lower overall height than conventional devices and is capable of independently exerting pressure on the drill string.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vertikalbohranlage in ihrem Aufbau zu vereinfachen und sicherer zu machen.Another object of the present invention is to simplify the construction of a vertical drilling rig and to make it safer.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung bilden den Gegenstand der Unteransprüche .The object is achieved by the features of claim 1. Advantageous embodiments and developments of the invention form the subject of the subclaims.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Vorrichtung zum Herstellen von im Wesentlichen vertikalen Bohrungen in geologischen Schichten mittels eines Bohrwerkzeugs und eines aus einer Mehrzahl von Segmenten bestehenden Bohrstrangs auf: einen vertikal aufgerichteten Mast; ein Paar von Zahnstangen, die an dem Mast angebracht sind und sich parallel zueinander im Wesentlichen über die Länge des Mastes in dessen Längsrichtung erstrecken; Führungsflächen, die an dem Mast angebracht sind und sich im Wesentlichen über die Länge des Mastes in dessen Längsrichtung erstrecken; einen Schlitten, der an den Führungsflächen geführt in der Hauptrichtung des Mastes an einer Außenseite desselben verschiebbar ist; einen Drillmotor zum Drehen des Bohrstrangs, wobei der Drillmotor auf dem Schlitten be- festigt ist und die Drehachse des Drillmotors zu der Längsrichtung des Mastes parallel ist; und wenigstens ein Paar von Vorschubmotoren, die auf dem Schlitten befestigt sind und über jeweils ein Ritzel mit einer der Zahnstangen im Eingriff stehen.According to the present invention, the device for producing substantially vertical bores in geological layers by means of a drilling tool and a drill string consisting of a plurality of segments comprises: a vertically erected mast; a pair of racks attached to the mast and extending parallel to each other substantially the length of the mast in the longitudinal direction thereof; Guide surfaces attached to the mast and extending substantially the length of the mast in the longitudinal direction thereof; a carriage which is guided on the guide surfaces in the main direction of the mast on an outer side thereof; a drill motor for rotating the drill string, the drill motor being fastened to the slide and the axis of rotation of the drill motor being parallel to the longitudinal direction of the mast; and at least a pair of feed motors mounted on the carriage and mesh with one of the racks via a pinion.
Eine Bohrvorrichtung mit diesem Aufbau und dem Drill- motor auf einem Schlitten arbeitet nach dem Topdrive- Prinzip. Zusätzlich dazu können durch die Vorschubmotoren und die Ritzel Längskräfte auf den Drillmotor und damit auf den Bohrstrang aufgebracht werden. Dadurch entfällt ein Überbau zur Aufnahme der Abhängevorrichtung. Auch entfallen lange, von der Spitze des Masts aus verlaufende und unter Spannung stehende Seile, was zur Betriebs- und Unfallsicherheit der Anlage und zur Verringerung der benötigten Stellfläche beiträgt. Vorzugsweise ist zwischen den Vorschubmotoren und den Ritzeln jeweils ein Getriebe vorgesehen. Hierdurch kann das Abtriebsmoment der Vorschubmotoren den Erfordernissen angepaßt, insbesondere erhöht werden. Vorzugsweise ist zwischen den Vorschubmototoren und den Ritzeln jeweils eine Haltebremse vorgesehen. Hierdurch kann ein gezieltes Bremsmoment auf die Abtriebswelle der Vorschubmotoren aufgebracht werden. Der Drillmotor und die Vorschubmotoren können Elektromotoren oder Hydraulikmotoren sein. Bei der Exploration von Öl- und Gasfeldern und wenn während einer Bohrung mit solchen Feldern gerechnet werden muß, sind aus Explosionsschutzgründen elektrische Geräte von dem direkten Bereich des Bohrlochs fernzuhalten, weshalb in solchen Situationen vorzugsweise Hydraulikgeräte eingesetzt werden. Daher sind die Haltebremsen in diesem Fall vorzugsweise hydraulische Lamellenbremsen, die im drucklosen Zustand durch eine Vorspannkraft festgestellt sind und durch Anlegen eines hydraulischen Drucks lösen. In weniger explosionsgefährdeten Situationen kann es vorteilhaft sein, Elektromotoren einzu- setzen, da diese eine einfachere Steuerung, eine geringere Geräuschentwicklung und ein insgesamt saubereres Arbeitsumfeld aufweisen.A drilling device with this structure and the drill motor on a slide works according to the Topdrive principle. In addition, the feed motors and the pinions can apply longitudinal forces to the drill motor and thus to the drill string. This eliminates the need for a superstructure to accommodate the suspension device. Long cables running from the top of the mast and under tension are also eliminated, which contributes to the operational and accident safety of the system and to a reduction in the space required. A gear mechanism is preferably provided between the feed motors and the pinions. As a result, the output torque of the feed motors can be adapted to requirements, in particular increased. A holding brake is preferably provided between the feed motors and the pinions. In this way, a targeted braking torque can be applied to the output shaft of the feed motors. The drill motor and the feed motors can be electric motors or hydraulic motors. When exploring oil and gas fields and when such fields must be expected during a drilling operation, electrical devices must be kept away from the direct area of the borehole for reasons of explosion protection, which is why hydraulic devices are preferably used in such situations. Therefore, the holding brakes are preferably hydraulic in this case Multi-disc brakes, which are determined by a pretensioning force in the depressurized state and released by applying hydraulic pressure. In less explosive situations, it can be advantageous to use electric motors, as they have a simpler control system, less noise and an overall cleaner working environment.
Vorzugsweise besteht der Mast mit den Zahnstangen und Führungsflächen aus wenigstens zwei in Längsrichtung hintereinander angeordneten Modulen oder Teilstücken, und die einzelnen Module weisen Mittel zum Zentrieren und Verbinden miteinander auf. Mit dieser modularen Bauweise kann der Mast in mehreren, vorzugsweise zwei Teilstücken fertig vorkonfektioniert am Bohrplatz angeliefert und dort aneinander ausgerichtet zusammengesetzt werden. Die Module können in ihrer Länge dem ϊnnenmaß eines Standardcontainers angepaßt werden, wo- durch Spezialtransporte vermieden werden.The mast with the toothed racks and guide surfaces preferably consists of at least two modules or sections arranged one behind the other in the longitudinal direction, and the individual modules have means for centering and connecting to one another. With this modular design, the mast can be delivered in several, preferably two, pre-assembled sections to the drilling site and assembled there aligned to one another. The length of the modules can be adapted to the internal dimensions of a standard container, thereby avoiding special transports.
Vorzugsweise ist der Mast an seinem unteren Ende nach der dem Schlitten abgewandten Seite hin schwenkbar gelagert und durch Streben abgestützt, wobei sich die Streben auf der dem Schlitten abgewandten Seite des Mastes befinden. Die Streben erlauben eine Ableitung der teilweise erheblichen Momente, die über den Bohrstrang und den Drillmotor der seitlichen Anordnung des Schlittens in den Mast geleitet werden, als Zug- und Druckkräfte. Sie befinden sich auf einer Seite des Masts, wo sie die Bewegungen des Schlittens nicht stören können. Vorzugsweise weisen die Streben jeweils eine Längenänderungseinrichtung zur Änderung der Länge der Streben auf. Die Längenänderungseinrichtung kann einen Zylinder aufweisen. Hierdurch kann der Mast in gewissem Maße aus seiner vertikalen Lage ausgeschwenkt werden, wodurch das Bohrloch für Manipulationen z.B. mit einem Kran zugänglich wird.The mast is preferably pivotally mounted at its lower end toward the side facing away from the slide and is supported by struts, the struts being located on the side of the mast facing away from the slide. The struts allow the partially considerable moments that are conducted into the mast via the drill string and the drill motor of the lateral arrangement of the slide as tensile and compressive forces. They are located on one side of the mast where they cannot interfere with the carriage's movements. The struts preferably each have a length change device for changing the length of the struts. The length change device can have a cylinder. As a result, the mast can be pivoted out of its vertical position to a certain extent, making the borehole accessible for manipulation, for example with a crane.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung eine Aufrichtein- richtung zum Aufrichten des Masts auf. Die Aufrichteinrich- tung kann einen Zylinder aufweisen. Mit der Aufrichtein- richtung kann der Mast von einer im Wesentlichen horizontalen Lage in seine Arbeitslage gebracht und umgekehrt wieder abgesenkt werden. Durch diese quasi selbstaufrichtende Ei- genschaft des Masts erübrigt sich eine Aufrichtung mit einem Kran, die einen erheblichen Aufwand und eine potentielle Unfallgefahr darstellt.The device preferably has an erection device for erecting the mast. The erecting device can have a cylinder. With the erection device, the mast can be brought from an essentially horizontal position into its working position and vice versa. This quasi self-erecting property of the mast means that there is no need to erect it with a crane, which represents considerable effort and a potential risk of accident.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung eine am Bohrmast vorgesehene Brech- und Kontervorrichtung für Bohrstangen, Casinge und Zubehör auf. Die Brech- und Kontervorrichtung kann am gesamten Mast in dessen Hauptrichtung unabhängig von dem Vorschublitten verfahrbar sein. Die Brech- und Kontervorrichtung dient dem Verschrauben und Lösen von Segmen- ten mit- und voneinander und mit und von dem Spannfutter.The device preferably has a breaking and countering device for boring bars, casing and accessories provided on the drilling mast. The breaking and countering device can be moved on the entire mast in its main direction independently of the feed slide. The breaking and locking device is used to screw and loosen segments with and from each other and with and from the chuck.
Vorzugsweise ist seitlich an dem Bohrmast eine Seilwinde schwenkbar angebracht. Damit können Lasten unabhängig von dem Schlitten gehoben werden. Vorzugsweise sind der Mast und die Verstrebungen auf einer Plattform angebracht, die einen selbsttragend ausgeführte Grundrahmen aufweist. Vorzugsweise sind wenigstens zwei, insbesondere drei Paare von Vorschubmotoren vorgesehen. Zur Aufnahme von Momenten sind grundsätzlich zwei Lagerpunkte erforderlich, die jeweils Kräfte in entgegengesetzten Richtungen aufnehmen können. Im Fall von Laufschiene/Laufrad oder Zahn- schiene/Zahnrad, die senkrechte Lagerkräfte jeweils nur in Druckrichtung aufnehmen, bedeutet dies, daß für jede Momentenebene zwei Paare von Rädern vorzusehen sind. Daher bietet es sich an, bei den Zahnrädern auch die Antriebskraft auf zwei ohnehin vorhandene Paare zu verteilen. Ein zusätz- liches, drittes Paar von angetriebenen Zahnrädern und damit Vorschubmotoren dient der Redundanz und besseren Dosierbar- keit der Antriebskräfte.A cable winch is preferably pivotally attached to the side of the drilling mast. This enables loads to be lifted independently of the sled. The mast and the struts are preferably mounted on a platform which has a self-supporting base frame. At least two, in particular three, pairs of feed motors are preferably provided. Basically, two bearing points are required to absorb moments, each of which can absorb forces in opposite directions. In the case of a running rail / running wheel or toothed rail / gear wheel, which only absorb vertical bearing forces in the direction of pressure, this means that two pairs of wheels must be provided for each torque level. It is therefore advisable to distribute the driving force of the gearwheels over two pairs that are already present. An additional, third pair of driven gear wheels and thus feed motors serves for redundancy and better metering of the driving forces.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung ein Energieversor- gungaggregat und einen Steuerstand auf, die getrennt voneinander und in einer bestimmten Entfernung von der Bohrachse in Containerbauweise beigestellt sind. Durch die Containerbauweise können Antriebsaggregat und Steuerstand jeweils im Werk vorkonfektioniert und mit Standardcontai- nertransporten zum Bohrplatz verbracht werden. Sie sind außerdem vor äußeren Einflüssen geschützt und können je nach Gegebenheiten an einem geeigneten Ort aufgestellt werden. Kurze Beschreibung der Zeichnungen Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht einer Bohrvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.The device preferably has an energy supply unit and a control station, which are provided separately from one another and at a certain distance from the drilling axis in a container construction. Thanks to the container design, the drive unit and control station can be pre-assembled in the factory and transported to the drilling site using standard container transports. They are also protected from external influences and can be placed in a suitable location depending on the circumstances. Brief description of the drawings 1 shows a side view of a drilling device according to the present invention.
Fig. 2 zeigt eine Vorderansicht der Bohrvorrichtung von Fig. 1.FIG. 2 shows a front view of the drilling device from FIG. 1.
Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht der Bohrvorrichtung von Fig. 1 in Schrägstellung. Fig. 4 zeigt eine Gesamtseitenansicht einer Bohranlage mit der Bohrvorrichtung von Fig. 1 sowie zusätzlich beigestellten Einrichtungen.Fig. 3 shows a side view of the drilling device of Fig. 1 in an inclined position. FIG. 4 shows an overall side view of a drilling system with the drilling device from FIG. 1 and additionally provided devices.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Ab- hängevorrichtung nach dem Stand der Technik.5 shows a schematic illustration of a suspension device according to the prior art.
Fig. 6 zeigt eine Seitenansicht eines mittleren Bereichs einer Drehtischanordnung nach dem Stand der Technik im Teilschnitt.6 shows a side view of a central region of a turntable arrangement according to the prior art in partial section.
Fig. 7 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Topdrive-Anordnung nach dem Stand der Technik.7 shows a perspective illustration of a top drive arrangement according to the prior art.
Fig. 8 zeigt eine Seitenansicht einer Bohrvorrichtung mit Kippmast nach dem Stand der Technik.8 shows a side view of a drilling device with a tilting mast according to the prior art.
Beschreibung der bevorzugten AusführungsformDescription of the preferred embodiment
Fig. 1 und 2 zeigen eine Bohrvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Seiten- bzw. einer Vorderansicht. Die Bohrvorrichtung besteht im Wesentlichen aus einem Bohrmast 1, einem daran verfahrbaren Vorschubschlitten 2 und einer Plattform 3. Die Plattform 3 ist als selbsttragende geschweißte Stahlkonstruktion, dem sogenannten Grundrahmen 31, ausgeführt und weist etwa in der Mitte ein Schwenklager 32, im Bereich der hinteren Ecken zwei Stützlager 33 sowie einen zusätzlichen Lagerpunkt 34 hier- zwischen auf. Der Bohrmast 1 ist auf dem Grundrahmen 31 in dem Schwenklager 32 schwenkbar gelagert und über zwei Streben 6, die sich in den Stützlagern 33 abstützen und in einem Lagerpunkt 12 beiderseits des Bohrmasts 1 befestigt sind, in Schwenkrichtung vertrebt. Durch den Verlauf der Streben schräg nach hinten werden auch seitliche Ausweichtendenzen des Bohrmasts 1 aufgefangen. In dieser Ausführungsform wird der Bohrmast 1 durch die Streben 6 in vertikaler Ausrichtung, d.h. senkrecht zur Erdoberfläche, fixiert. Über einen in der Verstrebung 6 angeordneten Auslenkzylinder 61 kann die Verstrebung 6 in gewissem Ausmaß in ihrer Länge verändert werden, so daß Winkelabweichungen des Bohrmasts 1 von der Vertikalen möglich sind. Dadurch wird das Bohrloch für verschiedenen Arbeiten, z.B. zum Hantieren mit einem Kran, zugänglich.1 and 2 show a drilling device according to a preferred embodiment of the present invention in a side and a front view. The drilling device essentially consists of a drilling mast 1, a feed carriage 2 movable thereon and a platform 3. The platform 3 is designed as a self-supporting welded steel structure, the so-called base frame 31, and has a pivot bearing 32 approximately in the middle, in the area of the rear corners two support bearings 33 and an additional bearing point 34 in between. The drilling mast 1 is pivotably mounted on the base frame 31 in the pivot bearing 32 and is braced in the pivoting direction via two struts 6, which are supported in the support bearings 33 and are fastened in a bearing point 12 on both sides of the drilling mast 1. Due to the course of the struts obliquely to the rear, lateral evasive tendencies of the drilling mast 1 are also absorbed. In this embodiment, the drilling mast 1 is fixed by the struts 6 in a vertical orientation, ie perpendicular to the surface of the earth. The length of the strut 6 can be changed to a certain extent via a deflection cylinder 61 arranged in the strut 6, so that angular deviations of the drilling mast 1 from the vertical are possible. This makes the borehole accessible for various tasks, such as handling a crane.
Über einen Hubzylinder 7, der in dem Lagerpunkt 34 auf dem Grundrahmen 31 und in einem weiteren Lagerpunkt 15 an dem Bohrmast 1 gelagert ist, kann der Bohrmast 1 von einer im wesentlichen horizontalen Lage in die vertikale Arbeitslage verfahren werden. Dadurch wird ein einfaches Aufrichten und Absenken des Bohrmasts 1 zur Montage, Demontage, Wartung und Reparatur möglich. Der Hubzylinder 7 kann auch entfallen, wenn der Bohrmast 1 mit einem Kran aufgestellt wird. Der Bohrmast 1 ist ebenfalls eine geschweißte Stahlkonstruktion mit einer langgestreckten Kastenform. Der Bohrmast 1 ist in der dargestellten Form in zwei Modulen hergestellt, nämlich einem Untermast 11a und einem Obermast 11b. Durch geeignete Zentrier- und Verbindungsmittel 19 sind der Untermast 11a und der Obermast 11b fluchtend miteinander verbunden. Die Zentrier- und Verbindungsmittel 19 können beispielsweise an gegenüberliegenden Stirnseiten des Obermasts 11a und des Untermasts 11b vorgesehene Flansche sein, die über Zentrierbolzen ausgerichtet und mittels Schrauben und Muttern fest, aber lösbar miteinander verbunden werden. Die einzelnen Module weisen eine Größe auf, die an den Laderaum eines Standardcontainers angepaßt ist.The drilling mast 1 can be moved from a substantially horizontal position into the vertical working position via a lifting cylinder 7, which is supported in the bearing point 34 on the base frame 31 and in a further bearing point 15 on the drilling mast 1. This makes it easy to erect and lower the drilling mast 1 for assembly, disassembly, Maintenance and repair possible. The lifting cylinder 7 can also be omitted if the drilling mast 1 is set up with a crane. The drilling mast 1 is also a welded steel structure with an elongated box shape. The drilling mast 1 is produced in the form shown in two modules, namely a lower mast 11a and an upper mast 11b. The lower mast 11a and the upper mast 11b are connected in alignment with one another by suitable centering and connecting means 19. The centering and connecting means 19 can, for example, be flanges provided on opposite end faces of the upper mast 11a and the lower mast 11b, which are aligned via centering bolts and firmly but releasably connected to one another by means of screws and nuts. The individual modules have a size that is adapted to the loading space of a standard container.
Mit diesem Aufbau, wie er bisher beschrieben ist, wird durch die modulare Bauweise einerseits die Montagezeit auf der Baustelle minimiert, andererseits werden aber keine Spezialtransporte etwa des ganzen vormontierten Masts nötig, sondern der Transport beschränkt sich auf Standardtransporte. Ferner befinden sich alle strukturellen Bauteile zum Stützen der Konstruktion auf der Hinterseite des Bohrmasts 1. Dadurch wird die Vorderseite des Bohrmastes 1 von jedweden Abstützungen frei.With this construction, as it has been described so far, the modular construction on the one hand minimizes the assembly time on the construction site, but on the other hand no special transports of the entire pre-assembled mast are necessary, but the transport is limited to standard transports. Furthermore, all structural components for supporting the construction are located on the rear side of the drilling mast 1. As a result, the front of the drilling mast 1 is free of any supports.
Im vorderen Bereich des Bohrmasts 1 erstrecken sich zwei Zahnstangen 14 über die gesamte Länge des Bohrmasts 1, wie in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigt. Die Zahnstangen 14 sind durch geeignete Befestigungsmittel wie etwa Schrauben oder Schweißen mit dem Bohrmast verbunden. Die Zahnstangen 14 sind in der Länge der Module 11a, 11b des Bohrmasts 1 geteilt und werden vor Anlieferung vormontiert. Ferner erstrecken sich Führungsschienen 13 über die gesamte Länge des Bohrmasts 1. Die Führungsschienen 13 sind ebenfalls durch geeignete Befestigungsmittel wie etwa Schrauben oder Schweißen mit dem Bohrmast 1 bzw. den Zahnstangen 14 verbunden und geteilt. Sie sind ebenfalls in der Länge der Module 11a, 11b des Bohrmasts 1 geteilt und werden vor Anlieferung vormontiert.In the front area of the drilling mast 1, two toothed racks 14 extend over the entire length of the drilling mast 1, as shown in FIGS. 1 and 2. The racks 14 are secured by suitable fasteners such as screws or Welding associated with the drilling mast. The racks 14 are divided in the length of the modules 11a, 11b of the drilling mast 1 and are preassembled before delivery. Furthermore, guide rails 13 extend over the entire length of the drilling mast 1. The guide rails 13 are likewise connected and divided to the drilling mast 1 or the toothed racks 14 by suitable fastening means such as screws or welding. They are also divided in the length of the modules 11a, 11b of the drilling mast 1 and are preassembled before delivery.
In der in Fig. 1 und 2 gezeigten Darstellung befinden sich die Zahnstangen 14 jeweils an den seitlichen Flächen des Bohrmasts 1, und eine der Führungsschienen 13 befindet sich jeweils hinter der Zahnstange 14. Es erübrigt sich zu sagen, daß in der Technik vielfältige Anordnungen, Kombinationen und Geometrien von Zahnstangen und Führungsschienen bekannt sind, die zur Anwendung kommen können.In the illustration shown in FIGS. 1 and 2, the toothed racks 14 are each located on the lateral surfaces of the drilling mast 1, and one of the guide rails 13 is located behind the toothed rack 14. It goes without saying that various arrangements in technology, Combinations and geometries of racks and guide rails are known that can be used.
Der Vorschubschlitten 2 ist mittels daran angebrachter, nicht näher dargestellter Rollen in den Laufflächen der Führungsschienen 13 nach vorne und hinten abgestützt und so in Hauptrichtung oder Längsrichtung des Bohrmasts 1, also nach oben und unten, verschiebbar gelagert.The feed carriage 2 is supported forwards and backwards in the running surfaces of the guide rails 13 by means of attached rollers, not shown, and is thus displaceably mounted in the main direction or in the longitudinal direction of the drilling mast 1, that is to say upwards and downwards.
Die Fahrbewegung des Vorschubschlittens 2 sowie die seitliche Abstützung gegen den Bohrmast 1 wird durch in die Zahnstangen 14 eingreifende Zahnräder bzw. Ritzel 24 aus- geführt, die ihrerseits von auf dem Vorschubschlitten 2 angebrachten Vorschubmotoren 21 angetrieben werden. Die Vorschubmotoren 21 sind in der bevorzugten Ausführungsform als Hydraulikmotoren ausgeführt. Diese weisen an explosionsgefährdeten Bohrvorhaben eine hinreichende Sicherheit auf. In nicht explosionsgefährdeter Umgebung können auch Elektromotoren als Vorschubmotoren verwendet werden. Ferner sind die Vorschubmotoren 21 paarweise angeordnet. In der bevorzugten Ausführungsform sind drei Paare von Vorschubmotoren 21 (und damit Ritzeln 24) vorgesehen, es können aber auch mehr oder weniger Paare sein. Aus Grün- den der Stabilität sollten jedoch mindestens zwei Paare von Ritzeln 24 vorhanden sein, von denen theoretisch ein Paar ohne Antrieb sein kann. Aus Gründen der Redundanz und Steuerbarkeit sollten jedoch vorzugsweise alle Ritzel angetrieben sein.The travel movement of the feed carriage 2 and the lateral support against the drilling mast 1 is carried out by toothed wheels or pinions 24 engaging in the toothed racks 14, which in turn are driven by feed motors 21 mounted on the feed carriage 2. The feed motors 21 are designed as hydraulic motors in the preferred embodiment. These are sufficiently safe in potentially explosive drilling projects. In a non-hazardous environment, electric motors can also be used as feed motors. Furthermore, the feed motors 21 are arranged in pairs. In the preferred embodiment, three pairs of feed motors 21 (and thus pinions 24) are provided, but there may also be more or fewer pairs. For reasons of stability, however, there should be at least two pairs of pinions 24, one of which can theoretically be without a drive. For reasons of redundancy and controllability, however, all pinions should preferably be driven.
Zwischen den Ritzeln 24 und den Vorschubmotoren 21 befinden sich Getriebe 22 (zur Erhöhung des Abtriebsmoments) und Haltebremsen 23. Die Haltebremsen 23 sind als Lamellenbremsen ausgeführt, die unter Federvorspannung blockieren und durch Anlegen hydraulischen Drucks gelöst werden können.Between the pinions 24 and the feed motors 21 there are gears 22 (for increasing the output torque) and holding brakes 23. The holding brakes 23 are designed as multi-disc brakes which block under spring preload and can be released by applying hydraulic pressure.
Mit diesem Aufbau kann der Vorschubschlitten 2 Druck- und Zugkräfte sowohl im Stillstand als auch in der Bewegung abgeben. Ferner kann durch die oben beschriebene Konstruktion mit Führungsschienen/Rollen und Zahnstangen/Ritzeln der Bohrmast 1 alle an dem Vorschubschlitten 2 auftretenden Zug- und Druckkräfte, Biege- und Torsionsmomente und Querkräfte aufnehmen und in die Plattform 3 ableiten.With this construction, the feed carriage can deliver 2 compressive and tensile forces both at a standstill and in motion. Furthermore, due to the construction described above with guide rails / rollers and toothed racks / pinions, the drilling mast 1 can absorb all the tensile and compressive forces, bending and torsional moments and transverse forces occurring on the feed carriage 2 and dissipate them into the platform 3.
Schließlich befindet sich auf dem Vorschubschlitten 2 ein Drillmotor 25. Der Drillmotor 25 ist in der bevorzugten Ausführungsform als Hydraulikmotor ausgeführt und weist somit an explosionsgefährdeten Bohrvorhaben eine hinreichende Sicherheit auf. In nicht explosionsgefährdeter Umgebung kann auch ein Elektromotor als Drillmotor 25 verwendet wer- den.Finally, there is a drill motor 25 on the feed carriage 2. The drill motor 25 is in the preferred one Embodiment designed as a hydraulic motor and thus has sufficient safety on explosion-prone drilling projects. In a non-hazardous area, an electric motor can also be used as a drill motor 25.
An dem Drillmotor 25 ist ein Spannfutter 26 zur Aufnahme des Bohrstrangs (nicht näher dargestellt) befestigt. Somit ist die Bohrvorrichtung der vorliegenden Erfindung nach dem Topdrive-Prinzip konstruiert, bei dem sich der Drillmotor stets am oberen Ende der obersten Stange des Bohrstrangs befindet. Im Gegensatz zu bekannten Bohrvorrichtungen, bei denen der Bohrstrang mit dem Topdrive an einem Haken und einem Flaschenzug hängt, der wiederum über eine Seilrolle mit einer Seilwinde verbunden ist, werden bei der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung alle Längskräfte durch die Vorschubmotoren 21 und die Zahnstange 14 aufgebracht. Hierdurch entfällt der gesamte Überbau, der letztlich nur dazu dient, die Umlenkrolle, den Flaschenzug und den Haken aufzunehmen und den überschüssigen Teil der Gewichtskraft derselben zuzüglich der des Drillmotors 25 und des Bohrstrangs samt Bohrwerkzeug aufzunehmen.A chuck 26 for receiving the drill string (not shown in more detail) is fastened to the drill motor 25. The drilling device of the present invention is thus constructed according to the top drive principle, in which the drill motor is always located at the upper end of the uppermost rod of the drill string. In contrast to known drilling devices, in which the drill string with the top drive hangs on a hook and a block and tackle, which in turn is connected to a cable winch via a cable pulley, in the device according to the present invention all longitudinal forces are caused by the feed motors 21 and the rack 14 applied. This eliminates the entire superstructure, which ultimately only serves to take up the deflection roller, the pulley block and the hook and to take up the excess part of its weight plus that of the drill motor 25 and the drill string including the drilling tool.
An dem Bohrmast 1 ist ferner eine Brech- und Konter- Vorrichtung 83 für Bohrstangen, Casinge und Zubehör installiert, die an dem gesamten Bohrmast, unabhängig von dem Vorschubschlitten 2, verfahren werden kann.On the drilling mast 1, a breaking and countering device 83 for boring bars, casings and accessories is also installed, which can be moved on the entire drilling mast, independently of the feed carriage 2.
Ferner ist an dem Bohrmast seitlich eine schwenkbare Seilwinde 84 angebracht. Damit können Lasten auf einfache Weise gehandhabt werden. Wie oben ausgeführt, sind über in den Streben 6 angeordnete Auslenkzylinder 61 gewisse Winkelabweichungen des Bohrmastes von der Vertikalen möglich. Dadurch kann der Bohrmast z.B. für Arbeiten am Bohrloch mit einem Kran weg- gekippt werden, was mit herkömmlichen Bohrtürmen nicht möglich ist.Furthermore, a pivotable cable winch 84 is attached to the side of the drilling mast. This makes it easy to handle loads. As stated above, certain angular deviations of the drilling mast from the vertical are possible via deflection cylinders 61 arranged in the struts 6. This means that the drilling mast can be tilted away, for example when working on the borehole, which is not possible with conventional drilling towers.
Darüber hinaus kann mit dem Bohrmast 1 in jeder beliebigen Neigung zur Oberfläche gearbeitet werden. Dies wird möglich durch den Einsatz unterschiedlich langer AbStützungen 6. Dadurch erschließen sich völlig neue Anwendungsgebiete für eine auf eine Vertikalbohrung ausgelegte Bohrvorrichtung. Beispielsweise können so unter einer Siedlung oder aus anderen Gründen unzugänglichen Gebieten wie etwa Gebirgen befindliche Lagerstätten erreicht werden, indem zunächst schräg angebohrt wird und später die Bohrung bei Bedarf in die Vertikale gelenkt wird. Bei Arbeiten unter anderen Winkeln als der Vertikalen wird die Seilwinde 84 nicht eingesetzt.In addition, the drilling mast 1 can be used in any inclination to the surface. This is made possible by the use of supports of different lengths. This opens up completely new areas of application for a drilling device designed for a vertical bore. For example, deposits located under a settlement or other areas that are inaccessible, such as mountains, can be reached by first drilling at an angle and later directing the hole vertically if necessary. The cable winch 84 is not used when working at angles other than the vertical.
Eine solche Konfiguration der Bohrvorrichtung mit einem Bohrwinkel von etwa 45° ist in Fig. 3 gezeigt.Such a configuration of the drilling device with a drilling angle of approximately 45 ° is shown in FIG. 3.
Wie oben ausgeführt, ist der Grundrahmen 31 selbst- tragend ausgeführt. Damit sind Bohrungen mit oder ohne Bohrkeller und mit oder ohne Unterbau ohne Umbauten möglich. Eine vorteilhafte Unterbaukonstruktion, die von der Anmelderin der vorliegenden Erfindung entwickelt wurde, bildet den Gegenstand der deutschen Gebrauchsmusteranmel- düng mit dem Titel "Unterbaukonstruktion für eine Tiefbohr- Plattform" (Anwaltsaktenzeichen B/22ST0409/DE) vom selben Anmeldetag. Auf den dortigen Offenbarungsgehalt wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung vollinhaltlich Bezug genommen.As stated above, the base frame 31 is designed to be self-supporting. This enables drilling with or without a cellar and with or without a substructure without modifications. An advantageous substructure, which was developed by the applicant of the present invention, forms the subject of the German utility model application entitled "Substructure for a deep drilling platform" (attorney file number B / 22ST0409 / DE) from the same filing date. The disclosure content there is based on Full reference is made within the scope of the present application.
In Fig. 4 ist eine Seitenansicht einer Gesamtanlage mit der Bohrvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Energieversorgung erfolgt über ein beigestelltes Hydraulikaggregat 81 in Containerbauweise. Der Steuerstand 82 ist ebenfalls in einem Container untergebracht. Die Container für Hydraulikaggregat 81 und Steuerstand 82 sind außerhalb der Plattform 3 angeordnet. Somit kann immer ein optimaler Abstand zum Bohrloch eingehalten werden.FIG. 4 shows a side view of an overall system with the drilling device according to the present invention. The energy supply is provided by a hydraulic unit 81 provided in a container construction. The control station 82 is also housed in a container. The containers for hydraulic unit 81 and steering position 82 are arranged outside of platform 3. This means that an optimal distance from the borehole can always be maintained.
Die Zufuhr hydraulischer Energie von dem Hydraulikaggregat 81 zu dem Drillmotor 25 und den Vorschubmotoren 21 erfolgt über Hydraulikleitungen 85 (siehe Fig. 2) , die im oberen Bereich des Bohrmastes 1 in Gelenkketten 86 geführt sind.Hydraulic energy is supplied from the hydraulic unit 81 to the drill motor 25 and the feed motors 21 via hydraulic lines 85 (see FIG. 2) which are guided in articulated chains 86 in the upper region of the drilling mast 1.
Durch die oben beschriebene Konstruktion können die Nachteile des Stands der Technik vermieden beziehungsweise minimiert werden.The construction described above can avoid or minimize the disadvantages of the prior art.
Durch den Wegfall von Haken, Flaschenzug, Umlenkrolle und Überbaukonstruktion wird die Bauhöhe verringert. Daher können die zu Gebäuden und Verkehrswegen wie auch zu Containern und peripheren Anlagenteilen erforderlichen Mindestabstände verringert werden. Der benötigte Bohrplatz wird kleiner, und die Lärmemission kann reduziert werden. Durch die Kombination von Topdrive und motorischem Vorschub kann jederzeit ein gewünschter Anpreßdruck bereitgestellt werden. So kann von Anfang an mit dem benötigten Anpreßdruck gebohrt werden, ohne Schwerstangen einsetzen oder gar Zusatzgeräte einbauen zu müssen. Bei Erreichen einer Tiefe, bei der das Eigengewicht des Bohrstranges ausreicht, um den erforderlichen Anpreßdruck zu gewährleisten, kann über die Vorschubmotoren das überschüssige Gewicht abgefangen werden. Gerichtete Bohrungen sind ohne Rücksicht auf Anpreßdruckverluste durch Mantelreibung durchführbar. Es ist sogar möglich, bei einer Tiefbohrung nach Treffen einer Lagerstätte die Bohrung nach oben weiterzuführen und an anderer Stelle wieder an der Oberfläche austreten zu lassen. Hierdurch erübrigen sich Zweitbohrungen, die z.B. bei Öl- und insbesondere Erdgaslagerstätten regelmäßig not-' wendig sind; es können also mit einem Bohrplatz quasi zwei Bohrungen durchgeführt werden. Ebenso kann in ein unter Druck stehendes, abgeschlossenes Bohrloch eingefahren werden, was nach dem Stand der Technik nur mit Zusatztechnik möglich ist.The height is reduced by eliminating the hook, pulley block, deflection roller and superstructure. Therefore, the minimum clearances required for buildings and traffic routes as well as for containers and peripheral plant components can be reduced. The drilling site required is becoming smaller and noise emissions can be reduced. The desired contact pressure can be provided at any time by the combination of Topdrive and motor feed. So you can start with the one you need Contact pressure can be drilled without having to use drill collars or even to install additional devices. When reaching a depth at which the weight of the drill string is sufficient to ensure the required contact pressure, the excess weight can be absorbed by the feed motors. Directed bores can be carried out regardless of contact pressure losses due to skin friction. In the case of deep drilling after a deposit has been hit, it is even possible to continue the drilling upwards and let it emerge again at the surface at another point. In this way, a second drilling holes, for example, in oil and natural gas deposits in particular are regularly neces- 'agile; it is therefore practically possible to drill two holes with one drilling site. It is also possible to drive into a pressurized, closed borehole, which according to the prior art is only possible with additional technology.
Neuartige Bohrverfahren, die im Zusammenhang mit der Bohrvorrichtung dieser Anmeldung von der Anmelderin der vorliegenden .Erfindung entwickelt wurden, bilden den Gegenstand der deutschen Patentanmeldung mit dem Titel "Verfahren zum Herstellen von Tiefbohrungen in geologischen Strukturen" (Anwaltsaktenzeichen P/11ST0410/DE) vom selben An- meldetag. Auf den dortigen Offenbarungsgehalt wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldungen vollinhaltlich Bezug genommen.Novel drilling methods used in connection with the drilling device of this application by the applicant of the present . Invention were developed, form the subject of the German patent application with the title "Process for the production of deep holes in geological structures" (attorney file number P / 11ST0410 / DE) from the same filing date. The content of the disclosure there is referred to in full in the context of the present applications.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung und den Zeich- nungen ersichtlich, ist die Bohrachse bei der Bohrvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung frei zugänglich. Hierdurch erleichtert sich die Handhabung der einzelnen Seg- ente des Bohrstrang außerhalb des Bohrlochs, etwa in einem Rohrlager, enorm. Ein neuartiges, automatisiertes Rohroder Stangenlager, das von der Anmelderin der vorliegenden Erfindung entwickelt wurde, bildet den Gegenstand der deut- sehen Gebrauchsmusteranmeldung mit dem Titel "Rohr- oder Stangenlager für eine Bohranlage" (Anwaltsaktenzeichen B/22ST0411/DE) vom selben Anmeldetag. Auf den dortigen Offenbarungsgehalt wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung vollinhaltlich Bezug genommen. Eine vorteilhafte Hand- habungsvorrichtung für Bohrgestänge und andere Gegenstände, die von der Anmelderin der vorliegenden Erfindung entwickelt wurde, bildet den Gegenstand der deutschen Patentanmeldung mit dem Titel "Vorrichtung und Verfahren zum Handhaben von Gegenständen an einer Bohranlage" (An- waltsaktenzeichen P/11ST0412/DE) vom selben Anmeldetag. Auf den dortigen Offenbarungsgehalt wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung ebenfalls vollinhaltlich Bezug genommen. Die Flexibilität auf dem Bohrplatz wird zusätzlich dadurch gesteigert, daß der gesamte Bohrmast 1 mittels des Auslenkzylinders 61 aus seiner vertikalen Lage herausgeschwenkt werden kann und somit das Bohrloch für Manipulationen etwa mit einem Kran zugänglich wird.As can be seen from the above description and the drawings, the drilling axis in the drilling device according to the present invention is freely accessible. This simplifies the handling of the individual segments of the drill string outside the borehole, for example in a pipe store, is enormous. A new type of automated tube or rod bearing, which was developed by the applicant of the present invention, forms the subject of the German utility model application entitled "Tube or rod bearing for a drilling rig" (attorney file number B / 22ST0411 / DE) from the same filing date. The content of the disclosure there is referred to in full in the context of the present application. An advantageous handling device for drill rods and other objects, which was developed by the applicant of the present invention, forms the subject of the German patent application with the title "Device and method for handling objects on a drilling rig" (lawyer file number P / 11ST0412 / DE) from the same filing date. The content of the disclosure there is also referred to in full in the context of the present application. The flexibility on the drilling site is further increased by the fact that the entire drilling mast 1 can be pivoted out of its vertical position by means of the deflection cylinder 61 and the drilling hole is thus accessible for manipulations, for example with a crane.
Neuere Bohrverfahren, wie z.B das Casingbohren im oberflächennahen Bereich, sind mit der Bohrvorrichtung der vorliegenden Erfindung ohne weiteres möglich. Die Auf- und Abbauzeit der Bohranlage und die Transportkosten und Transportzeiten sind durch die modulare Bauweise der Bohrvorrichtung, insbesondere des Bohrmastes 1, die Selbstaufrichtbarkeit des Bohrmastes 1 mittels des Hubzylinders 7 sowie die kompakte, vormontierbare Konfiguration des gesamten Komplexes aus Drillantrieb 25 und Vorschub 21, 22, 23, 24 auf einem einzigen Schlitten 2 beson- ders gering. Aufgrund der vergleichsweise geringen Peripherietechnik und der insgesamt kompakten Bauweise sind bei einem Baustellenwechsel nicht sehr viele Transporte notwendig, die sich zudem auf Transporte mit Standardcontainern beschränken können. Insgesamt ist die Bohrstelle preiswert, so daß auch kleinere Lagerstätten wirtschaftlich erschlossen werden können. Newer drilling methods, such as casing drilling near the surface, are readily possible with the drilling device of the present invention. The assembly and dismantling time of the drilling rig and the transportation costs and transportation times are due to the modular construction of the drilling device, in particular of the drilling mast 1, the self-erecting ability of the drilling mast 1 by means of the lifting cylinder 7 and the compact, preassembled configuration of the entire complex of drill drive 25 and feed 21, 22, 23, 24 on a single carriage 2 are particularly low. Due to the comparatively small peripheral technology and the overall compact design, not many transports are necessary when changing construction sites, which can also be limited to transports with standard containers. Overall, the drilling site is inexpensive, so that even smaller deposits can be developed economically.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zum Herstellen von im Wesentlichen vertikalen Bohrungen in geologischen Schichten mittels eines Bohrwerkzeugs und eines aus einer Mehrzahl von Segmenten bestehenden Bohrstrangs, wobei die Vorrichtung aufweist: einen vertikal aufgerichteten Bohrmast (1) ; wenigstens ein Paar von Zahnstangen (14) , die an dem Bohrmast (1) angebracht sind und sich parallel zueinander im Wesentlichen über die Länge des Bohrmastes (1) in dessen Längsrichtung erstrecken; Führungsflächen (13) , die an dem Bohrmast (1) angebracht sind und sich im Wesentlichen über die Länge des Bohrmastes (1) in dessen Längsrichtung erstrecken; einen Schlitten (2) , der an den Führungsflächen (13) geführt und in Längsrichtung des Bohrmastes (1) an einer Außenseite desselben verschiebbar ist; einen Drillmotor (25) zum Drehen des Bohrstrangs, wobei der Drillmotor (25) auf dem Schlitten (2) befestigt ist und die Drehachse des Drillmotors (25) zu der Längsrichtung des Bohrmastes (1) parallel ist; und wenigstens ein Paar von Vorschubmotoren (21) , die auf dem Schlitten (2) befestigt sind und über jeweils ein Ritzel (24) mit einer der Zahnstangen (14) im Eingriff stehen.1. Device for producing essentially vertical bores in geological layers by means of a drilling tool and a drill string consisting of a plurality of segments, the device comprising: a vertically erected drilling mast (1); at least one pair of toothed racks (14) which are attached to the drilling mast (1) and which extend parallel to one another essentially over the length of the drilling mast (1) in the longitudinal direction thereof; Guide surfaces (13) which are attached to the drilling mast (1) and extend substantially over the length of the drilling mast (1) in the longitudinal direction thereof; a carriage (2) which is guided on the guide surfaces (13) and can be displaced in the longitudinal direction of the drilling mast (1) on the outside thereof; a drill motor (25) for rotating the drill string, the drill motor (25) being mounted on the carriage (2) and the axis of rotation of the drill motor (25) being parallel to the longitudinal direction of the drill mast (1); and at least one pair of feed motors (21) which are fastened on the slide (2) and which engage with one of the toothed racks (14) via a pinion (24) in each case.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Vorschubmotoren (21) und den Ritzeln (24) jeweils ein Getriebe (22) vorgesehen ist. 2. Device according to claim 1, characterized in that between the feed motors (21) and the pinions (24), a gear (22) is provided.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Vorschubmotoren (21) und den Ritzeln (24) jeweils eine Haltebremse (23) vorgesehen ist. 3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that a holding brake (23) is provided between the feed motors (21) and the pinions (24).
4. Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Drillmotor (25) und die Vorschubmotoren (21) Elektromotoren sind.4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the drill motor (25) and the feed motors (21) are electric motors.
5. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Drillmotor (25) und die Vorschubmotoren (21) Hydraulikmotoren sind. 5. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the drill motor (25) and the feed motors (21) are hydraulic motors.
6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltebremsen (23) hydraulische Lamellenbremsen sind, die im drucklosen Zustand durch eine Vorspannkraft festgestellt sind und durch Anlegen eines hydraulischen Drucks lösen.6. The device according to claim 5, characterized in that the holding brakes (23) are hydraulic multi-disc brakes, which are determined in the depressurized state by a biasing force and release by applying a hydraulic pressure.
7. Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrmast (1) mit den Zahnstangen (14) und Führungsflächen (13) aus wenigstens zwei in Längsrichtung hintereinander angeordeten Modulen (11a, 11b) besteht und die einzelnen Module Mittel (19) zum Zentrieren und Verbinden miteinander aufweisen.7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the drilling mast (1) with the racks (14) and guide surfaces (13) consists of at least two modules (11a, 11b) arranged one behind the other in the longitudinal direction, and the individual module means (19th ) for centering and connecting.
8. Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Streben (6) zum Abstützen des Bohr- mastes (1), wobei sich die Streben (6) auf der dem Schlitten (2) abgewandten Seite des Bohrmastes (1) befinden und der Bohrmast (1) an seinem unteren Ende nach der dem Schlitten (2) abgewandten Seite hin schwenkbar gelagert ist.8. Device according to one of the preceding claims, characterized by struts (6) for supporting the drilling mast (1), the struts (6) being on the side of the drilling mast (1) facing away from the carriage (2) and the drilling mast (1) is pivotally mounted at its lower end towards the side facing away from the carriage (2).
9. Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Streben (6) jeweils eine Längenänderungseinrichtung (61) zur Änderung der Länge der Streben (6) aufweisen.9. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the struts (6) each have one Have length change device (61) for changing the length of the struts (6).
10. Vorrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeich- net, daß Längenänderungseinrichtung (61) einen Zylinder aufweist .10. The device according to claim 9, characterized in that length change device (61) has a cylinder.
11. Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Aufrichteinrichtung (7) zum Aufrichten des Bohrmasts (1) .11. The device according to any one of the preceding claims, characterized by an erection device (7) for erecting the drilling mast (1).
12. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufrichteinrichtung (7) einen Zylinder aufweist .12. The apparatus according to claim 11, characterized in that the erecting device (7) has a cylinder.
13. Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine an dem Bohrmast (1) vorgesehene Brech- und Kontervorrichtung (83) für Bohrstangen, Ca- singe und Zubehör.13. Device according to one of the preceding claims, characterized by a on the drilling mast (1) provided breaking and countering device (83) for boring bars, casings and accessories.
14. Vorrichtung gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Brech- und Kontervorrichtung (83) am gesamten Bohrmast (1) in dessen Längsrichtung unabhängig von dem Vorschubschlitten (21) verfahrbar ist.14. The apparatus according to claim 13, characterized in that the breaking and countering device (83) on the entire drilling mast (1) in the longitudinal direction thereof can be moved independently of the feed carriage (21).
15. Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine an dem Bohrmast (1) seitlich angebracht schwenkbare Seilwinde (84). 15. The device according to one of the preceding claims, characterized by a laterally attached to the drilling mast (1) pivotable cable winch (84).
16. Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrmast (1) und die Verstrebungen auf einer Plattform (3) angebracht sind, die einen selbsttragend ausgeführte Grundrahmen (31) aufweist.16. The device according to one of the preceding claims, characterized in that the drilling mast (1) and the Struts are attached to a platform (3) which has a self-supporting base frame (31).
17. Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprü- ehe, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Paare von Vorschubmotoren (21) vorgesehen sind.17. Device according to one of the preceding claims, characterized in that two pairs of feed motors (21) are provided.
18. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß drei Paare von Vorschubmotoren (21) vorgesehen sind.18. Device according to one of claims 1 to 17, characterized in that three pairs of feed motors (21) are provided.
19. Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Energieversorgungaggregat (81) und einen Steuerstand (82), die getrennt voneinander und in einer bestimmten Entfernung von der Bohrachse in Containerbauweise beigestellt sind. 19. Device according to one of the preceding claims, characterized by an energy supply unit (81) and a control station (82), which are provided separately and at a certain distance from the drilling axis in a container construction.
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