Historische Entwicklung

Das Zerstören von Stein mit Hammer und Meißel ist den Menschen bereits seit der Steinzeit bekannt und ist auch heute noch geeignet, um hartes Gestein zu zerstören. Dieser Artikel soll aufzeigen, welche Ideen dazu geführt haben, das Hämmern und Meißeln zu einer hydraulischen Maschine im Bohrloch zu entwickeln.

Die Entwicklung führt auf zwei Techniken zurück: Das Tiefbohren für Brunnenbohrungen, Öl und Gas sowie den Tunnel- und Bergbau in der Zeit der industriellen Revolution.

Entwicklung der pneumatischen Bohrhämmer Ende des 19. Jahrhunderts

Im Berg- und Tunnelbau wurde lange Zeit mit Hammer und Meißel gearbeitet, erste, noch mit Dampf betriebene Gesteinsbohrer kamen in den 1850er Jahren auf. Sie wurden vor allem zum Bohren von Sprenglöchern im Tunnelbau gebraucht. Beim Bau des Hoosac Tunnels wurden damals moderne Techniken erstmals eingesetzt, wie Druckluftkompressoren und druckluftbetriebene Bohrvorrichtungen ​[1]​.

Als Meilenstein des Hammerbohrens wird oftmals die Erfindung einer dampfbetriebenen Hammervorrichtung 1871 von Ingersoll genannt ​[2, 3]​, bei der ein Hammermeißel in das Bohrloch beschleunigt und gleichzeitig gedreht wird. Die Vorrichtung konnte von Arbeitern aufgestellt und bedient werden, da sie vergleichsweise kompakt war ​[4]​. Sie hatte zudem einen automatischen Vorschub.

Die Idee einen ventillosen Bohrhammer zu konstruieren lässt sich auch bis ins Jahr 1872 zurück datieren [1]​, so wurde von C. J. Ball ein Patent veröffentlicht, bei dem der Kolben gleichzeitig als Ventil genutzt wird: Erreicht der Schlagkolben eine bestimmte Position, werden Kanäle geöffnet, die ein Einströmen eines Gases unter hohem Druck an einer Seite des Kolbens ermöglichen und die andere Seite drucklos macht. Dieser Druck bewegt den Kolben, der zwar die Kanäle dadurch schnell wieder schließt aber durch die weitere Expansion des Gases weiterhin beschleunigt wird – bis der Druck durch das Erreichen eines weiteren Kanals wieder abgelassen wird. Gleichzeitig wird wieder Gas auf die andere Seite des Schlagkolbens geleitet, um die Bewegung umzudrehen. Diese Nutzung einer Expansion ist bei einer Hydraulik nicht möglich. Bis heute arbeiten pneumatische Imlochbohrhämmer nach diesem Prinzip.

Brunnenbohren zum Ende des 19. Jahrhunderts

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden Bohrungen im Hartgestein vor allem über das Seilbohren gebohrt: Dabei wird ein Bohrmeißel an einem Seil in das Loch fallen gelassen und wieder hinauf gezogen. Diese Methode ist seit Jahrtausenden bekannt und kommt heute noch in Entwicklungsländern zum Einsatz. Sie ist enorm zeitaufwändig.

Bei weicherem Gestein wurde mit Fischschwanzmeißeln drehend gebohrt.

Kurz gegen Ende des 18. Jahrhunderts gab es die ersten Innovationen, die einen Antrieb des Bohrers im Bohrloch durch die Flüssigkeit ermöglichten ​[5]​, wie die 1873 patentierte Antriebsturbine für Diamantbohrköpfe von Christopher G. Cross ​[6]​.

1900: Hydraulikwidderhammer von Wacław Wolski

Im Jahr 1900 wurde das bis dahin noch übliche Seilbohren durch Wacław Wolski dahingehend verbessert, dass der Bohrmeißel erstmals durch eine Flüssigkeit an der Spitze des Bohrers hydraulisch bewegt wurde. Dies war der erste hydraulisch angetriebene Perkussionsmechanismus an der Bohrlochsole ​[7-9]​.

Der Mechanismus schloss bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten ein Ventil, wodurch die Wassersäule den Bohrmeißel aus dem Apparat herausschießen lies. Um den Hydraulikstoß zu glätten und die Energie der bewegten Wassersäule länger nutzbar zu machen, wurde ein sog. Windkessel vor dem Mechanismus verbaut, eine einfache Gasblase, die nach unten hin offen ist. Dieser konnte für größere Tiefen auch durch eine Feder realisiert werden [11]​.

1908: Erfindung des Rollenmeißels durch Howard R. Hughes

Bereits 1908 wurde von Howard Robard Hughes der Zahnrollenmeißel patentiert, damit begann die Entwicklung weiterer Bohrwerkzeuge bis zum Warzenrollenmeißel, der heute noch für Hartgesteinsbohrungen als Stand der Technik verwendet wird. Gegen diese Technik müssen sich Bohrhämmer bis heute behaupten, was auch der Grund für den ausbleibenden Durchbruch des hydraulischen Imlochhammerbohrens ist.

1927: Hydraulikbohrer von Harry Pennington

Der Hydraulikbohrer von Harry Pennington wurde 1927 patentiert. Mit der Flüssigkeit wird der Schlagkolben angehoben und durch eine Feder in Richtung der Bohrkrone beschleunigt. Zu dieser Zeit waren Stiftbohrkronen noch nicht bekannt, die Bohrkronen waren breite Flachmeißel.

Nach dem Aufschlag des Kolbens sitzt das Ventil auf der Bohrkrone auf und verschließt diese Verbindung. Dies hebt den Kolben an und spannt die Kolbenfeder, bis der Kolben selbst das Ventil anhebt und dieses dann durch die Ventilfeder weiterhin offen gehalten wird – der Druck im Kolbenraum fällt ab und der Kolben beginnt mit der Schlagbewegung, bei deren Ende er das Ventil wieder schließt.

1930: Hydraulikstoßhammer von John A. Zublin

1930 wurde in Amerika von John A. Zublin eine Bohrkrone mit fluidbetriebenem Hammermechanismus zum Patent angemeldet ​[13]​. Dieses Patent behandelt wesentliche auskonstruierte Mechanismen zur Umwandlung der hydraulischen Energie des Fluids in einen Hammerschlag sowie mögliche Rückstellmechanismen des Arbeitskolbens.

Der Kolben wird hier mit einer Feder (43) gegen das Ventil (35) gedrückt, die Verbindung geschlossen und Ventil und Kolben werden gemeinsam durch die Wassersäule beschleunigt. Der Ventilweg ist durch die Stange (61) begrenzt.

Ebenfalls mit diesem Patent angemeldet wurde eine Kolbenrückstellung ohne Federn, die unterschiedlich große Kolbenflächen zur Rückstellung des Kolbens anstelle einer Feder nutzt.

Durch eine Verengung (197) wird sich ein Druck abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit einstellen, welcher auf eine große Fläche auf der Kolbenvorderseite wirkt (186), während die Rückseite des Arbeitskolbens (184) über Bohrungen mit der Bohrlochwand verbunden ist. Der Arbeitskolben wird so entgegen der Strömungsrichtung nach oben gedrückt.

1946: Bassinger-Tool

Ross Bassinger konstruierte ab den 1940er Jahren hydraulische Bohrhämmer, bei dem das Ventil um den Schlagkolben herum angeordnet war, statt diesen wie ein Teller zu verschließen. Auch sie sind direkt wirkende Hydraulikstoßhämmer. Die Bohrhämmer waren Teil seiner Firma „Bassinger Tool Company“, die später von seinem Sohn Grey Bassinger weiter betrieben wurde. Das hydraulische Imlochhammerbohren konnte mit Bassingers Werkzeug 1946 erstmals gegenüber dem drehenden Bohren überzeugen [14]​.

Bei Borhtests in Oklahoma konnte die Bohrgeschwindigkeit gegenüber des drehenden Bohrens um 30 % gesteigert werden ​[16]​. Der Bohrhammer wurde auch von Shell bei Bohrungen in Alberta eingesetzt ​[17]​.

Um 1950 waren die heute verwendeten Hammerbohrkronen mit Stifteinsätzen noch nicht bekannt, die Verwendung von Rollenmeißeln oder Zahnmeißeln am Bohrhammer brachte ein Verschleißproblem mit sich, da die Hammerschläge über die Kugellager bzw. die Metallzähne übertragen wurden ​[18]​. Es wurde daher eine Vielzahl von Bohrkronen mit dem Bohrhammer getestet, letztendlich wurde ein Rollenmeißel mit Gleitlagern genutzt [16]​.
Eine Gummiummantelung konnte das Verschleißproblem durch die abrasive Wirkung der Bohrspülung eindämmen, der Bohrhammer konnte so 14 Stunden betrieben werden. Die Bohrgeschwinditkeit des Werkzeuges war gegenüber dem drehenden Bohren bei einer Reihe von Versuchen wesentlich höher, beispielsweise wurde die Bohrgeschwindigkeit bei Versuchen in Kanada im Anhydrit und Gipsgestein von 1,7 m/h auf 2,4 m/h gesteigert [19]​ ​[20]​.

1968: Bohrhammer der Pan American Petroleum

Als weiterer Meilenstein kann die Entwicklung des hydraulischen Bohrhammers bei der Pan American Petroleum Corp. (später Amoco, dann BP) durch Renic P. Vincent bis 1968 gesehen werden. Mit 7“ und 11“-Bohrhämmern konnte die Bohrgeschwindigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Bohrverfahren um einen Faktor drei bis fünf gesteigert werden [21]​.

Der 11″-Bohrhammer hatte dabei eine Länge von 2,3 m und ein Schlagkolbengewicht von 400 kg, als Bohrmeißel wurden herkömmliche Rollenmeißel verwendet [23]​.

1983: Tieflochhammer von Klemm

Günter Klemm patentierte 1983 einen hydraulischen Imlochhammer, bei dem der Schlagkolben über ein Hydraulikventil umgesteuert wurde: Die Ventilposition bestimmt, in welche Richtung der Schlagkolben bewegt wird. Da dies zu hydraulischen Schlägen führt, wurde ein Gasdruckdämpfer in der Druckversorgung integriert.

Der Schlagkolben (56) verfügt über unterschiedlich große Flächen, von denen nur die Rückseite (62) abwechselnd mit Hochdruck beaufschlagt und wieder entlastet wird, während die andere, kleinere Seite im Kolbenraum (61) ständig unter Druck gehalten wird.

1987: Entwicklung des Wassara-Hammers

Per Gustafsson patentierte 1987 die ersten Varianten des Wassara-Hammers [25]​. Das Hydraulikimlochhammerbohren mit Wasser wurde zu dieser Zeit von Atlas Copco untersucht, das Patent dann an G-Drill verkauft, G-Drill später von LKAB aufgekauft ​[26]​. Die Firma produziert und vertreibt heute einen hydraulischen, wasserbetriebenen Imlochhammer unter der Marke „Wassara“.

Die wasserbetriebenen Bohrhämmer wurden bis zur Serienreife entwickelt und konnten sich mit den Vorteilen von Wasser als Antriebsmedium in Bergbau und Bauindustrie durchsetzen: Durch die Nutzung von Wasser statt Druckluft unter Tage wird Staub gebunden. Der Energieverbrauch gegenüber dem Lufthammerbohren ist zudem wesentlich geringer ​[28]​. Durch die, verglichen mit Pressluft, geringere Geschwindigkeit des Wassers mit dem Bohrgut im Ringraum kann das Bohrhammergehäuse als Stabilisator ausgeführt werden, dies ermöglicht auch lange, gerade Bohrungen.

Bei Bohrungen am Geothermiezentrum Bochum wurde mit herkömmlichen Rotary-Bohrungen mit PDC-Bohrkrone mit Bohrgeschwindigkeiten von bis zu etwa 25 m/h im Tonstein gebohrt. Bei Sandsteinschichten fällt die Bohrgeschwindigkeit dann auf etwa 5 m/h ab [29]​. In derselben Geologie konnten mit dem hydraulischen Imlochhammerbohren bei einem Projekt 2013 für ein Erdwärmesondenfeld Bohrgeschwindigkeiten von etwa 45 bis 50 m/h mit dem hydraulischen Imlochhammer erreicht werden, von härterem Sandstein zeigte sich der Bohrhammer unbeeindruckt ​[30]​.

1989: Entwicklung des spülungsbetriebenen Imlochhammers von Novatek

Von Novatek wurde 1989 ein neuer Mechanismus patentiert [31]​, bei dem das Ventil um den Kolben herum angeodnet ist und parallel zum hydraulischen Spülungsstrom geschaltet ist. Der hydraulische Antrieb erfolgt durch die Druckdifferenz, die von der Innenseite zur Außenseite des Bohrhammers auftritt.

Ist das außenliegende Ventil (22) in unterer Ventilstellung, wird der Kolben über die Vorderseite (83) nach oben gedrückt. Die Rückseite ist dazu über den Innenkanal (93) zur Bohrlochwand hin offen, wenn das Abschaltventil (27) bei genügend hohem Druck nach unten gedrückt wird. In der oberen Kolbenstellung wird das Ventil auf dem Kolben nach oben bewegt, sobald die untere Öffnung (23) erreicht ist. Dies ändert die angesteuerten Kolbenflächen und der Kolben wird zur Bohrkrone hin beschleunigt.

Der Bohrhammer lief über 50 Stunden und wurde bei einer Bohrung in Deutschland erprobt. Die Lebensdauer des Steuerventils wurde vor allem durch die Verwendung von Wolframcarbid-Beschichtungen oder Industriediamant erhöht >​[32]​. Das Projekt wurde bis 2005 hin zu einem wasserstrahl- und hammerunterstützten Bohrkopf weiterentwickelt [33]​.

1992: Cyphelly-Hammer

Für die Kontinentale Tiefenbohrung (KTB) wurde von Ivan Cyphelly bei der Salzgitter Maschinenbau AG ein Hydraulikstoßhammer entwickelt, der das Prinzip des hydraulischen Schlags wieder explizit nutzen soll ​[21]​. Die Funktionsweise ist ähnlich der Hydraulistoßhämmer zu Beginn des Jahrhunderts, die Verwendung eines mitbewegten Impulsrohres und eines Stoßventils im Hammerkopf führt allerdings dazu, dass die Druckspitzen nicht über Gleitlager oder Dichtungen hinweg anfallen ​[34]​.

Das Stoßventil im Hammerkopf schließt bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten, es folgt eine Impulsübertragung der Flüssigkeit im Impulsrohr auf den Hammerkopf. Das Impulsrohr wird über eine Feder zurückgestellt.

Bei einer Weiterentwicklung des Bohrhammers wurde ein festes Impulsrohr verwendet und die Ausführung des Ventils verändert, sodass ein Öffnen nach dem Schlag zuverlässiger war und der Bohrhammer in seiner Länge kürzer ausgeführt werden konnte.

Der Cyphelly-Hammer wurde am ITE der TU Clausthal umfangreich untersucht, so wurde die hydraulisch-mechanische Dynamik über Bondgraphen-Modelle untersucht und ein Simulationsmodell erstellt, bei dem die Bewegungsabläufe untersucht wurden ​[35]​.

Referenzen

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[2] “Inductee Database: Ingersoll, Simon,” National Mining Hall Of Fame and Museum. [Online]. Available: https://mininghalloffame.org/inductee/ingersoll. [Accessed: 17-Mar-2019].
[3] “Drilling Through History,” National Driller. [Online]. Available: https://www.nationaldriller.com/drilling-history. [Accessed: 17-Mar-2019].
[4] S. Ingersoll, “Improvement in Rock-Drills,” US112254, 28-Feb-1871.
[5] J. Ponce, The Technologies that Conquered Unconventional Reservoirs. ResearchGate, 2018.
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[9] F. Heise, F. Herbst, and F. Heise, Lehrbuch der Bergbaukunde. Springer-Verlag, 2013.
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[13] J. A. Zublin, “Rotary Bit with Hammering Device,” 1861042, 28-Apr-1930.
[14] G. R. Samuel, “Percussion Drilling…Is It a Lost Technique? A Review.,” in Permian Basin Oil and Gas Recovery Conference, 1996, p. 7.
[15] R. Bassinger, “Percussion Drilling Tool,” US2645207, 1948.
[16] P. L. Guarin, H. E. Arnold, W. E. Harpst, and E. E. Davis, “Rotary Percussion Drilling,” Drilling and Production Practice, New York, p. 11, 1949.
[17] S. Grow, Roughnecks, Rock Bits And Rigs. University of Calgary Press, 2006.
[18] R. Bassinger, “Rotary Percussion Drilling, a review and a prediction,” The Oil and Gas Journal, pp. 111–112, 1950.
[19] P. L. Guarin and H. E. Arnold, “Rotary Percussion Drilling,” The Oil and Gas Journal, pp. 305–317, 1949.
[20] W. E. Harpst and E. E. Davis, “Experiments in Rotary Percussion Drilling,” The Oil and Gas Journal, pp. 182–187, 1949.
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[22] R. P. Vincent and L. B. Wilder, “Percussion Motor,” GB1245617, 1968.
[23] R. P. Vincent and L. B. Wilder, “Tool boosts drilling in hard formations,” The Oil and Gas Journal, vol. 67, no. 13, pp. 74–78, 1969.
[24] G. Klemm, “Tieflochhammer,” DE3343565A1, 1983.
[25] P. Gustafsson, “Hydraulic Down-The-Hole Rock Drill,” EP0394255B1, 1988.
[26] D. A. Bruce, R. Lyon, and S. Swartling, “The History of Down-The-Hole Drilling and the Use of Water-Powered Hammers,” p. 11, 2013.
[27] P. Gustafsson, “A Hydraulic Impact Motor,” EP0733153B1, 1994.
[28] J. Riechers and V. Bracke Rolf; Wittig, “Innovatives hydraulisches Bohrverfahren für die oberflächennahe Geothermie als Alternative zum pneumatischen Bohrstandard,” Bachelor-Thesis, Hochschule Bochum, Bochum, 2010.
[29] V. Hartung, V. Wittig, and R. Bracke, “Design and test of hydraulic DTH mud hammers to improve service life, ROP, borehole cleaning and control for deep, hard rock geothermal drilling,” in Proceedings, 2016.
[30] K. Maeggi and R. Bracke, “Energiebilanz beim Einsatz von wasserbetriebenen Imlochhämmern bei mitteltiefen Geothermiebohrungen,” Master-Thesis, Hochschule Bochum, Bochum, 2013.
[31] D. R. Hall, D. S. Pixton, and Y. Xiang-Guang, “Down-hole Mud Actuated Hammer,” US5396965, 1989.
[32] D. S. Pixton and D. R. Hall, “A New-Generation Mud-Hammer Drilling Tool Annual Report,” Provo, UT, p. 18, 05-Aug-1997.
[33] J . V. Fernandez and D. S. Pixton, “Integrated drilling system using mud actuated down hole hammer as primary engine,” p. 35, 2005.
[34] I. J. Cyphelly, “Einrichtung mit einem für Erdbohrzwecke vorgesehenen hydraulischen Hubgenerator,” EP0303635B1, 1988.
[35] F. Nickel, I. Cyphelly, and J. Thoma, “KTB-Bohrhammerentwicklung Projektphase II a,” 1993.