Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auskleidung von Bohrlöchern für Tiefbohrungen. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Erstellung von Bohrlöchern für vertikale Tiefbohrungen, das heißt Bohrungen, die in eine Tiefe von über 500 m in den Boden getrieben werden, erfolgt in der Praxis nach dem sogenannten Rotary-Verfahren, bei dem mittels eines sich drehenden Meißels das zu durchbohrende Gestein schabend zerkleinert wird und durch eine Spülflüssigkeit, die durch das Bohrgestänge nach unten gepumpt wird, kontinuierlich abgeführt wird.

Bei sehr tiefen Bohrungen kommt zumeist eine Bohrturbine zum Einsatz, die direkt über dem Bohrmeißel angeordnet ist. Das sich entgegen der Bohrrichtung an den Bohrmeißel anschließende Bohrgestänge dreht sich bei diesem Verfahren nicht mit dem Bohrmeißel, sondern dient nur dem Meißelvorschub sowie der Zufuhr der Spülflüssigkeit.

Bohrmeißel mit Diamant- oder Hartmetallbesatz haben bei üblichen Bodenverhältnissen eine Haltbarkeit von 70 bis 100 Stunden. Dann muss zum Austausch und zur Aufarbeitung des Bohrmeißels der gesamte Bohrstrang aus dem Bohrloch gezogen und zerlegt werden, um nachfolgend mit dem neuen Bohrmeißel wieder in das Bohrloch abgesenkt zu werden. Somit ergibt sich bei dem herkömmlichen Tiefbohrverfahren ein diskontinuierlicher Verlauf des Bohrvorgangs. Um zu verhindern, dass das Bohrloch einstürzt, muss das Bohrloch abgestützt werden, was bei den konventionellen Tiefbohrungen durch Verrohren erfolgt. Dies erfolgt in Etappen mit abnehmendem Rohrdurchmesser derart, dass beispielsweise bei einer 3000 m tiefen Erdölbohrung zunächst ein bis in eine Tiefe von 5 m reichendes Rohr mit einem Außendurchmesser von 473 mm eingebracht wird. Nach 150 m Bohrtiefe wird ein Futterrohr oder Casing genanntes Rohr mit einem Außendurchmesser von 340 mm bis zur Bohrsohle eingeschoben und der Zwischenraum Bohrlochwand und Futterrohr mit einer Zementbrühe verfüllt. Bei 1500 m Bohrtiefe sowie der Endtiefe von 3000 m erfolgen weitere Verrohrungen mit Futterrohren die jeweils einen geringeren Außendurchmesser als die vorherigen Futterrohre aufweisen, so dass der Außendurchmesser des letzten Futterrohrs nach Erreichen der Endtiefe nur noch 140 mm beträgt.

Zwar hat sich dieses bekannte Tiefbohrverfahren in der Praxis bewährt, jedoch ist das diskontinuierliche Auskleiden bzw. Verrohren der Bohrlochwand sehr zeitaufwendig. Darüber hinaus ist auch der sich etappenweisen verringernde Innendurchmesser des Bohrlochs nicht für alle Anwendungsfälle vorteilhaft.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die A u f g a b e zugrunde, ein Verfahren zur Auskleidung von Bohrlöchern für Tiefbohrungen zu schaffen, dass einen schnellen Arbeitsablauf bei einem im Wesentlichen gleichbleibenden Bohrlochdurchmesser ermöglicht.

Die L ö s u n g dieser Aufgabenstellung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet dass das Bohrloch direkt nach dem Bohren mit einem aus einem Faserstoff sowie einem aushärtbaren Medium bestehenden Hybridwerkstoff ausgekleidet wird.

Durch das erfindungsgemäße direkte Auskleiden des Bohrlochs nach dem Bohren mit einem faserverstärkten Hybridwerkstoff ist es erstmalig möglich, ein -wenn es der Bohrvorgang erlaubt- kontinuierliches Auskleideverfahren bereitzustellen, dass darüber hinaus eine Bohrlochauskleidung mit einem im Wesentlichen konstanten Bohrlochdurchmesser ermöglicht. Gemäß einer praktischen Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das aushärtbare Medium auf den Faserwerkstoff aufgespritzt wird. Das Spritzverfahren gewährleistet ein gleichmäßiges und schnelles Benetzen des Faserwerkstoffs mit dem aushärtbaren Medium.

Zur Ausbildung dieses zur Auskleidung der Bohrlochwand dienenden Hybridwerkstoffs, bestehend aus einer Armierungsfaser sowie einem aushärtenden Medium werden vorzugsweise Kohlenstofffasern und Beton verwendet. Je nach Anforderung kann die Auskleidung des Bohrlochs einlagig oder mehrlagig erfolgen.

Alternativ zu den genannten Kohlenstofffasern und dem Beton als aushärtendem Medium können selbstverständlich auch andere Faserstoffe und andere aushärtende Medien, wie beispielsweise Kunststoffe, zum Auskleiden des Bohrlochs verwendet werden.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Auskleideverfahrens ist gekennzeichnet durch ein Bohrlochauskleidemodul, das Spritzdüsen zum Auftragen eines aushärtenden Mediums sowie eine Armierungs- gewebeverlegevorrichtung aufweist.

Zur Sicherung des Bohrlochs wie auch zur Abschirmung des Bohrlochs zu Grundwasser führenden Schichten wird das Bohrloch direkt nach dem Bohren kontinuierlich ausgekleidet. Hierzu weist das Bohrlochauskleidemodul Spritzdüsen zum Auftragen eines aushärtenden Mediums, wie beispielsweise Beton, sowie eine Armie- rungsgewebeverlegevorrichtung auf. Zur Ausbildung dieses zur Auskleidung der Bohrlochwand dienenden Hybridwerkstoffs, bestehend aus einer Armierungsfaser sowie einem aushärtenden Medium werden vorzugsweise Kohlenstofffasern und Beton verwendet. Das Ausbringen des Fasergeflechts kann über einen Konus erfolgen, über den die Armierungsfaser direkt auf die Bohrlochwand aufgebracht werden kann, um anschließend mit dem aushärtenden Medium benetzt werden zu können. Je nach Anforderung kann die Auskleidung des Bohrlochs einlagig oder mehrlagig erfolgen.

Alternativ zu den genannten Kohlenstofffasern und dem Beton als aushärtendem Medium können selbstverständlich auch andere Faserstoffe und andere aushär- tende Medien, wie beispielsweise Kunststoffe, zum Auskleiden des Bohrlochs verwendet werden.

Die Versorgung des erfindungsgemäßen Bohrlochauskleidemoduls erfolgt vorteilhafterweise über flexible Rohr- und/oder Schlauchleitungen, über die das Modul mit Versorgungseinrichtungen außerhalb des Bohrlochs verbunden ist, wobei die Rohr- und/oder Schlauchleitungen zur Zufuhr und Abfuhr der zumindest das Bohrlochauskleidemodul betreffenden Materialen sowie zur Zuleitung der elektrischen Versorgungsleitungen dienen. Jede Einzelleitung dieser flexiblen Rohr- und/oder Schlauchleitungen ist dabei vorzugsweise als Endlosleitung ausgebildet, die auf Trommeln bereitgehalten werden können.

In den flexiblen Rohr- und/oder Schlauchleitungen, über die das Bohrlochauskleidemodul mit Versorgungseinrichtungen außerhalb des Bohrlochs verbunden ist, befinden sich zusätzlich zu den elektrischen Versorgungsleitungen auch Datenleitungen, z.B. ein Bus-System, über die zumindest das Bohrlochauskleidemodul mit einem Arbeitsstand außerhalb des Bohrlochs verbunden ist.

Erfindungsgemäß sind über die Datenleitungen zusätzlich zu den Systemparametern, wie beispielsweise Vorschubgeschwindigkeit und Pumpendruck, über mit den Datenleitungen gekoppelte Sensoren sämtliche Umgebungsparameter im Bohrloch, wie beispielsweise Temperatur, Druck, Gesteinsdichte und dergleichen, ermittelbar und zur Steuerung zumindest des Bohrlochauskleidemoduls an den Arbeitsstand übermittelbar.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der zugehörigen Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Auskleidevorrichtung nur beispielhaft dargestellt ist, ohne die Erfindung auf dieses Ausführungsbeispiel zu beschränken. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Bohrsystems;

Fig. 2 eine Vorderansicht des Bohrkopfes gemäß Fig. 1 und Fig. 3 eine Ansicht gemäß Fig. 1 , jedoch das Bohrsystem in einem Bohrloch zeigend.

Fig. 1 zeigt ein Bohrsystem 1 für vertikale Tiefbohrungen, das im Wesentlichen aus einem Bohrkopf 2, einem Sicherheitsmodul 3 sowie einem Bohrlochauskleidemodul 4 besteht, wobei die einzelnen Baugruppen 2, 3 und 4 je nach Anwendungsfall starr oder relativ zueinander beweglich hintereinander angeordnet sind.

Auch wenn es vertikale Tiefbohrungen heißt, ist es mit dem nachfolgend beschriebenen Verfahren sowie Bohrsystem 1 möglich, den Bohrverlauf auch aus der Vertikalen heraus bis in einen horizontalen Verlauf zu steuern, wenn dies erforderlich ist. Die Hauptbohrrichtung ist aber die tiefe Vertikalbohrung.

Wie aus der in Fig. 3 dargestellten Anordnung des in einem Bohrloch 5 angeordneten Bohrsystems 1 ersichtlich, erfolgt die Versorgung des aus der Bohrkopf 2, dem Sicherheitsmodul 3 sowie dem Bohrlochauskleidemodul 4 bestehenden Bohrsystems 1 über flexible Rohr- und/oder Schlauchleitungen 6, über die das Bohrsystem 1 mit Versorgungseinrichtungen 7 außerhalb des Bohrlochs 5 verbunden ist. Die Rohr- und/oder Schlauchleitungen 6, die zur Zufuhr und Abfuhr der das Bohrsystem 1 betreffenden Materialen sowie zur Zuleitung der elektrischen Versorgungsleitungen dienen, sind die einzelnen Rohr- und/oder Schlauchleitungen 6 als Endlosleitung ausgebildet, die auf Trommeln bereitgehalten werden können.

Die einzelnen Rohr- und/oder Schlauchleitungen 6 werden in bestimmten Abständen mit Abstandshalterungen verbunden und bilden so ein Zuleitungspaket, das in das Bohrloch 5 geführt wird. Um die Zugkräfte, die durch das Eigengewicht der Rohr- und/oder Schlauchleitungen 6 und das Gewicht des Bohrsystems 1 entstehen aufnehmen zu können, werden vorzugsweise Stahlseile mitgeführt, die außerhalb des Bohrlochs 5 entsprechend gelagert sind. Weiterhin besteht die Möglichkeit, Schwimmkörper an den Rohr- und/oder Schlauchleitungen 6 festzulegen, die die Zugbelastung aufnehmen, da das Bohrloch 5 während des Bohrvorgangs unter Wasser steht.

Nachfolgend werden das Bohrverfahren sowie das Bohrlochauskleideverfahren anhand eines meißellosen Bohrverfahrens beschrieben, bei dem der Bohrkopf 2 so ausgelegt ist, dass mit diesem sowohl Hochdruck-Wasserstrahlschneiden als auch zum Hochfrequenz-Steinzertrümmern durchführbar ist.

Das beschriebenen Rohrlochauskleideverfahren ist jedoch unabhängig von der Arbeitsweise des Bohrkopfes 2. Maßgeblich ist, dass das Auskleideverfahren di- rektnach dem Bohren tätig werden kann.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind an der vorderen Stirnseite des Bohrkopf 2 Wasseraustrittsdüsen 8 für das Hochdruck-Wasserstrahlschneiden sowie Sonotroden 9 zur Übertragung hochfrequenter Schwingungen für die Hochfrequenz-Steinzertrümmerung angeordnet.

Um eine gleichmäßige und im Wesentlichen vollflächige Bearbeitung des zu durchbohrenden Gesteins über den gesamten Bohrlochdurchmesser zu gewährleisten, ist der gesamte Bohrkopf 2, zumindest aber eine mit den Wasseraustrittsdüsen 8 sowie den Sonotroden 9 versehene Stirnplatte 10 des Bohrkopfes 2, um die Mittelachse rotierbar ausgebildet.

Zum Absaugen des beim Bohrvorgang anfallenden Bohrschlamms sind in der Stirnplatte 10 Absaugöffnungen 17 vorgesehen, über die der Bohrschlamm abgesaugt und durch die Rohr- und/oder Schlauchleitungen 6 aus dem Bohrloch 5 gepumpt werden kann.

Zur Erzeugung der Hochfrequenzimpulse für die Hochfrequenz- Steinzertrümmerung sind Piezoelemente im Bohrkopf 2 angeordnet, die jeweils mit einer aus einer Sonotrode 9 sowie einem Amplitudentransformator bestehenden Verstärkungseinheit gekoppelt sind. Um die Sonotroden 9 vor Verschleiß zu schützen, werden diese vorteilhafterweise beschichtet, beispielsweise mit polykristallinem Diamant.

Die Pumpen für das Hochdruck-Wasserstrahlschneiden sowie für das Absaugen des Spülmediums sind am Bohrkopf 2 und/oder am Sicherheitsmodul 3 angeordnet. Um die Schneidwirkung des Hochdruck-Wasserstrahls zu erhöhen, kann dem Wasserstrahl ein Abrasivmittel, wie beispielsweise Quarzsand, zugegeben werden, dass dem Bohrkopf 2 über die flexiblen Rohr- und/oder Schlauchleitungen 6 zuge- führt und erst in der Wasseraustrittsdüse 8 mit dem Wasserstrahlgemischt wird, um den Verschleiß an den Leitungen so gering wie möglich zu halten. Der Zusatz des Abrasivmittels kann dabei kontinuierlich oder auch nur zeitweise erfolgen.

Durch die Kombination des Hochdruck-Wasserstrahlschneidens mit dem Hochfrequenz-Steinzertrümmern, sowie durch die flächige Ausbildung des Bohrkopfes 2 und die entsprechende Platzierung der Wasseraustrittsdüsen 8 und Sonotroden 9 ist es bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel möglich, den Bohrvorgang kontinuierlich durchzuführen, das heißt ohne Unterbrechungen für das Aufarbeiten eines Bohrmeißels oder zum Entfernen eines freigeschnittenen Bohrkerns, wie es bei den aus dem Stand der Technik bekannten Tiefbohrverfahren erforderlich ist.

Um ein kontinuierlich arbeitendes Bohrverfahren möglichst effizient nutzen zu können, ist es vorteilhaft, wenn auch die Sicherung und Auskleidung des Bohrlochs 5 im Wesentlichen kontinuierlich erfolgen kann.

Zur Sicherung des Bohrlochs 5 wie auch zur Abschirmung des Bohrlochs zu Grundwasser führenden Schichten wird das Bohrloch 5 direkt nach dem Bohren ausgekleidet. Hierzu weist das erfindungsgemäße Bohrlochauskleidemodul 4 Spritzdüsen 1 1 zum Auftragen eines aushärtenden Mediums, wie beispielsweise Beton, sowie eine Armierungsgewebeverlegevorrichtung 12 auf.

Vorzugsweise werden Kohlenstofffasern und Beton verwendet, um den zur Auskleidung der Bohrlochwand dienenden Hybridwerkstoff herzustellen, jedoch sind auch andere Faserwerkstoffe und andere aushärtende Medien, wie beispielsweise Kunststoffe, zur Herstellung des Hybridwerkstoffs einsetzbar.

Die Armierungsgewebeverlegevorrichtung 12 zum Ausbringen des Fasergeflechts kann beispielsweise über einen Konus erfolgen, über den die Armierungsfaser direkt auf die Bohrlochwand aufgebracht werden kann, um anschließend mit dem aushärtenden Medium benetzt werden zu können. Je nach Tiefe und geologischen Bedingungen kann die Auskleidung des Bohrlochs 5 einlagig oder mehrlagig erfolgen. Durch die Zugabe spezieller Additive kann die Aushärtezeit des Betons beschleunigt werden. In tieferen Regionen mit einer höheren Erdtemperatur verkürzt sich die Aushärtezeit allein schon durch den Temperaturanstieg. Das Vermischen des über die Rohr- und/oder Schlauchleitungen 6 zugeführten Betons mit den ebenfalls über die Rohr- und/oder Schlauchleitungen 6 zugeführten Additiven erfolgt erst am Bohrlochauskleidemodul 4, um ein Aushärten in den Zuführleitungen zu vermeiden.

Eine fertige Bohrlochauskleidung 18 ist schematisch in Fig. 3 dargestellt.

Das Sicherheitsmodul 3 dient dazu, im Falle eines plötzlichen Druckanstiegs im Bohrloch 5, beispielsweise durch das Anbohren einer Gasblase, einerseits ein unkontrolliertes Austreten des Gases aus dem Bohrloch 5 zu verhindern und andererseits zu verhindern, dass das gesamte Bohrsystem 1 durch den Druckanstieg nach oben aus dem Bohrloch 5 geschoben werden kann. Hierzu weist das Sicherheitsmodul 3 mindestens ein Sperrelement 13 zum formschlüssigen Verschließen des Bohrlochinnendurchmessers sowie Klemmelemente 14 zum kraftschlüssigen Festlegen des Bohrsystems 1 im Bohrloch 2 auf.

Das formschlüssige Verschließen des Bohrlochdurchmessers über das Sperrelement 13 kann beispielsweise mit einem Expanderring erfolgen, der das Bohrloch 5 verschließt, um den Überdruck dann über geeignete Druckventile kontrolliert abbauen zu können. Die Klemmelemente 14, mit denen sich das gesamte Bohrsystemi kraftschlüssig im Bohrloch 5 verkrallen kann, sind beispielsweise als radial nach oben und außen weisende Widerhaken ausgebildet, die das Bohrsystem 1 im Bedarfsfall in der jeweiligen Position im Bohrloch 5 fixieren.

Der Antrieb sowie die Lenk- und Steuerungsvorrichtung für den Bohrkopf 2 sind am Bohrkopf 2 angeordnet. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Antrieb für den Bohrkopf 2 als auf der Außenseite des Bohrkopfs 2 angeordneter Raupenantrieb 15 ausgebildet.

In den flexiblen Rohr- und/oder Schlauchleitungen 6, über die das Bohrsystem 1 mit Versorgungseinrichtungen 7 außerhalb des Bohrlochs 5 verbunden ist, befinden sich zusätzlich zu den elektrischen Versorgungsleitungen auch Datenleitungen, z.B. ein Bus-System, über die der Bohrkopf 2 und/oder das Sicherheitsmodul 3 und/oder das Bohrlochauskleidemodul 4 mit einem Arbeitsstand 16 außerhalb des Bohrlochs 5 verbunden sind. Über diese Datenleitungen sind zusätzlich zu den Systemparametern, wie beispielsweise Vorschubgeschwindigkeit und Pumpendruck, über mit den Datenleitungen gekoppelte Sensoren sämtliche Umgebungsparameter im Bohrloch 5, wie beispielsweise Temperatur, Druck, Gesteinsdichte und dergleichen, ermittelbar und zur Steuerung des Bohrsystems 1 an den Arbeitsstand 16 übermittelbar.

Da bei dem dargestellten Bohrsystem 1 insbesondere der Bohrkopf 2 einen größeren Außendurchmesser als das fertig ausgekleidete Bohrloch 5 aufweist, verbleibt das komplette Bohrsystem 1 nach der Beendigung des Bohrvorgangs im Bohrloch 5 und kann nach dem Kappen der Zuführleitungen über die weiter bestehenden Datenleitungen zum Datenaustausch mit dem Arbeitsstand 16 verwendet werden.

Sollte es bei einem alternativen Bohrverfahren bzw. bei der Verwendung eines alternativen Bohrkopfes erforderlich sein, dass dieser zwischenzeitlich oder zum Ende des Bohrvorgangs aus dem Bohrloch 5 entfernt wird, so muss dieser alternative Bohrkopf, beispielsweise klappbar so ausgestaltet sein, dass dessen Außendurchmesser so reduzierbar ist, dass er durch die fertige Bohrlochauskleidung 18 verfahrbar ist.

Die Steuerung des Bohrsystems 1 kann an nur einem der Bauteile Bohrkopf 2, Sicherheitsmodul 3 oder Bohrlochauskleidemodul 4 oder aber verteilt auf mehrere der Bauteile 2, 3 und 4 angeordnet sein.

Das voranstehend beschriebene Bohrlochauskleideverfahren, dass für Geother- miebohrungen sowie zur Erschließung von Erdgas- oder Erdöllagerstätten einsetzbar ist, zeichnet sich dadurch aus, dass eine quasi kontinuierliche Auskleidung des Bohrlochs direkt nach dem Bohren ermöglicht. Darüber hinaus weist die Bohrlochauskleidung 18 über die gesamte Bohrlochlänge einen im wesentlichen konstanten Querschnitt auf. Bezu g sze i ch e n l iste

1 Bohrsystem 18 Bohrlochauskleidung

2 Bohrkopf

3 Sicherheitsmodul

4 Bohrlochauskleidemodul

5 Bohrloch

6 Rohr- und/oder Schlauchleitung

7 Versorgungseinrichtung

8 Wasseraustrittsdüse

9 Sonotrode

10 Stirnplatte

11 Spritzdüse

12 Armierungsgewebeverlegevorrichtung

13 Sperrelement

14 Klemmelement

15 Raupenantrieb

16 Arbeitsstand

17 Absaugöffnungen