| Indhold |

Boringer

Indholdsfortegnelse

1. Boreteknik

1.1 Boremetoder generelt

Løsjord

De fleste boringer, som bliver udført af danske brøndborere og danske forundersøgere, udføres i løsjordsaflejringer af muld, grus, sand, ler, silt m.m. I mange tilfælde er der tale om blandingsaflejringer såsom moræneaflejringer med et varierende indhold af sten, grus, sand, silt og ler. Alle disse aflejringer er hovedsageligt fra kvartærperioden (istiden) eller yngre.

Ældre aflejringer

I nogle områder af Danmark kommer boreentreprenøren ved større boredybder til at arbejde i ældre aflejringer fra Tertiærtiden - marine sandede aflejringer, glimmersand og -ler, marine mergelaflejringer, plastisk ler, grønsandsaflejringer m.m.

Kridt

I andre områder af Danmark - eksempelvis Lolland-Falster, østlige og nordøstlige områder af Sjælland, den nordlige del af Djursland, Himmerland, dele af Vendsyssel og Thy - vil boreentreprenøren under udførelse af sit arbejde ofte skulle arbejde i aflejringer fra Kridtperioden, dvs. kridt- og kalkaflejringer med flintlag.

Alle disse aflejringer er i boreteknisk forstand forholdsvis bløde formationer måske lige bortset fra flintlagene i kalkaflejringer.

Grundfjeld

Kun på Bornholm træffes egentlig hårde aflejringer som grundfjeld helt fra terræn eller i ringe dybde i form af granitter, gnejser, sandsten m.m.

En detaljeret beskrivelse af Danmarks geologi fremgår af Kapitel 1, Geologi og hydrogeologi (bog nr. 1).

De boreteknikker, der fortrinsvis anvendes og har været anvendt i Danmark, er derfor orienteret mod borearbejde i løse og forholdsvis bløde aflejringer. Undtagelsen herfra er Bornholm, hvor der som det første sted i Danmark blev introduceret trykluftteknikker, der specielt er udviklet for borearbejder i grundfjeld (hårde bjergarter).

Kundernes krav

En anden faktor, som bestemmer hvilke boreteknikker, der vil være fremherskende på markedet, er bestillerens krav til det produkt, som boreentreprenøren skal levere. Herhjemme har rådgiverbranchen været orienteret mod ikke-destruktive boremetoder til fx geotekniske og miljøtekniske undersøgelser. Branchen har ønsket mange, nøjagtige og detaljerede oplysninger fra den enkelte boring, såsom veldefinerede laggrænser og repræsentative, ikke opblandede eller sorterede prøver fra en veldefineret dybde. Dette har rotationstørboringer og i mindre udstrækning diamantkerneboringer kunnet imødekomme.

Pris

En tredje og ikke uvæsentlig faktor for valg af boreteknik er naturligvis prisniveauet for arbejdet, som bestemmes af de nødvendige investeringer samt metodens effektivitet og produktionskapacitet.

Udstyr

Som følge af at det danske boremarked er forholdsvis lille, og at prisen på større borerigge er betydelig (1,5 - 3,0 mio. kr.), er der dels sket en specialisering dels en udvikling hen mod anvendelse af universalborerigge. Herved forstås borerigge, der kan udføre flere forskellige boreteknikker, således at den enkelte boreentreprenør kan dække et større spektrum af markedet med en enkelt borerig. Samtidig sker der en udvikling, hvorved der kombineres fordelagtige operationer fra een teknik med nødvendige operationer fra en anden og vice versa. Et eksempel herpå er kombinationen af wirelineteknik med hulboresnegl, jf. afsnit 1.3.5.

Disse tendenser forstærkes af, at mange boreentreprenører foruden undersøgelsesboringer udfører vandforsyningsboringer og grundvandssænkningsboringer med de samme borerigge.

Før vi går over til at beskrive boremetoderne, vil vi kort berøre problemet omkring stabiliteten af borehuller, et problem, der er generelt for alle boringer, og som opstår ved anvendelse af alle boreteknikker.

1.1.1 Stabilitet af borehuller

Trykændringer

Når der bores gennem en serie aflejringer, og det løsborede materiale tages op af boringen sammen med det vand, materialet måtte indeholde, ændrer jordens og porevandets tryk sig i og lige omkring borepositionen.

Der vil være et tryk fra den omgivende jord ind mod boringen stammende fra vægten af den jord eller den bjergart, der ligger oven over. Der vil endvidere være en gradient ("et tryk") i porevandet ind mod boringen, fordi grundvandsspejlet i den omgivende jord ligger højere end vandspejlet i boringen, jf. Figur 1.

Figur 1
Stabilitetsproblemer i et borehul; skematisk fremstilling
  

Stabilitetsproblemer

Afhængigt af hvilke jordarter, boringen er udført i, kan nævnte forhold give anledning til en række stabilitetsproblemer, som kan medføre, at borehullet ikke bliver stående åbent, således som det er udført.

Problemerne kan bl.a. være forårsaget af:

Vi skal følgende nævne nogle af de løsninger, der findes for at klare disse stabilitetsproblemer:

Formål

I de følgende afsnit 1.2 til 1.7 præsenteres et udsnit af de mest almindelige boremetoder med fokus på metoder anvendt i Danmark, men suppleret med enkelte udenlandske metoder.

Følgende metoder vil blive omtalt:

Vi vil i denne sammenhæng betragte trykluftboringer som skylleboringer, hvor der anvendes luft som skyllemiddel i stedet for en vandbaseret boremudder. Ligeledes vil vi betragte diamantkerneboring som en skylleboremetode, fordi der cirkuleres et skyllemiddel gennem boringen under selve boreprocessen.

Metodevalget indebærer, at der efterfølgende er krav til boreriggens kapacitet, borestamme, skæreværktøjer (boreværktøjer) og eventuelt skyllesystemer. Disse forhold er ligeledes behandlet i efterfølgende afsnit, 1.8 til 1.10.

1.2 Slagboring/tørboring

Den ældste metode

Slagboring er formentlig den ældste generelt anvendte boremetode. Metoden anvendes fortsat såvel i udlandet som i Danmark. Metoden anvendes herhjemme især i grovkornede aflejringer med stor permeabilitet, hvor anvendelse af skylleboreteknikker kræver helt specielle tiltag for ikke at miste boremudderet ud i formationen. Den anvendes også til udførelse af boringer for miljøprojekter, hvor tilsatsmidler ikke er ønsket i boringen.

Der hersker nogen sproglig forvirring omkring benævnelsen af metoden og dens varianter. Det gælder også metodens beskrivelse; men vi støtter os her til den engelske terminologi og klassificering af metoderne.

To varianter

Mejsel

Ved linestødsboring anvendes en tung mejsel til at slå aflejringerne i bunden af borehullet løse og derefter knuse dem til mindre partikler svævende i det vand, der står i bunden af borehullet, dvs. få lavet en opslemning (grød) af løsboret, nedknust materiale.

Mejslen løftes 0,4 -1,0 m op fra boringens bund og falder herefter frit mod bunden af borehullet. Vægten af mejslen samt eventuelle stænger giver ved faldet den kraft, der slår formationsmaterialet løst og knuser det.

Når en vis dybde er boret løst med mejslen, trækkes den op, og en sandspand eller en sandpumpe fires ned i boringen for at samle det løsborede materiale op. Det sker ved at påføre sandspanden pumpebevægelser ved boringens bund.

Figur 2
Principskitse af Linestødsboremetoden (Cable Tool Drilling). (Drilling Technology, British Drilling Association, herefter forkortet til Drill.Tech.)
  

Slagarrangement

Af principskitsen, Figur 2, fremgår det, at en wire går fra et spil via to wireskiver, der sidder i hver sin ende af en bjælke (vippearm) op over en topskive i masten og ned til mejselarrangementet.

Bjælkeenden med skive nærmest masten bevæges i op- og nedgående retning ved påvirkning fra en plejlstang monteret excentrisk på et svinghjul.

Når bjælkeenden med skive går ned, løftes mejselarrangementet, og når bjælke med skive går op, får mejselarrangementet et fald mod boringens bund.

Wiren fires af i takt med, at mejslen slår formationen løs og i stykker. Den bedste effekt fås, når mejslen i sit fald lige netop når at ramme den faste bund af boringen, før den bliver løftet af wiren igen.

Wire

Wiren er fastgjort til mejselarrangementet via en form for svirvel og drejes i forhold til mejselarrangementet, når wiren er slæk.

Hver gang mejslen løftes, drejer wiren sig en lille smule på grund af torsionskræfterne i wiren, og mejslen drejer med. Når mejslen slippes og falder til bunden af boringen, følger wiren med og slækkes og drejer tilbage til sin oprindelige stilling. Drejningen i forhold til mejslen sker i svirvelen. Næste gang wiren strammes, fastholdes svirvelen i en ny position i forhold til mejslen, og denne drejes et stykke svarende til, at torsionskraften i wiren og giver wiren en lille drejning. Herved opnås, at mejslen rammer boringens bund i en ny position ved hvert fald, hvorved hele arealet af boringsbunden løsbores.

Lodret boring

Det er vigtigt for borearbejdet, at boringen er lodret, og at wiren er centreret i borehullet, da wiren ellers forhindres i at dreje sig, når mejslen løftes.

Registreres en begyndende afvigelse fra lodret, fyldes den afvigende del af boringen op med fx sten, og borearbejdet genoptages fra toppen af opfyldningen. Der anvendes nu små faldhøjder for at få slået materiale løs fra borehullets væg og derved få rettet boringen op.

Oprensning

Efterhånden som det løsborede materiale hober sig op i bunden af boringen, vil dette materiale dæmpe mejslens fald - dens slagenergi -og dermed slagets effekt på den intakte bund i boringen. Dermed reduceres nedboringshastigheden. Derfor skal mejslen med visse mellemrum - vurderet af borelederen - trækkes op af boringen, og løsboret og nedknust materiale fjernes fra boringen.

Tilsætning af vand

Hvis der ikke er grundvand i formationen, må der tilsættes vand til boringen for at få dannet en opslemning af det nedknuste materiale. Dannelsen af denne opslemning er en forudsætning for at få de værktøjer, der normalt bruges til at rense op med, til at arbejde i bunden af boringen.

Et par eksempler på sådanne værktøjer til oprensning af boringer er vist på Figur 3.

Figur 3
Sandspand med klapventil og med kugleventil (Drill.Tech.)
   

Sandspand

Sandspanden kaldes også sandpumpe eller ventilbor. Den arbejder ved at blive bevæget op og ned i en slags pumpebevægelse, samtidig med at den langsomt fires nedad. Sandspandens pumpebevægelse igangsættes i den øverste del af opslemningen.

Under sandspandens opadgående pumpebevægelse er klappen eller kugleventilen lukket; i den nedadgående pumpebevægelse åbner klappen eller kugleventilen sig. Ved sandspandens opadgående pumpebevægelser opstår der vacuum under spanden, og de faste partikler i opslemningen hvirvles herved op fra boringens bund. Ved spandens nedadgående bevægelse fanges disse partikler i sandspanden over klappen eller kugleventilen.

Når spanden er fyldt, eller den faste bund i boringen er nået, trækkes sandspanden op og tømmes. Tømningen sker normalt ved, at der slås en hjælpewire om bunden af sandspanden. Bunden løftes, og indholdet hældes herved ud af toppen af sandspanden. Det kan være nødvendigt at åbne klappen eller kugleventilen ved fysisk påvirkning for at få indholdet til at løbe ud.

Mejseltyper

Mejslerne, der anvendes ved denne boremetode, kan have forskellig udformning afhængigt af, hvilke materialer, der skal bores i. På Figur 4 er vist et udsnit af mejseltyper.

Se her!

Figur 4
Almindeligt brugt mejseltyper

Den almindeligst anvendte mejsel er fladmejslen. Krydsmejslen anvendes bl.a. til at rette en boring, der er begyndt at afvige fra lodret. Mejslerne kan gives en udformning, så de lettere falder ned gennem vand og opslemning i bunden af boringen, fx som Pennsylvansk mejsle med vandspor.

Effektivitet

Slagfrekvens

Frekvensen af slag afpasses efter vægt og fladhøjde og vil normalt variere mellem 30 og 60 slag pr. minut. Faldhøjden vil også variere afhængigt af vægt af udstyr og slagfrekvens. Den normale faldhøjde vil være fra 0,4 til 1,0 meter. Ifald vægten af mejslen alene ikke er tilstrækkelig til at løsbore materialet, kan mejslen påmonteres en eller flere vægtstænger, jf. Figur 5.

Figur 5
Mejsel med vægtstænger og saks (Drill.Tech.)

Når der bores i lagdelte formationer med varierende hårdhed, og mejslen pludselig rammer ned i en blødere formation, kan mejslen være tilbøjelig til at sætte sig fast i bunden af boringen. Der er af denne årsag ofte monteret en "saks" oven på vægtstangen.

Saks

Denne saks er opbygget af to led (svarende til to meget kraftige kædeled), der kan vandre i forhold til hinanden. Wiren har fat i øverste led, og nederste led er fastgjort på vægtstangen og dermed på mejslen. Når mejslen falder ned, falder øverste led ned mod og i det nederste led. Når wiren trækkes op, vil øverste led bevæge sig opad, før det rammer den øverste bøjle i nederste led. Den bevægelsesenergi, som øverste led har opnået, før den rammer øverste bøjle i nederste led, vil medvirke til at slå mejslen løs. Der rammes således opad på mejslen.

Metoden anvendes generelt til borediametre i størrelsen 6" - 12" og til dybder på 100 - 300 m.

Stabilitet af borehul

Når der bores i løsjord, er borehullet normalt ikke stabilt. Væggen i borehullet vil ikke uden videre blive stående under det fortsatte borearbejde, dels på grund af et formationstryk ind mod boringen, dels på grund af den fysiske påvirkning, som det fortsatte borearbejde udøver på borehulsvæggen.

Arbejdsrør

For at sikre stabiliteten af boringen nedsættes derfor stålrør - arbejdsrør - gennem den del af boringen, der allerede er gennemboret. Rørene kan installeres i et hul, der allerede er boret i en diameter svarende til rørets udvendige diameter, og man må så efterfølgende skifte til en mindre mejsel dimension.

Alternativt kan arbejdsrørene rammes eller presses ned samtidig med, at der bores inden i rørene. I så fald skal rørene arbejdes ned gennem intakte aflejringer, og de skal være kraftige nok til at tåle påvirkningen dels fra formationen dels fra ramningen eller presningen af rørene ved terræn.

Teleskopering

Hvis arbejdsrørene går fast, kan der udføres en teleskopering. Dvs. der nedsættes et nyt arbejdsrør inden i det første, og der skiftes til en mindre mejsel, jf. Figur 6.

Se her!

Figur 6
Teleskopering

Arbejdsrørene kan svejses sammen, eller de kan være forsynede med gevind, så de skrues sammen.

Hvis arbejdsrørene trækkes op for genanvendelse, vil de normalt være af gevindtypen, hvorimod arbejdsrør, der skal blive stående, oftest svejses sammen.

Boresko

Arbejdsrør forstærkes ofte ved bunden med en påsvejset boresko eller bundsko for at klare den kraftige påvirkning fra formationen, når de presses eller rammes ned.

1.2.2 Slagboring

Betegnelser

Metoden er en forenkling af den i afsnit 1.2.1 beskrevne linestødsteknik, idet de to værktøjer, mejsel og sandspand, anvendt ved linestødsboring er kombineret til et værktøj, nemlig en tung sandspand, der i en og samme arbejdsgang fungerer både som mejsel og som oprensningsværktøj. Sandspanden anvendes altså på samme måde og skal arbejde efter samme princip som ved oprensning, når der bores med linestødsteknikken.

Ydelse

Metoden er udviklet og specielt velegnet for boring i løsjordsaflejringer samt i blødere bjergarter, fx kalk og kridt. Den har derfor været en meget udbredt metode i Danmark, før rotationsboreteknikken blev udviklet.

Metoden har generelt været anvendt til brug i 8", 10", 12" og 16" dimension; men kan også anvendes til mindre dimension. Boredybderne vil generelt ligge i intervallet 30 - 150 m.

Sandspanden har ikke samme nedknusningseffekt som en mejsel. Det betyder, at sten i fx glaciale aflejringer skal opsamles i sandspanden og løftes op fremfor at blive nedknust og dernæst opsamlet i sandspanden. Boreværktøjet er således i højere grad beregnet på at opsamle materialet med den kornstørrelse, materialet har, fremfor at nedknuse det.

Slagværk

Borerigge til slagboring har en simplere opbygning end linestødsmaskiner, idet der kun er behov for et slagværk. Sandspanden er normalt fastgjort til borewiren via en svirvel. Borewiren går over en topskive i boretårnet, der ofte er et treben. Slaget frembringes normalt ved et excenterslagværk som illustreret på Figur 7.

Figur 7
Opbygning af en slagborerig

Excenterarm og -skive drejes om en aksel (mod uret på figuren) og har et delvist friløb om akslen i akslens rotationsretning, når armen har passeret topstillingen. Dette bevirker, at excenterarm med wireskive falder frit fremad i rotationsretningen, når arm og skive har passeret topstillingen. Herved bliver wiren pludselig ubelastet, og sandspanden i borehullet får frit fald mod boringens bund. Wiren fires af, efterhånden som sandspanden arbejder sig ned i formationen.

Slagfrekvens

Slagfrekvensen vil normalt ligge i intervallet 20 - 40 slag pr. minut, og slaglængden i intervallet 0,4 - 0,6 meter.

Sandspand

Sandspanden trækkes op og tømmes, når den er fyldt. Tømningen kan udføres efter samme metode som ved linestødsboring.

Sandspandens bundskær afpasses efter formationens hårdhed. Det kan enten være helkantet eller forsynet med tænder, evt. med en hårdmetalbelægning.

Vægten varierer afhængigt af boredimensionen fra 100 kg i bløde formationer og små dimensioner til 800 à 1000 kg for boring i kalk i stor dimension.

Sandspanden vil generelt have en diameter, der er ca. 10% mindre end arbejdsrørenes diameter. Eksempelvis kan der anvendes en indvendig diameter på 250 mm for arbejdsrør og en udvendig diameter på 225 mm for sandspanden.

Lersnapper

Sandspanden kan ved boring i leraflejring erstattes med en lersnapper, der i princippet består af et rør med bundskær, hvor der på toppen er anbragt et styret rammelod. Ved hjælp af slagværket på boreriggen aktiveres rammeloddet, og lersnapperen rammes ned i formationen, indtil den er fyldt, hvorefter den trækkes op med wiren på boreriggen. Friktionen mellem stålrør og ler vil holde materialet inde i lersnapperen.

Arbejdsrør

Boringen holdes stabil ved anvendelse af arbejdsrør - stålrør - der nedbores i takt med uddybningen af boringen.

Arbejdsrørene kan enten rammes, presses eller trykkes ned. Arbejdsrørene kan være samlet ved svejsning, hvilket er normalt, hvis de skal indgå i en permanent installation, ellers anvendes gevindsamlede rør. Det kan være problematisk at ramme på gevindsamlede rør, idet gevindgangene kan blive ødelagt. Der anvendes derfor hovedsageligt en metode, hvor arbejdsrørene presses ned, ofte med skiftende op- og nedadgående bevægelser af rørene, men med resulterende nedadgående.

Trykværk

Som skitseret på Figur 8 nedgraves et trykværk på det sted, hvor boringen skal udføres. Trykværket består af to kraftige hydrauliske donkrafte, der er fastgjort til en kraftig bundplade med hul for arbejdsrørene. Donkraftens stempelstænger er foroven fastgjort til et åg, der omgiver arbejdsrøret. Åget er forsynet med en rørklemme, der kan fastgøres til arbejdsrøret enten ved ren mekanisk tilspænding eller ved hydraulisk påvirkning af klembakker. Når klemmen er fastspændt på røret, kan røret bevæges op og ned ved aktivering af de hydrauliske donkrafte i op- eller nedadgående retning. Tilbagefyldt jord på den kraftige bundplade giver modhold, når rørene presses ned i takt med uddybningen af boringen.

Se her!

Figur 8
Boring med nedgravet trykværk

Ved boring i lerholdige aflejringer vil man ofte forsøge at skabe en omrørt lerzone omkring rørene for at mindske friktionen på rørene. Det gøres ved at påføre arbejdsrørene en "pumpende" op- og nedadgående bevægelse med donkraften.

1.3 Rotationsboring/tørboring

Mest anvendt til undersøgelsesboringer

Rotationstørboring er i dag den mest anvendte boreteknik til undersøgelsesboringer i de øvre aflejringer i Danmark. Metoden anvendes såvel uden foring som med foring, dog således at boringer til større dybder ofte kræver en stabilisering af borehullet med en foring (arbejdsrør). Metoden anvendes i dimensioner fra 3" à 4" og op til 12" à 15" og til dybder varierende fra 0 til 60-70 meter under terræn. Dog kræver de større dimensioner til stor dybde, at der er en borerig med stor løfte- og rotationskapacitet til rådighed, jf. afsnit 1.8 og 1.9.

Karakteristika

Som tidligere nævnt er metoden velegnet til udførelse af undersøgelsesboringer. Den har været anvendt til geotekniske borearbejder i Danmark fra midten af 1960'erne, hvor en mere systematisk geoteknisk undersøgelsesteknik blev introduceret.

Frem til slutningen af 1960'erne og begyndelsen af 1970'erne blev boringerne udført ved hårdt manuelt arbejde i en form som illustreret på Figur 9. På det tidspunkt dukkede serieproducerede, hydrauliske boreværker til mindre og korte undersøgelsesboringer op på markedet.

Figur 9
Manuel boring med treben

Den rent manuelle udførelse af boringer anvendes fortsat under helt specielle omstændigheder som for eksempel vanskelige adgangsforhold samt på blødbundsarealer, hvortil kørsel med hydraulisk materiel ikke er mulig.

Der findes i dag adskillige metoder og et omfattende udstyr på markedet for udførelse af tørrotationsboringer. Vi skal i det følgende præsentere nogle eksempler til illustration af spredningen, såvel teknisk som kapacitetsmæssigt.

1.3.1 Håndboring

Lille volumen - små dybder

Ved opgaver med lille volumen og til meget små dybder anvendes ofte håndboreudstyr, der både kan bæres og betjenes af een mand.

På Figur 10 er vist eksempler på håndværktøj i faste sammenbyggede længder for udførelse af boringer i dimensioner fra 3" til 6" og ned til 2 meter.

Figur 10
Værktøj til håndboring

Ved større boredybder anvendes udstyr, der kan forlænges i takt med uddybningen af boringen.

Brug af letmetal

De fleste udstyr til håndboring er fremstillet af letmetal for at mindske vægten. På Figur 11 er vist et eksempel på udstyr, der er adskilleligt.

Figur 11
Adskilleligt udstyr til håndboring

Adskilleligt håndboreudstyr fås generelt i dimensionerne fra 3" til 6" og kan afhængigt af jordbundsforholdene anvendes ned til 4-6 meters dybde.

Kun i øvre lag

Håndboring anvendes generelt i øvre lag, hvor stabilitetsproblemerne normalt ikke er fremherskende. Der kan dog til nogle udstyrstyper fås arbejdsrør i letmetal i 0,5 og 1 meters længder med gevindsamlinger. Arbejdsrørene trykkes og roteres ned med håndkraft ved hjælp af et håndtag, der kan spændes på arbejdsrørene.

Løsboringen og opsamlingen af materiale udføres ved at dreje og presse værktøjet ned i formationen. Når værktøjet er fyldt med løsboret materiale, trækkes det op og tømmes.

1.3.2 Uforet, tør rotationsboring

Princip

Ved uforet, tør rotationsboring forstås, at der ikke anvendes et forings- eller arbejdsrør for at stabilisere borehullet under udførelsen, og at løsboret materiale bringes til terræn ved mekaniske hjælpemidler. Materialet bringes op enten indeholdt i et boreværktøj, der løftes op, eller det skubbes/transporteres op ved fysisk påvirkning af boreværktøjet. Løsboringen af materialet sker ved en roterende og skærende bevægelse af de anvendte boreværktøjer.

Anvendelse

Denne metode er den mest anvendte ved undersøgelsesboringer for geotekniske, miljøtekniske og geohydrologiske formål i de øvre løsjordsaflejringer. Den anvendes også i stor udstrækning til at gennembore øvre løsjordsaflejringer for at etablere et hul til nedsætning af en topforing, når der udføres fx omvendt skylleboring, jf. afsnit 1.4.2, eller som forboring, når der skal installeres sugespidser, pejlerør, telefonpæle, hegnspæle, punktfundamenter m.m.

Boreværktøj

I borehullet bruges et boreværktøj, der er monteret på en borestamme (sammensat af en eller flere borestænger), der har til formål at overføre rotationen fra borehovedet på den anvendte borerig til boreværktøjet, som vist på Figur 12. Borestængerne tjener desuden til optrækning og nedsætning af boreværktøjet. Borehovedet er monteret på en borevogn, der ved wiretræk eller kædetræk kan forskydes op og ned ad boretårnet (boremægleren) styret af skinner. Borehovedet er en hydraulisk motor med gearkasse og nedadrettet udgangsaksel med en koblingsanordning til de anvendte borestænger. Via borehovedet påføres borestængerne såvel rotation som tryk og træk.

Figur 12
Boring med tør, uforet rotationsteknik

Det anvendte boreværktøj kan have mange forskellige udformninger, og valget af boreværktøj tilpasses den aflejringstype, der skal gennembores. Skift af boreværktøjer under udførelse af den enkelte boring udføres, når boreformanden vurderer, at det er formålstjenligt.

For alle værktøjer gælder det, at skærefladen eller flader, der er udsat for stort slid under boreprocessen, belægges med hårdmetal.

Figur 13
Boreværktøjer til tør, uforet rotationsboring

Typer af boreværktøj

Ved udførelse af tør, foret rotationsboring anvendes normalt borestænger med notsamlinger og tilhørende låsebolte. Derved kan der udføres såvel højre- som venstrerotation under borearbejdet, hvilket er en stor hjælp. Desuden er der en stor tidsbesparelse ved under optrækning og nedsætning af borestammen at arbejde med notsamlinger frem for gevindsamlinger.

Under boreprocessen roteres og presses boreværktøjet ned i den aflejring, der skal løsbores. Når boreværktøjet er fyldt, eller hvis en ønsket dybde er nået, trækkes værktøjet op og tømmes for løsboret materiale. Herefter nedsættes værktøjet (eller andet mere velegnet værktøj) igen, og processen gentages.

Sneglebor

Ved anvendelse af sneglebor kan det være nødvendigt at holde igen på borestammen, så sneglen ikke skruer sig selv ned i aflejringerne som en proptrækker, da det så kan være svært at trække den op.

Sneglen har samme udvendige diameter hele vejen, hvilket gør, at der ved optrækning og specielt ved hurtig optrækning etableres et vacuum under skæret på snegleboret. Herved kan der opstå stabilitetsproblemer i boringen, hvis der bores i bløde og måske sandede eller siltholdige aflejringer. Hvis aflejringerne tilmed er vandførende, forstærkes stabilitetsproblemet.

Snegleboret er følgelig bedst i ler og i aflejringer, der ligger over det naturlige grundvandsspejl.

Andet værktøj

Kopbor eller skebor samt fræsere er normalt udformet, så skæret etablerer et borehul, der er nogle få millimeter større end diameteren på kroppen af boreværktøjet - dvs. udvendig diameter på det stålrør, som værktøjet er produceret af. Herved mindskes risikoen for, at der opstår vacuum under værktøjet, når det trækkes op.

Ydelse

Når der anvendes uforet, tør rotationsboring til forundersøgelsesformål (geotekniske og miljøtekniske boringer), vil der normalt blive boret i dimensioner fra 3" til 6" til dybder indtil 6 meter. Kontinuerte sneglebor kan dog anvendes til langt større dybde, op til 15-20 meter, hvis forholdene tillader det. Omdrejningshastighederne ligger i intervallet 30-60 omdrejninger pr. minut.

Sneglebor og kopbor anvendes ved forboringer til skylleboringer i dimensioner op til 16"-20"; men i så fald bruges en noget mindre omdrejningshastighed.

Ved specielle boringer for punktfundamenter eller lignende anvendes korte sneglebor med en diameter på indtil 80-100 cm.

1.3.3 Foret, tør rotationsboring

Ved foret, tør rotationsboring anvendes et foringsrør eller arbejdsrør til at stabilisere borehullet, og løsboret materiale bringes til terræn ved mekaniske metoder. Løsboringen af aflejringen sker ved en roterende og skærende bevægelse af de anvendte boreværktøjer.

Figur 14
Borerig med foret, tør rotationsboring

Metoden er en udbygning af den uforede, tørre rotationsboreteknik med et foringsrør, der nedbringes i takt med uddybningen af boringen for at stabilisere borehullet (figur 14). Metoden muliggør boring i aflejringer, der ikke er stabile - specielt boring i grus, sand og silt under grundvandsspejlet. Samtidig muliggør denne teknik generelt boring til større dybder.

Figur 15
Boreværktøj til foret, tør rotationsboring

Udstyr

Der anvendes stænger og boreværktøjer af type som vist på Figur 15. Boreriggene vil normalt være lidt kraftigere for at kunne nedbore foringsrøret/arbejdsrøret og for at kunne håndtere de lidt større dybder, der normalt er interessante for denne teknik.

Foringsrøret skal normalt kun bruges under udførelsen af boringen og er derfor fremstillet af 1-2 meter lange stålrør med gevindsamlinger. Det nederste foringsrør/ arbejdsrør er enten fremstillet med et savtakket skær med hårdmetalbelægning, eller der er påskruet en bundsko eller boresko på den nederste gevindende.

Foringsrørene vil normalt have venstreskåret gevind for at hindre, at friktion mellem boreværktøj, der roteres højre om, og foringsrør skal skrue de nederste rør løse.

Foringsrørene kan nedbores med boreriggens borehoved, ved at der monteres et overgangs- eller koblingsstykke øverst på det rør, der skal nedbores. Koblingsstykket fastgøres til borehovedet, så der kan overføres tryk og rotation til foringsrøret. Ved denne anordning kan foringsrør ikke roteres ned samtidig med, at borestammen er installeret i borehullet.

Uddybning af boringen og nedboring af foring må derfor ske skiftevis.

Bundklemme

Boreriggen vil normalt være forsynet med en foringsrørsklemme - kaldet en bundklemme - nederst på mægleren. Bundklemmen kan åbnes og lukkes hydraulisk og således holde foringsrøret fastlåst i sin vertikale position samt danne modhold, når rør skal skrues af eller på.

Rørbevæger

Nogle rigtyper har nederst på boretårnet/mægleren påmonteret en rørbevæger (casing rotator), der uafhængigt af borehovedet kan nedbringe foringsrørene. Herved kan uddybning og stabilisering ske samtidigt.

Rotationsboreværktøjerne, sneglebor, kopbor mv. er ikke anvendelige ved boring i sandede aflejringer under vandspejlet. Her anvendes sandspande som omtalt under slagboring i afsnit 1.2.

Borerig

Borerigge til foret, tør rotationsboring er derfor ofte udstyret med et slagværk enten et excenterslagværk monteret bag på mægleren eller et cylinderslagværk monteret på toppen af mægleren.

Boreværktøj

Boreværktøjerne, herunder sandspande, skal have en diameter, der er en lille smule mindre end den indvendige diameter på de anvendte foringsrør dels for at sikre passage gennem foringrørene dels for at modvirke dannelse af vacuum under boreværktøjet ved optræk. Diameteren på boreværktøjet skal samtidig være sådan, at der ikke efterlades en skal af jord inden i foringsrøret.

Ydelse

Foret, tør rotationsboring anvendes i stor udstrækning til forundersøgelsesformål (geotekniske og miljøtekniske) og normalt i dimensionerne 4" og 6" og i dybder indtil 0-30 meter.

Metoden anvendes også i større dimensioner, 8", 10" og 12" til boring af filterbrønde til vandforsyning og grundvandssænkning. Metoden er særlig velegnet til etablering af filterbrønde i forbindelse med forureningsprojekter, idet metoden ikke introducerer skyllevæsker (boremudder) i boringen og dermed mulige fejlkilder ved efterfølgende analyser af oppumpet formationsvand.

En anden anvendelse af foret rotationsteknik er til gennemboring af løsjordsaflejringer med tilhørende nedsætning af stålforing til faste aflejringer - fx til kalk - før der her skiftes til en anden boreteknik såsom skylleboring, trykluftboring eller diamantkerneboring.

Foret, tør rotationsboring i disse dimensioner 8" - 12" anvendes i dybder indtil 80 meter.

1.3.4 Hollow Stem Auger boring

Amerikansk metode

Hollow Stem Auger boring er en meget anvendt amerikansk metode fortrinsvist beregnet til undersøgelsesboringer med geotekniske formål. Metoden har aldrig vundet indpas på det danske marked, formodentlig fordi man ikke opnår en veldefineret dybdeangivelse af laggrænser.

Metoden beskrives her, fordi den danner basis for en metode, der er taget i brug på det danske marked de seneste år. Denne metode - hulsneglboring - er beskrevet i afsnit 7.2.5.

Princip

På Figur 16 er vist princippet i et Hollow Stem Auger udstyr.

Se her!

Figur 16
Hollow Stem Auger udstyr (Drill.Tech.)

Det består af et sneglebor med et rør som kerne eller centerstang.

Sneglesektionerne er alle ens og af standardlængde, og de kobles sammen. Sneglesektionerne har samme lysning (indvendig diameter) hele vejen og tillader, at der nedsættes indvendige borestænger gennem sneglen. Disse borestænger er af samme standardlængde som sneglesektionerne.

På nederste sneglesektion sidder en ringborekrone med tænder (hårdmetalbelagte), der kan løsbore et ringareal svarende til den hule snegls tværsnit.

På nederste borestang sidder et overgangsstykke, en prop, der passer præcis inden i ringborekronen og slutter tæt til denne, så der ikke kan komme løsboret materiale ind mellem sneglens centerrør og borestængerne. I bunden af denne prop sidder en pilotborekrone, der løsborer materialet i den centrale del af borehullet.

I toppen af den hule boresnegl monteres koblingsstykker (adaptere), der fastlåser den indvendige borestang og den hule boresnegl til hinanden. Adapteren har en kobling til borehovedet. Herved opnås, at snegl med ringborekrone og borestang med pilotborekrone roteres sammenlåst.

"Forsinket" prøvetagning

Borearbejdet udføres ved, at snegl med ringborekrone og pilotborekrone roteres ned, og løsboret materiale transporteres op ad den udvendige sneglegang. Der vil naturligvis være forsinkelse i materialetransporten, så det løsborede materiale først kan ses og vurderes ved terræn nogen tid efter gennemboringen af det niveau, hvori materialet var lejret. Herved kan det være svært at få en nøjagtig bestemmelse af dybden til laggrænser.

Forsøg og prøvetagning

Udtagning af intakte prøver samt udførelse af forsøg i boringen (vingeforsøg, SPT-forsøg) sker ved optræk af borestænger og pilotkrone, og nedsætning af prøveoptager eller forsøgsudstyr sker gennem den hule snegl. Sneglen fungerer i princippet som et foringsrør/arbejdsrør.

Anvendelse

Metoden er anvendelig i løsjordsaflejringer og også i aflejringer med rimelig stor hårdhed. Problemerne opstår ved boring i vandførende aflejringer med finsand og silt, idet disse materialer kan trænge igennem eller sætte sig fast i samlinger og specielt mellem proppen på borestængerne og ringborekronen.

Ved optræk af borestænger og pilotkrone i finsand og silt er der stor risiko for, at formationsmateriale skyder op inde i den hule boresnegl.

Opskydning kan reduceres ved tilsætning af vand til boresneglens centerrør før centerborestænger trækkes op.

1.3.5 Boring med hul boresnegl

Ny metode

I de seneste år er der udviklet en teknik, der kombinerer 'Hollow Stem Auger' boreteknikken med den 'wireline teknik', som kendes fra diamantkerneboringer, jf. afsnit 1.6.2.

Princip

Teknikken er så ny, at den endnu ikke har fået en dansk betegnelse. Almindeligvis omtales den som 'boring med hulboresneglen', hvilken betegnelse vil blive brugt efterfølgende.

Udstyret består af hule sneglesektioner, der sættes sammen som ved 'Hollow Stem Auger' udstyret. Den nederste del er specielt udformet med indvendige udfræsninger, der gør, at nedsænket udstyr kan fastlåses indvendigt i den nederste sneglesektion. Nederste sneglesektion er endvidere forsynet med en ringborekrone.

De indvendige borestænger er erstattet med udstyr, der kan fires ned med wire og frigøres, når de har nået den ønskede position, hvorefter wiren kan trækkes op. Tilsvarende kan wiren fires ned med fangeudstyr, der "fanger" det indvendige udstyr, frigør dette og holder det fast, mens det trækkes op.

Anvendelse

Figur 17
Udstyr til boring med hulboresnegl (Nordmeyer)

Metoden er beregnet for boring i løsjord, men er ikke velegnet i stærkt stenholdige materialer eller hårde sammenkittede eller cementerede aflejringer. Den er ej heller anvendelig i bjergarter, herunder kalk.

Metoden er meget hurtig at arbejde med, da den tidskrævende operation med optrækning og nedsætning af borestænger undgås. Samtidig kan udstyret fås i dimensioner, der gør det muligt at sætte filtre og udføre gruskastning inde i sneglesektionerne.

Ydelse

Der findes udstyr med indvendige lysninger i intervallet 80-200 mm og med maksimal udvendig diameter (borehullets diameter) mellem 140 og 300 mm.

Udstyret anvendes primært til mindre vandforsyningsboringer (private vandboringer) samt filterbrønde til projekter på forurenede arealer og i mindre udstrækning til undersøgelsesboringer på forurenede arealer.

Metoden er endnu ikke generelt accepteret til brug ved geotekniske forundersøgelser i Danmark.

1.4 Skylleboring

Mest anvendt til olieefterforskning

Vi vil i dette afsnit omtale skylleboremetoden - en mere præcis beskrivelse vil være rotationsskylleboremetoden. Boremetoden er den mest anvendte i verden i dag, og den har især vundet udbredelse inden for olieindustrien.

Som nævnt i afsnit 1.2.1 er skylleboring en metode, hvor løsboret materiale, "cuttings", bringes op til terræn ved en væskestrømning. Der skal således ikke ske en jævnlig optrækning af borestænger eller sandspande for at fjerne løsboret materiale fra boringen.

Dette gør, at boremetoden er hurtig og effektiv, og tiden for boring af en meter borehul er ikke afhængig af boredybden, men kun af formationens hårdhed.

Væsken, også kaldet boremudderet, kan være rent vand, men der vil normalt være tilsat additiver (materialer, der giver væsken de ønskede egenskaber). Additiverne har i relation til transporten af cuttings primært til formål at øge boremudderets viskositet og dermed boremudderets evne til at løfte cuttings op til terræn. Jo højere viskositet en væske har, jo større evne har den til at bære cuttings.

Den hastighed, hvormed cuttings transporteres til terræn, afhænger af form og vægt for den enkelte partikel i cuttings - jo mere findelt og dermed jo lettere cuttings, jo hurtigere transporteres disse op til terræn.

Grundet varierende partikelstørrelse sker der en opblanding af cuttings fra forskellige dybder under transporten til terræn, og opblandingsgraden øges med dybden.

De cuttings, der observeres på et givet tidspunkt ved terræn, stammer følgelig fra aflejringer, der ligger højere oppe end det niveau, der bores i, når observationen sker.

Begrænsninger

Recirkulering udføres for at reducere omkostningerne til boremudder. Samtidig bevirker recirkulationen, at boreentreprenøren minimerer sit udledningsproblem og de dermed forbundne miljøproblemer ved brug af specielle additiver.

Fjernelse af cuttings fra boremudderet er nødvendigt for at undgå boretekniske problemer. Det er begrænset, hvor tyk en væske, der kan pumpes rundt i systemet. Boreprocessen går således i stå - borestængerne låses fast - hvis boremudderet indeholder for mange cuttings.

Vægten af boremudderet øges, jo flere cuttings boremudderet indeholder. En tung boremudder trænger længere ud i permeable formationer end en let boremudder, hvilket kan ødelægge boringens senere anvendelse, fx til vandforsyningsformål. Boremudder skal behandles - conditioneres - så dets planlagte egenskaber bibeholdes gennem hele boredybden.

Rotationsskylleboringer af den type, som er omtalt i dette afsnit, holdes stabile ved hjælp af overtryk i boringen. Overtrykket etableres ved hjælp af den anvendte boremudder, dels ved at holde boremudderstanden (overfladen af boremudderet) over vandstandsniveauet i de omgivende jordlag, dels ved evt. at øge rumvægten af boremudderet.

Standrør

Normalt sættes en stålforing (et standrør) i de øverste løsjordsaflejringer for at holde disse stabile, idet et hurtigt flow op eller ned gennem et åbent hul ved terræn vil skabe stor erosion omkring borehullet og eventuelt fjerne understøtningen for boreriggen.

En mere detaljeret beskrivelse af skyllesystemer samt boremuddertyper, deres anvendelse, formål og funktion fremgår af afsnit 1.10 og 1.11.

Transport af cuttings

1.4.1 Direkte skylning

Princip

Ved rotationsskylleboring med direkte skylning løsbores formationen i boringens bund med en borekrone - kaldet en mejsel - ved rotation af denne under et konstant tryk. Princippet i selve løsboringen afhænger af typen af mejsel, der igen afhænger af formationstypen.

Rotationen og trykket overføres til mejslen gennem vægtstænger og borestænger, der øverst er forbundet til en rotationsenhed.

Cuttings fjernes kontinuert fra mejslens skær og bunden af boringen ved renskylning med boremudder, der pumpes ned gennem borestammen og ud gennem mejslen.

Boremudder indeholdende cuttings trykkes op gennem ringvolumenet mellem borestammen og borehulsvæggen.

Overførsel af rotation

Figur 19
Topmonteret Rotationsborehoved (Drill.Tech.)
  

Figur 20
Bundmonteret turbine (Drill.Tech.)
  

Rotationshastighed

Rotationshastigheden på en mejsel skal fastlægges, dels ud fra mejseltypen, dels ud fra, hvilken formation der bores i, og endelig ud fra mejslens diameter.

Mejslen skal for at løsbore formationsmaterialet dels roteres, dels påvirke formationen med et tryk i kontaktpunkterne. Det betyder, at mejslen skal påvirkes med et nedadrettet tryk.

Det nødvendige tryk afhænger af mejslens størrelse, mejseltypen, formationstypen, rotationshastigheden m.m. I afsnit 1.9 gives en mere detaljeret redegørelse for trykkræfterne.

Borestamme

Lad os se på opbygningen af en borestamme for at forstå, hvordan vægten på mejslen tilvejebringes, og hvordan boretekniske problemer kan undgås ved fornuftig opbygning af borestammen.

Nederst sidder mejslen som vist på Figur 21.

Figur 21
Borestamme med vægtstænger

Oven på mejslen anbringes nogle tykvæggede og tunge stålrør, der fungerer som vægtstænger. Den engelske betegnelse for vægtstænger er 'drill collar', og denne betegnelse bruges ofte i den danske borebranche.

Oven på vægtstængerne sidder borestængerne, der er tyndvæggede stålrør. Disse fremstilles til tider af aluminium. Borestængerne kobles øverst til borehovedet. Der tilføjes borestænger i takt med uddybningen af boringen.

Mængden af vægtstænger planlægges, således at disse tilvejebringer cirka den vægt, der skal påføres mejslen, for at mejslen kan løsbore formationen.

Fordele ved vægtstænger

Hvis vægtstængerne var udeladt, kunne der opstå situationer, hvor der måtte trykkes på toppen af borestammen for at få mejslen til at arbejde hensigtsmæssigt i formationen. Herved ville borestammen få udbøjninger, fordi den virker som en høj, slank søjle. Mejslen ville blive presset ud mod siden af borehullet, og boringen ville afvige fra den vertikale boreakse, jf. Figur 22.

Figur 22
En borestamme uden vægtstænger

Der ville samtidig opstå problemer med boringens stabilitet, da borestængerne konstant ville slå mod borehulsvæggen og udvide boringens tværsnitsareal ud for bløde, mindre stabile aflejringer. Et større tværsnitsareal ville betyde et fald i strømningshastigheden for boremudderet i det pågældende niveau.

Boremudderets strømningshastighed ville eventuelt blive reduceret så meget, at det ikke ville kunne transportere de største cuttings. Koncentration af cuttings ville øges med fare for blokering af boremudderstrømningen og fastlåsning af borestammen.

Figur 23
Mejseltyper

Mejseltyper

Som nævnt forrest i dette afsnit, sikrer stabiliteten af boringen ved etablering af et overtryk i boringen med boremudder.

Figur 24
Principskitse af direkte skylleboreteknik

På Figur 24 er princippet i direkte skylleboring illustreret. En mere detaljeret beskrivelse af skyllesystemer fremgår af afsnit 1.10.

Anvendelse

Rotationsskylleboring anvendes som tidligere anført inden for olieindustrien, hvor der er boret huller til mere end 10.000 meters dybde. I sådanne tilfælde udføres der teleskopboring med sætning af flere stålforinger ~8" til ~30", der cementeres fast. Disse store dimensioner kræver meget stor pumpekapacitet og specielle borestænger.

I Danmark anvendes rotationsskylleboreteknikken med direkte skylning hovedsageligt til vandforsyningsboringer (markvandingsboringer) og i mindre udstrækning til undersøgelsesboringer.

Dette skyldes de tidligere omtalte problemer med fastlæggelse af laggrænser og udtagning af repræsentative prøver fra cuttings i boremudderet.

Ydelse

Der bores normalt herhjemme i dimensioner fra 6" og op til 12" og ned til dybder på 2-300 meter - i enkelte tilfælde ned til 5-600 meter.

1.4.2 Omvendt skylning

Princip

Ved omvendt skylning vendes strømningsretningen på boremudderet. Boremudderet strømmer ned i ringvolumenet mellem borehullets væg og borestængerne, henholdsvis vægtstængerne, og strømmer op inden i vægt- og borestængerne (figur 25).

Figur 25
Principskitse af omvendt skyldning

Da strømningstværsnittet indvendig i stængerne er lille, opnås her en stor strømningshastighed på boremudderet, der skal renskylle borehullets bund og bære cuttings op til terræn. Boremudderets evne til at transportere cuttings (rense boringen) bliver derved uafhængig af borehullets diameter, og boreentreprenøren kan øge borediameteren uden samtidig at skulle øge sin pumpekapacitet væsentligt.

Transport af cuttings

Den nedadrettede strømningshastighed i ringvolumenet mellem borehulsvæg og stænger bliver til gengæld lille på grund af større strømningstværsnit, og den aftager med øget borediameter. Dermed mindskes risikoen for erosion af borehullets vægge.

En borestamme til omvendt skylning er i princippet opbygget på samme måde som en borestamme til direkte skylning. Der anvendes dog kun mejsler med stor central lysning, så der skabes så fri passage som muligt for boremudder med cuttings.

Denne lysning - åbningsareal - skal bibeholdes hele systemet igennem lige til udledningen af boremudderet i bassinet for at undgå tilstopning.

For at mindske strømningsmodstanden i rørene anvendes generelt rør med større diametre end ved den direkte rotationsskylleboremetode.

Da strømningshastigheden i den cuttingsbærende boremuddersøjle er væsentlig større ved den omvendte skylning end ved den direkte skyllemetode, vil cuttings ved omvendt skylning blive bragt hurtigere til terræn og ikke nå samme grad af udvaskning, sortering og opblanding som ved direkte skylning.

Fordele

For at undgå overfladenære erosionsproblemer sættes normalt et standrør (arbejdsrør) gennem de øverste meter af løsjorden. Standrøret har overløbsstuds med tilslutning til mudderbassin.

Standrøret graves ned i forbindelse med etableringen af mudderbassinet, eller der udføres en forboring med et sneglebor eller lignende før etableringen af tilslutningen til mudderbassinet.

Pumpning af boremudder

Cirkulationen af boremudderet kan ske med en stor centrifugalpumpe, hvis sugeside er tilsluttet toppen af borestammen. Der skal naturligvis anvendes specielle og særligt robuste pumper, da boremudder med cuttings skal strømme gennem pumpen før udledning til mudderbassin. Der kan indbygges en "stenfælde" på ledningen, hvor sten enten ved egenvægten eller ved en centrifugalkraft fanges i en lukket container, før de når frem til pumpen. Containeren må åbnes og tømmes for sten ved passende stop i boreprocessen.

Centrifugalpumper er ikke selvansugende, og systemet - borestænger over væskestand i bassin, sugeslange og centrifugalpumpe - må derfor evakueres for at kunne begynde cirkulationen af boremudder.

Den her nævnte boremetode kaldes for sugeboring. Sugeboringsmetoden som omvendt skylleboringsteknik anvendes sjældent i Danmark.

Centrifugalpumpen kan erstattes med et ejektorsystem som vist på Figur 26. Herved undgås, at boremudder med cuttings skal igennem et pumpesystem. En højtrykspumpe pumper renset boremudder gennem en eller flere ejektorer anbragt i strømningssystemet. Herved etableres en sugeeffekt tilstrækkelig til at holde cirkulationen i gang. Princippet er kendt fra ejektorpumper.

Figur 26
Principskitse af omvendt skylning, ejektormetoden

Ydelse

Metoden kan anvendes til boringer i stor dimension til flere hundrede meters dybde. Begrænsningerne for boredybdens vedkommende ligger i strømningstabet i borestængerne. Ønskes en større boredybde, kan borestængerne øges til en større dimension, hvorved tryktabet pr. meter borestang reduceres. Borehullets diameter skal dog fortsat være væsentlig større end borestængernes, så erosion af borehullets væg på grund af for hurtigt nedstrømmende ren boremudder undgås.

1.4.3 Lufthæveboring

Princip

Den i Danmark oftest anvendte skylleboringsteknik med omvendt skylning er lufthæveboreteknikken. Den omvendte cirkulation af boremudderet frembringes ved at introducere trykluft i borestammen. Vi vil kort se på, hvordan princippet virker.

Figur 27
Forbundne kar

Hvis vi med en slange forbinder to kar, der som vist på Figur 27 indeholder samme væske, vil væsken strømme mellem karrene, til der er samme overfladeniveau i væsken i de to kar.

Hvis vi tilfører luft til det ene kar, vil den væske, der bliver blandet med luften, få en mindre rumvægt. Der vil så strømme væske fra karret uden lufttilsætning over til karret med lufttilsætning, indtil der er samme tryk i det niveau, hvor luften tilledes (og i lavere niveauer). Væskeoverfladen vil således stille sig højere i karret med lufttilsætning. Jo mere luft, der tilledes, jo større vil højdeforskellen mellem de to væskeoverflader blive.

Dette princip udnyttes ved lufthæveboreteknikken, således som vist på Figur 28.

Figur 28
Princip for lufthæveboreteknik

Injektion af luft

Der injiceres så meget luft inde i borestængerne under boreprocessen, at der ikke kan opnås en ligevægtssituation mellem væsketrykket i borestangen og væsketrykket mellem borestænger og borehulsvæg. Der vil derved opstå en strømning af boremudder ned mellem borehulsvæg og borestænger og op inde i borestængerne.

Strømningshastigheden er styret af hvor meget luft, der tilføres pr. tidsenhed, og den kan blive høj.

Tiden

Borestammen til lufthæveboring er fra bunden af stammen opbygget af en mejsel med stor centralåbning efterfulgt af vægtstænger, som skal påføre vægt på mejslen. Fra vægtstænger til rotationsborehoved er monteret borestænger. Et passende sted på borestammen er indbygget en luftsluse (trykluftpassage), der leder trykluften ind i borestammen.

Der anvendes i Danmark to typer af borestænger. Den ene type har flangesamlede rør, hvor trykluft ledes ned gennem et eller to rør, som er fast monteret udvendigt på borestangen. Der skal være gennemboring af flangerne for luftpassage. For at opnå en sikker tætning ved flangerne anvendes pakninger eller O-ringe ved samlingerne. Denne type borestænger kræver borediametre på ca. 12" eller større for at sikre et tilstrækkeligt nedadrettet flow af boremudder uden om flangerne.

Den anden type borestænger består af dobbeltvæggede rør, hvor trykluften ledes ned i mellemrummet mellem indvendige og udvendige rør, og blandingen af luft, boremudder og cuttings strømmer op i det inderste rør. Borestængerne har gevindsamlinger med gummiringe i samlingerne for at sikre tætheden. De dobbeltvæggede borestænger har en maksimal udvendig diameter, der er mindre end de flangesamlede rørs diameter (ved flangerne), hvorfor lufthæveteknikken med brug af denne type borestænger kan anvendes til boringer med diametre ned til 10" og 8".

Boringernes udførelse

Borehullets stabilitet sikres ved at skabe overtryk i borehullet med boremudder efter samme princip som beskrevet i afsnit 1.4.2.

Der etableres et standrør gennem de øverste meter af løsjorden ved hjælp af anden teknik for at sikre mod erosionsproblemer. Det er nødvendigt at have et væskefyldt borehul af en vis dybde (6 - 8 m u.t.) før opstart med lufthæveteknik, idet etableringen af trykforskellen mellem væskesøjlerne inden i og uden for borestængerne kræver en væskesøjle af denne størrelsesorden.

Cirkulationen af boremudder og dermed boreprocessen går i stå, når trykket i boremuddersøjlen inde i borestammen er lig med eller større end lufttrykket fra kompressoren ved luftslusens indgang i borestammen. Hvis boringen ønskes ført til større dybde, må borestammen trækkes op, og luftslusen flyttes højere op på borestammen. Herefter kan boreprocessen fortsættes, indtil trykket i boremuddersøjlen igen er lig lufttrykket ved sluseindgangen.

Anvendelse

Lufthæveteknik anvendes i stor udstrækning til vandforsyningsboringer og i nogen udstrækning til filtersatte boringer i forbindelse med afhjælpningsprojekter (afværgeprojekter) på forurenede arealer.

1.5 Trykluftboring

Vi skal i dette afsnit beskæftige os med en speciel form for rotationsskylleboring, hvor skylningen sker med luft. Der kan dog også her anvendes tilsætningsmidler (additiver) for at hæve viskositeten i skyllemidlet (luften).

Traditionelle metoder

Ovennævnte forhold satte for 40-50 år siden gang i en udvikling af trykluftteknikker, primært beregnet på boring i bjergarter.

Trykluftteknologien har været kendt fra den såkaldte skarvboringsteknik, anvendt inden for minedrift til boring af sprænghuller, og fra opbrydningsværktøjer til boring af huller i beton. I begge situationer slår en hammer på toppen af en borestamme, og trykluft bruges til at blæse løsboret materiale ud af borehullet.

Man kan også beskrive metoden som en kombination af linestødsboreteknikken, hvor mejslen løsslår formationsmaterialet i bunden af boringen, og skylleboreteknikken med rullemejsler, der dels knuser formationsmaterialet lige under kontaktfladen på tænderne, dels skubber det op fra borehulsbunden, så boremudderet kan løfte det op til terræn.

Et nyt princip

De store fremskridt i udviklingen skete, da der blev udviklet en hammer - en slagmekanisme - der kunne monteres i bunden af borehullet direkte oven på borekronen (mejslen). Hammeren blev drevet af strømmende luft. Borekronen var til at begynde med en krydsmejsel som vist på Figur 29.

Se her!

Figur 29
Udvikling af borekroner

I slutningen af 1960'erne udvikledes borekroner med hårdmetalstifter, der blev presset ind i borekronen i stedet for at blive loddet fast. Dette bevirkede en væsentlig længere levetid for borekronerne og dermed også en reduceret boremeterpris.

Hårdmetalstifter kan samtidig placeres, hvor de har størst effekt, dvs. i den yderste del af borekronen, hvor der skal opbores det største areal.

Fordele

Tilstedeværelsen af vand i formationen giver begrænsninger for metodens anvendelse, som skal omtales i det følgende.

Hammerens slag frembringes af et stempel i denne. Stemplets op- og nedadgående bevægelse frembringes ved trykluft. Efter at trykluften har passeret stemplet, føres luften ud gennem borekronen og blæser cuttings væk fra boringens bund og ud af borehullet.

Hvis det hydrostatiske tryk i boringen er større end det tryk, kompressoren kan levere, eller større end det lufttryk, hammeren er dimensioneret til, kan boringen ikke renblæses for vand, så borearbejdet kan fortsætte.

En 10 meters vandsøjle svarer til 1 bars tryk, og de fleste hamre arbejder ved 15- 18 bars lufttryk, så boringer til 150 m under vandspejlet kan generelt udføres uden problemer, hvad tryk angår.

Vi har hidtil talt om hamre placeret lige over borekronen. Der findes også topmonterede hamre, der hovedsageligt fremstilles som hydraulikhamre. Disse systemer omtales i afsnit 1.7. Forskellen på topmonterede og bundmonterede hamre er illustreret i Figur 30.

Figur 30
Placering af hamre (Drill.Tech.)

For såvel topmonterede som nedsænkede hammersystemer er der udviklet metoder, så der kan nedbores stålforinger samtidig med uddybningen af boringen.

To typer trykluftsboringsmetoder

1.5.1 DTH-boring

Princip

Ved DTH-boring tilvejebringes rotationen af borehovedet på boreriggen. Dette vil normalt være hydraulisk drevet og med gennemgang for tilførsel af luft gennem borehovedet og ned gennem borestængerne til DTH-hammeren (figur 31).

Figur 31
Principskitse af DHT-boreteknik

Da der kun trykkes ganske let på toppen af borestængerne for at holde borekronen i kontakt med formationen, anvendes der kun vægtstænger for at sikre tilstrækkeligt borekronetryk, når der bores i store dimensioner.

For at sikre lige boringer kan der indsættes styr (centreringsstykke) på borestammen. Disse placeres oftest lige over hammeren og har en diameter, som er en lille smule mindre end borekronens diameter. På Figur 32 er vist opbygningen af en borestamme til DTH-boring.

Figur 32
Borestamme til DTH-boring
  

DTH-hammer

DTH-hammeren er en tryklufthammer, der i princippet er en cylinder med et stempel, der ved lufttryk og luftsluser/-kanaler bringes til at slå på borekronens skaft.

Hammeren er opbygget, så borekronens skaft efter montage i hammeren har en lille frigang i hammerens længdeakse.

Borekronens skaft skal trykkes op i hammeren, for at stemplet i hammeren aktiveres. Det sker ved at sætte borekronen mod bunden af boringen. Når borestammen med DTH-hammer og borekrone løftes, synker eller slås borekrone og skaft et lille stykke ud af hammeren, hvilket medfører, at luftstrømmen omdirigeres, og stemplet holder op med at slå.

Borekrone

Borekronen er udskiftelig, og rotationen overføres fra hammer til borekronen gennem en splined kobling, jf. Figur 30. Rotationshastigheden skal ligge i intervallet 15- 50 omdrejninger pr. minut og i øvrigt efter fabrikantens vejledning. Der skal anvendes størst hastighed for de små hamre, som bruges ved små borehulsdiametre, jf. Figur 33.

Figur 33
Rotationshastighed ved DTH-boring (Halco)

Hårdmetalstifterne på borekronen slår mod formationen og knuser denne i kontaktpunktet. Chokeffekten forplanter sig og skaber en svagere zone omkring det nedknuste område. Hammeren når at dreje en lille smule, før næste slag/chokpåvirkning rammer den svage zone og knuser materialet, samtidig med at den skaber en ny, svag zone foran den enkelte hårdmetalstift.

Borekronerne har luftkanaler, hvor den luft, der er gået igennem hammeren, fortsætter ud gennem borekronen, renblæser borehullets bund og bærer cuttings op til terræn. Når stemplet i hammeren ikke er aktiveret, er luftgennemstrømningen i hammeren op til 70% større. Dette udnyttes, hvis lufthastigheden under boreprocessen er for lille til at rense boringen for cuttings. Borearbejdet stoppes da ved, at hammer med mejsel løftes fra boringens bund, og boringen renblæses. Hammer og mejsel sænkes igen efter renblæsningen, og hammeren begynder automatisk at arbejde igen.

Dimensioner

DTH-hamre fabrikeres i mange størrelser med udvendige diametre i intervallet 2" til 12" til anvendelse inden for de arbejdsområder, vi beskæftiger os med.

Borekronernes udvendige diameter er lidt større end hammerens for at skabe plads til luftpassage med cuttings. De til ovennævnte hammerstørrelse svarende udvendige diametre på borekroner ligger i intervallet 3" til 20". Der kan eksempelvis monteres en 8" borekrone på en 6" DTH-hammer. Der er imidlertid en øvre grænse for borekronens overstørrelse i forhold til hammeren, idet hammerens effekt skal passe til borekronens størrelse, for at denne kan arbejde.

Standardisering

Tidligere har hver fabrikant af DTH-udstyr haft sit specielle design af kobling mellem hammer og borekrone. Koblingen var samtidig forskellig for de forskellige hammerstørrelser inden for samme fabrikat.

Der er nu ved at blive etableret en vis systematik, så flere fabrikanter af DTHudstyr anvender samme koblingstyper. Samtidig fremstilles borekronerne i visse standardmål, hvilket er vigtigt i den situation, hvor boringen skal fortsættes ned gennem en stålforing/casing.

DTH-hamre er fra fabrikantens side specificeret med et interval for arbejdstryk (lufttryk ved indgangen til hammeren), hvor hammeren kan arbejde. Nedboringshastigheden øges, hvis arbejdstrykket øges - inden for det anbefalede interval.

Trykluftsforsyning

Arbejdstrykket vil normalt være foreskrevet til at ligge i intervallet 7-24 bar. Den nødvendige luftmængde vil ligge i intervallet 5 til 30 m3 luft pr. minut afhængigt af hammerstørrelsen. Hertil skal lægges ekstra luftmængde for renblæsning af boringen.

Luften gennem hammeren renblæser borefladen og skal blæse cuttings ud af borehullet.

Afhængigt af formationens art, nedboringshastigheden samt tilstrømning af vand skal der være en opadrettet hastighed på luften i størrelsesordenen 900-1800 m/min.

Tilsætning af skum

En mulig måde at reducere behovet for luftvolumen på er tilsætning af skum til trykluften. Herved øges luftens ("skyllemidlets") viskositet og dermed evnen til at bære cuttings ud af boringen. Skum fås som en væske og blandes med vand i forholdet 0,5-2,0 liter skummiddel til 100 liter vand før injektion i luftstrømmen. Der injiceres mellem 1 og 25 liter skum-vand blanding pr. minut for hammerstørrelser mellem 3" og 12". Skum har en stabiliserende effekt på borehullet.

Den hurtige strømning af skylleluften bevirker, at cuttings kommer hurtigt op til terræn, og derved opnås en rimelig præcis dybdeangivelse af laggrænser. Den hurtige transport af cuttings uden en væsentlig opblanding giver samtidig nogenlunde repræsentative prøver af de gennemborede aflejringer, men materialet vil være stærkt nedknust.

Anvendelse

Ren DTH-boring anvendes i Danmark til boring i kalk- og flintaflejringer samt i bjergarterne på Bornholm. Metoden anvendes til undersøgelsesformål, hvor der ikke er krav om intakte prøver. Desuden laves en del filterbrønde, dvs. boringer, hvor der nedsættes et filterrør og udføres gruskastning omkring dette (jf. kapitel 8, Boringens konstruktion) samt en del åbentstående boringer. Begge typer boringer anvendes såvel til vandforsyning som til grundvandssænkning.

Metoden har også vundet udbredelse inden for forureningsprojekter, både i forundersøgelses og i udbedringsfasen. Det skyldes primært, at der ikke introduceres tilsatsmidler i boringerne, hvis skummidler udelades, sekundært at metoden er væsentlig hurtigere end de traditionelle tørboringsmetoder.

I udlandet anvendes DTH-boring til sådanne formål som: boring af sprænghuller, mineralprospektering, boring for jordankre, boringer til instrumentering og overvågning, minipæle og jordforbedring.

Vi skal her, uden nærmere beskrivelse, nævne, at der er udviklet DTHhamre med omvendt skylning, hvor der anvendes dobbeltvæggede borerør.

Aktuelt er DTH-hamre, der drives med vandtryk i stedet for trykluft, under afprøvning. Ved brug af sådanne hamre spares udgifter til store kompressorer med et stort brændstofforbrug. Der bruges vandtryk af anselig størrelse. Produktion af vandtryk er imidlertid ikke så energikrævende som lufttryk, og en samlet reduktion af produktionsomkostningerne vil kunne opnås.

Borehulsstabilitet

Stort set overalt, hvor der skal bores, er der et løsjordsdække. Mægtigheden vil variere; men selv meget små mægtigheder vil give stabilitetsproblemer, hvis der anvendes DTH-teknik fra terræn. Alene den meget høje hastighed på returluften vil spule løsjordsaflejringer i borehullet bort og gøre borehullet ustabilt. Problemet klares generelt ved, at der nedsættes en stålforing (en casing) gennem løsjorden og et lille stykke ned i den faste formation, hvor DTH-boring skal udføres.

Stålforingen kan etableres ved almindelig tør, foret rotationsboring, skylleboring med boremudder efterfulgt af nedsætning af stålforing eller DTH-hammeren kan monteres til at medbringe stålforingen under nedboringen. Næste afsnit beskriver denne metode.

1.5.2 Excenter-boring

Ved udførelse af excenter-boring anvendes stort set samme udstyr som til DTHboring. Ændringerne består i at udskifte pilotborekronen i hammeren med en excenter borekrone og en pilotborekrone samt supplere med en stålforing med en boresko. Den komplette borestamme er vist på Figur 34.

Figur 34
Borestamme til excenterboring

Excenterdelen er udformet og fastgjort til borekronen, sådan at en højre-rotation får den til at svinge ud i borepositionen, og en venstrerotation skubber den ind, således at hele borekronen kan trækkes op gennem stålforingen, jf. Figur 35.

Når hammeren aktiveres og roteres, borer pilotkronen et hul i formationen, og excenterdelen af borekronen udvider borehullet (reamer hullet op til en større diameter). Kraven på styrestykket overfører samtidig en del af hammerens slagenergi til boreskoen, der er fastsvejset indvendigt på stålforingen. Derved trækkes denne med ned, uden at stålforingen roterer. Borestænger og styr svarer til udstyr anvendt ved DTH-boring; det samme gælder rotationsborehoved og borerig.

Stårforing

Til stålforing (casing) anvendes stål af ganske almindelig stållegering. Der anvendes normalt stålrør, der sammensvejses. Kun i begrænset udstrækning, hvor installationen er temporær, anvendes stålforing med gevindsamlinger. Der kan være problemer med at få gevindsamlinger til at holde til hammerslagets påvirkning under nedboringen.

Stålforinger fås i dag i standarddimensioner, som passer til standards for excenterborekroner. Der tillades dog en rimelig tolerance inden for den enkelte dimension. Udstyr kan naturligvis fås efter specialmål.

Cuttings

Løsboret materiale føres af udblæsningsluften gennem luftsluserne udvendigt på styrestykket af borekronen og op mellem stålforingen og borestængerne.

Normalt monteres en hætte på toppen af stålforingen med gennemgang for borestængerne og udledningsstuds for luft og cuttings. Herfra føres luft og cuttings til centrifuge, jf. afsnit 1.10, eller direkte til opsamlingscontainer.

Excenterboring kan anvendes i alle former for løsjordsaflejringer, dog bedst i sand- og grusaflejringer. Lerholdige (fede) aflejringer kan give problemer med tilstopning mellem stålforing og borestænger.

Anvendelse

Formålet med boringerne kan være forundersøgelse med simpel prøvetagning, instrumentering eller filtersætning. Formålet kan også være at stabilisere et løsjordsdække over stabile aflejringer, hvor borearbejdet skal fortsættes med DTH-teknik eller med diamantboreteknik.

Det er også muligt at udføre excenterboring i hårde bjergarter, hvis fx en sprækkezone nogle meter under bjergets overside ønskes stabiliseret med en stålforing.

1.6 Diamantkerneboring

Princip

Diamantkerneboring er en form for rotationskylleboring med direkte skylning.

Ved direkte skylleboring løsskæres hele boringens tværsnitsareal. Ved diamantkerneboring løsskæres kun det yderste ringareal af borehullets tværsnitsareal. Resten står tilbage som en intakt kontinuert prøve (kerneprøve) af den gennemborede aflejring, jf. Figur 36.

Figur 36
Kernerør med kerneprøve

En lang udvikling

Princippet i kerneboring er kendt helt tilbage fra Ægyptens oldtid, hvor metoden blev brugt under bygningen af pyramiderne. Boringen udførtes formentlig med slibepulver som skæremiddel i stedet for de diamanter, der blev introduceret til skæringen i 1860'erne.

Siden er udviklingen fortsat, så der i dag kan fås borekroner med skær indeholdende ægte eller syntetiske diamanter samt hårdmetalskær, dvs. skær af legeringer, der er billigere end diamantskær.

Anvendelse af kerneboreteknikker har efterhånden ændret sig fra hovedsageligt at blive brugt til at optage intakte kontinuerte prøver (borekerner) fra bjergarter til også at blive brugt til opboring af kerner i middelhårde og bløde aflejringer til forundersøgelsesformål (geotekniske undersøgelser). Dette sker med boreværktøjer udviklet specielt til formålet.

To varianter

Forskellige standarder

Der fremstilles udstyr efter en række internationale standarder: amerikanske, engelske, japanske, metriske (svenske) m.fl.

Det er for omfattende her at beskrive hele spektret af muligheder. Gennem eksempler vil vi derfor illustrere, at mulighederne er mange, og at hele produktionsprocessen og planlægningen skal gennemtænkes, før udstyr anskaffes.

1.6.1 Konventionel kerneboring

Princip

Selve borearbejdet udføres med en ringformet borekrone monteret på et enkelt- eller dobbeltvægget rør, under et kaldet kernerøret. Toppen af kernerøret er forbundet til rotationsborehovedet ved borestænger, der overfører rotation samt tryk og træk til kernerøret. Den friskårne prøvecylinder skydes op i kernerøret, efterhånden som boringen skrider frem. Prøven tages op ved at trække alle borestænger inklusive kernerøret op, skille dette ad og tage prøven ud. Herefter samles kernerøret igen og sættes ned med alle borestængerne, og rotationen/kerneboringen fortsættes.

Kernerør fås i standardlængder i forskellige dimensioner.

I metrisk standard findes fx følgende standardlængder: 0,5 m, 1,5 m, 3,0 m, 4,5 m og 6 m. Ved boring i homogene, faste aflejringer vælges der forholdsvis lange kernerør. Herved reduceres antallet af tidskrævende stangoperationer i forbindelse med optrækning af kernerør.

Skyllevæske

For at køle borekronen samt fjerne cuttings fra boreprocessen, cirkuleres en skyllevæske ned gennem borestængerne og kernerøret, ned forbi skæret og udvendigt op mellem kernerør eller borestænger og borehulsvæggen. Skyllevæsken kan være, og er ofte, rent vand; der anvendes også ofte tilsatsmidler, normalt en polymer, jf. afsnit 1.11.

Se her!

Figur 37
Princip af konventionel kerneboring (Craelius)

Formålet med at bruge tilsatsmidler er hovedsageligt at mindske friktionen mellem roterende og stillestående dele, herunder også med borehulsvæggen. Herved fås mindre slitage på udstyr, en mere effektiv produktionsproces og en bedre prøvekvalitet ved boring i løse eller bløde til middelhårde aflejringer. En højere viskositet øger også boremudderets evne til at bære cuttings ud af borehullet. En højere viskositet kan ligeledes være med til at danne en filterkage ud for permeable aflejringer og derved være med til at mindske tabet af boremudder ud i formationen. Det kan være vanskeligt at rense boremudderet for de meget fine cuttings, der produceres ved diamantkerneboring, hvorfor recirkulation af boremudderet ikke udføres konsekvent.

På Figur 38 er vist et dobbelt kernerør af svirveltypen. Betegnelser for de vigtigste dele af kernerøret fremgår af figuren.

Figur 38
Dobbelt kernerør af svirveltypen

Figur 39
To typer kerneborekroner

På Figur 39 er vist standardkroner af de to førstnævnte typer.

Borekronetyper

På Figur 40 er vist en oversigt over en fabrikants (Craelius) borekronetyper med tilhørende anbefaling for anvendelsesområde i relation til jord- og bjergarter.

Se her!

Figur 40
Borekronetyper og deres anvendelse (Craelius)

Borekronen har en diameter, der er en lille smule større end selve kernerøret (yderrøret), så der er plads til passage af skyllevand. Over borekronen sidder en sidestensring, der har til formål at sikre en glat og jævn borehulsvæg i den diameter, som borekronen skærer hullet, jf. Figur 38. Jo mere slidt borekronen er, desto mindre bliver borehullets diameter. Sidestensringen er med til at sikre, at en ny borekrone kan komme helt til bunds i boringen. Sidestensringe kan være monteret med hårdmetalplader eller diamanter, og der er spor, der tillader vandpassage.

Fastgørelse af borekrone

Over sidestensringen sidder yderrøret, der forbinder borekrone/sidestensring med kernerørshovedet og overfører rotation og tryk herfra til borekronen. Kernerørshovedet er fast forbundet med gevindsamling til borestængerne.

Kernerørshovedet består af to dele forbundet med et kugleleje. Det betyder, at inderrøret, hvori borekernen er indeholdt, kan være stillestående, mens yderrøret roterer og skærer borekernen fri. Herved mindskes påvirkningen af den friskårne borekrone.

Nederst i inderrøret sidder et arrangement til at holde på borekernen, dels når den trækkes eller brækkes fri af formationen, dels under optrækning af det komplette kernerør til terræn for udtagning af borekernen fra kernerøret.

Inderrøret er normalt fastgjort til kernerørshovedet med en gevindsamling. I bunden af inderrøret sidder først et forlængerstykke, et skarvrør, med en glidesamling.

Skarvrøret går over i en hylse med konisk bundflade, der kan gå ned og træde på den indvendige affasning af borekronen.

Kernefang

Hylsen er monteret på skarvrøret med en glidesamling. Hylsen har indvendigt en konisk form med spidsenden nedad. I dette koniske stykke sidder en konisk ring - en kernefangerring. Denne ring er ikke helt sluttet, dvs. den kan ændre indvendig diameter, hvis den bliver klemt. Den koniske affasning i kernefangerringen vender ud mod den koniske affasning i hylsen. Foroven har kernefangerringen anslag mod kanten af skarvrøret. Indvendigt har kernefangerringen en diameter i fuld åben tilstand, som svarer til diameteren på borekernen, jf. Figur 41 og Figur 42.

Figur 41
Princip i dobbelt kernerør af svirveltypen
  

Figur 42
Skematisk dobbelt kernerør af svirveltypen med borekerne gennem kernefangerring og med angivelse af borevæskens strømning

Den friskårne del af kernen glider op gennem kernefangerringen under boreprocessen, og når kernerøret ønskes trukket op, trækkes der i yderrør med borekrone. Borekronen støder mod bund af hylse, der trækkes med op, og derved presser de koniske flader i hylse og på kernefangerring mod hinanden. Kernefangerringen trykkes ind mod eller ind i borekernen og hindrer denne i at blive trukket ud af inderrøret. Når borekernens trækbrudstyrke er nået, knækker denne mellem kernefanger og bund af boring. Herefter kan kernerøret tages op, skilles ad og kernen tages ud af inderrøret.

PVC-liner

For at beskytte borekernen ekstra godt, kan kernerøret udformes, således at der kan monteres et PVC-rør (en liner) inden i inderrøret. Dette anvendes specielt ved kernerør til boring i bløde formationer. Hele lineren trækkes ud af inderrøret med prøve og emballeres for opbevaring og transport.

Udstyr

Borestænger anvendes i dimensioner og standardlængder afpasset efter kernerørsdimensionen og de kræfter for rotation og tryk, der skal overføres til kernerøret. Borestænger omtales nærmere i afsnit 1.9.

Når der udføres kerneboring, er det væsentligt for kvaliteten af kernerne, at der anvendes den rigtige borekrone og det rigtige kernerør til den aktuelle formation. Også boreriggens funktionelle stand har betydning. Borehovedets rotationsakse skal være parallel med borevognens vandringsakse på mægleren, ellers opstår der vibrationer/ rystelser i borestængerne. Vibrationerne kan forplantes til borekronen og være ødelæggende for kernekvaliteten.

I det følgende vil vi se på nogle vigtige detaljer omkring kerneborearbejdet.

Rotationshastighed

Rotationshastigheden er væsentlig, idet højere rotationshastighed medfører hurtigere nedboring. Rotationshastigheden skal afpasses til diameteren på borekronen, de stænger der benyttes, dybden der bores i, mv. Varmeudviklingen afhænger af rotationshastigheden; det betyder, at væskehastigheden for tilstrækkelig køling og for borttransport af cuttings skal passe til rotationshastigheden.

Fabrikanter angiver kun generelle anbefalinger for rotationshastigheder, og den enkelte boreentreprenør må gøre sig sine erfaringer. På Figur 43 er vist Craelius's anbefalinger for rotationshastigheder som funktion af diameteren på de borekronetyper, som tidligere er omtalt, jf. Figur 40.

Se her!

Figur 43
Rotationshastigheder, anbefalinger (Craelius)

Tryk på borekrone

For kronetyper som omtalt på Figur 40 anbefaler producenten tryk på borekronerne svarende til:

Ved anvendelse af øvrige typer bør fabrikantens vejledning følges.

Ved beregning af det totale tryk på borekronerne skal de anførte værdier ganges med det totale skæreareal for borekronen. Disse skærearealer findes angivet i fabrikanternes tekniske specifikationer for produkterne.

Ved anvendelse af imprægnerede kroner vil for højt tryk på borekronen resultere i en unødvendig høj slitage. Anvendelse af for lille tryk vil resultere i en "polering" af diamanterne med deraf følgende tab af skæreevne. Ved anvendelse af satte kroner vil såvel for højt tryk som for lavt tryk resultere i en polering af diamanterne og dermed i et tab af skæreevnen på kronen. Kroner, der er blevet polerede, kan slås eller files op igen, så skæreevnen retableres.

Skyllevæske

Skyllevæsken har til formål at køle borekronen, at skylle cuttings op, at smøre og derved mindske friktion og slitage samt at stabilisere. Der skal normalt ikke cirkuleres store væskemængder; til gengæld skal der anvendes forholdsvis store pumpetryk (5-40 bar) på grund af de meget begrænsede strømningsarealer for skyllevæsken.

Se her!

Figur 44
Strømningshastigheder og pumpevolumen (Craelius)

På Figur 44 er angivet strømningshastigheder og pumpevolumener for forskellige huldiametre/borestænger.

Wirelinekernerør og borestænger har samme diameter i hele boringens udstrækning, hvorfor kun kernerørets betegnelse er angivet i oversigten, jf. afsnit 1.6.2.

Udførelse

Ved konventionel kerneboring er der mange operationer ind og ud af borehullet, hvilket stiller store krav til stabiliteten af borehullet. Kerneboring har normalt kun interesse i aflejringer af en rimelig hårdhed.

Øvre løsjordsdækker gennembores derfor ofte med en anden teknik, såsom foret, tør rotationsboring eller excenterboring. Herved etableres en stålforing, som stabiliserer disse aflejringer.

Kerneboring kan udføres helt fra terræn, og der bores så successivt en speciel kerneboreforing - en casing - ned uden om borehullet. Til disse casings fås bundskær - casingsko - af samme typer som kerneborekronerne, men normalt med en tyndere skæreflade.

Standarder

Casing nedsættes kun til den dybde, det er nødvendigt, da den enten skal bores efter, hvis man ikke ønsker at skifte til mindre kerneborediameter, alternativt må der teleskoperes.

Efterboring kan kun anvendes, sålænge der er skær på casingskoen.

Ved stabilitetsproblemer i større dybder, fx ved opsprækkede, knuste fjeldzoner i dybder, hvor casing ikke er nedboret, anvendes ofte udstøbning med cementgrout. Den opsprækkede zone injiceres og gennembores, når cementmassen er afbundet.

I udlandet anvendes kerneboring hovedsageligt til prospekteringsarbejder, dvs. opboring af kerner for undersøgelse af mineralforekomster. Dette sker både i eftersøgningsfasen, men også i produktionsfasen for at fastlægge af mineralreserver og for at planlægge brydningsretninger.

Et andet anvendelsesområde er geotekniske undersøgelser, hvor der ønskes såvel veldefinerede laggrænser som intakte prøver til udførelse af laboratorieforsøg.

Konventionel kerneboring kræver som tidligere nævnt mange operationer med borestænger for optrækning og nedsætning af kernerør. Jo dyrere boringen er, jo mere tidskrævende er disse operationer.

Vi skal efterfølgende se på en kerneboreteknik, hvor optagning af kerneprøver foregår meget hurtigere, nemlig med wire.

1.6.2 Wirelinekerneboring

Princip

Ved wirelinekerneboring foregår selve skæringen efter samme princip som ved konventionel kerneboring. Rotationen overføres til kernerøret ved wirelineborerør, der har næsten samme diameter som kernerørets yderrør helt op til rotationsborehovedet. Princippet i metoden fremgår af Figur 45.

Figur 45
Kerneboring med wirelineteknik (Craelius)

Udstyr

Inderrøret med kernerørshoved har en dimension, så det kan trækkes op og sættes ned inden i borerørene.

Kernerørshovedet er som ved konventionelle dobbelte kernerør af svirveltypen todelt med inderrøret skruet på den nederste del af kernerørshovedet. Der er normalt kuglelejer mellem den nedre og øvre del af kernerørshovedet. Den øvre del er forsynet med fjederbelastede lasker, der låser kernerørshovedets øvre del mod en opadgående vertikal bevægelse, når laskerne ved nedsætning når en indvendig udfræsning i toppen af kernerørets yderrør. Samtidig udløses fastgørelsen af det værktøj - en inshot - der har holdt inderrør med kernerørshoved fra at falde frit ned gennem wirelineborerørene. Inshot'en er monteret på enden af en wire, der kører over et spil på boreriggen, når inderrør og kernerørshoved fires ned.

En recess på indvendig side af yderrøret samt en tilsvarende på kernerørshovedet hindrer, at inderrøret falder helt ned og støtter mod indvendig side af borekronen.

Når en kerneprøve er boret op i inderrøret, fires et fangværktøj - en overshot - ned i wiren. Dette værktøj frigør laskerne fra fastlåsningen i yderrøret og låser sig samtidig fast til kernerørshovedet, så dette kan trækkes op med det fyldte inderrør.

Hylsen med kernefangerringen er skruet på inderrøret, så kernen ikke kan trækkes eller falde ud under optrækning af inderrøret. På Figur 46 er vist et dobbelt kernerør for wirelineboring.

Figur 46
Wirelinekernerør

Wirelinekerneboring kræver anvendelse af dobbeltkernerør eller dobbeltkernerør med en ekstra liner af PVC eller andet materiale.

Skyllevæske

Skyllevæske/boremudder for smøring, køling og rensning af skærefladen for cuttings pumpes ned gennem wirelineborerørene og ned mellem inderrør og yderrør og rundt om borekronen og op mellem kernerør/wirelineborerør og borehulsvæggen. Anvendelsen af tilsatsmidler for reducering af friktion og dermed slitage er væsentlig her, hvor det roterende wirelineborerør har næsten samme diameter som borehullet.

Borekroner

Der findes samme valgmuligheder for borekronetyper som ved konventionel kerneboring. Opbygningen af kernerøret betyder, at borekronerne til wirelineboring skal skære et bredere spor, således at skærearealet vil udgøre en væsentlig større procentdel af borehullets tværsnitsareal sammenlignet med et konventionelt kernerør.

Skærehastigheden vil derfor være mindre for wirelineboring end for konventionel boring, når der er tale om samme huldiameter.

Forbruget af diamanter vil tilsvarende være større pr. meter boring.

For rotationshastigheder, tryk på borekronerne samt skyllevæskevolumener henvises generelt til fabrikanternes anbefalinger, hvoraf der er vist eksempler i Figur 43 og 44 i afsnit 1.6.1.

Stabilitet af borehul

Stabilitetsproblemerne i borehullet overkommes let, idet wirelineborerørene fungerer som foringsrør - casing. Friktionen på disse kan dog blive så stor, at de ikke kan roteres. Man må så foretage en teleskopering - dvs. bore i efterfølgende mindre dimension ud gennem borekronen i den fastlåste wirelinestamme.

Teleskopering må også foretages, hvis borekronen bliver slidt op, og optrækning for skift af borekrone ikke ønskes udført, fordi en del af boringen så eventuelt ville falde sammen og skulle genbores.

Anvendelse

Wirelinekerneboring har samme anvendelsesområde som konventionel kerneboring, jf. afsnit 1.6.1.

Generelt opfattes konventionel kerneboring til prospekteringsformål billigst på de øverste 150-200 m boring på grund af den hurtigere skæretid - mindre skærespor - og den mindre slitage af borekroner.

I dybere boringer fra 150-200 m og nedefter opfattes wirelineteknikken som mest konkurrencedygtig på grund af store tidsbesparelser ved optræk af inderrør med wire.

Tidligere anvendtes hovedsageligt konventionel teknik i Danmark, men wirelineteknikken er også inden for kerneboreområdet på vej ind på markedet. Dette skyldes hovedsageligt udviklingen af specielle kernerør, der er velegnede til boring i bløde og middelhårde aflejringer med sigte på forundersøgelsesbranchen.

1.7 Specielle boreteknikker

Udførelsesmetoder, der er baseret på boring, anvendes som tidligere anført ved en lang række opgaver inden for det anlægstekniske område.

Det drejer sig om boring af eksempelvis sprænghuller inden for mineindustrien, ventilationsskakte til miner, huller til trykinjicering af cementmasse og i stor skala tunneller.

Ved styret underboring anvendes en skylleboreteknik til installation af rørledninger af plast, kabler, drænledninger m.m.

På Figur 47 er vist en principskitse af udstyr og metode.

Se her!

Figur 47
Styret underboring, principskitse (Atlas Copco)

Det vigtigste udstyr er en hydraulisk rotationsborerig med en hældning på mægleren, der svarer til den ønskede udgangsretning. Et dieselhydraulisk anlæg leverer olietryk og -flow til boreriggen. Borestængerne er meget fleksible, 30-35 mm i diameter, og fremstillet af aluminium. I spidsen af borestammen sidder et affaset borehoved med gennemgang for boremudder under højt tryk, jf. Figur 48.

Figur 48
Styret underboring, udstyr (Atlas Copco)

Mellem borehoved og borestænger sidder en sonde med en sender (lydgiver). Et blandeanlæg for boremudder samt opbevaringstank og højtrykspumpe leverer gennem en svirveltilslutning boremudder til borestammen. Der arbejdes med høje pumpetryk og små pumpemængder (op til 150 bar og 50-100 l/min.)

Ved hjælp af en bærbar, trådløs modtager/sender på terræn kan positionen i planen, dybden til borehovedet samt orienteringen af affasningen fastlægges, ligesom borehovedets affasning kan drejes.

Boreoperationen udføres ved langsom rotation af borestænger og borehoved, samtidig med at der spules foran borehovedet med en mudderstråle under højt tryk. Hvis borehovedet afviger fra ønsket retning, eller hvis boreretningen ønskes ændret, stoppes rotationen. Ved hjælp af den bærbare modtager/sender drejes affasningen, således at fortsat tryk på borehovedet og samtidig spuling presser borehovedet i den ønskede retning. Når den ønskede korrektion af retningen er opnået - kontrolleret med modtageren/senderen på terræn - genoptages rotationen. Løsboret materiale cirkuleres op gennem borehullet mellem borestænger og borehulsvæg.

Når pilotboringen er udført frem til den udgravning, hvorfra rør skal trækkes, udskiftes borehovedet med sender med en borekrone, der kan opbore (reame) boringen til en lidt større diameter end diameteren på det rør, der ønskes trukket gennem boringen. Mellem reamer'en og ledningen, der skal trækkes gennem borehullet, er der monteret en svirvel, således at reamer'en kan rotere i forhold til røret. Røret trækkes efter uden rotation.

Pilotboringen reames op ved langsom rotation af borestamme og reamer, samtidig med at der spules med boremudder, og borestammen trækkes med rotation gennem borehullet.

Der anvendes normalt en boremudder baseret på vand tilsat bentonit eller en polymer.

Ankerboring

Anvendelse af jordankre til forankring af såvel midlertidige som permanente konstruktioner er stigende i Danmark. De fleste installationer udføres med borerigge, der er specielt byggede til formålet med store variationsmuligheder for mæglerens hældning under boringens udførelse.

Borehovedet vil normalt være en hydraulisk hammer med rotation på hammerens udgangsspindel. Selve hullet for installation udføres normalt med et udstyr som vist på Figur 49.

Figur 49
Udstyr til boring for installation af jordankre (Atlas Copco)

Udstyret kaldes OD-udstyr, hvor OD står for 'Overburden Drilling'.

Under borehovedet sidder en svirvel (en pakdåse), der tillader, at vand og/eller luft kan ledes ind til og ned gennem borestængerne og pilotborekronen. Tilsvarende kan returvand/-luft, der kommer op mellem borestængerne og stålforingen, ledes ud gennem svirvelen.

Under svirvelen findes der gevindtilslutninger for borestænger og stålforinger. Gevindtilslutningerne er sammenbyggede, så borestænger og stålforinger roteres med samme omdrejningshastighed. I bunden af borestængerne monteres en pilotborekrone, og i bunden af stålforingen en ringborekrone.

Borearbejdet udføres ved rotation og spuling med enten vand eller luft eller en blanding heraf. Slag introduceres, når aflejringerne har en hårdhed, der kræver slag for at gennembore aflejringerne.

Når fuld borelængde er nået, skilles stålforingen fra svirvelen, og den indvendige borestang trækkes ud. Jordankeret installeres, svirvelen tilsluttes stålforingen og en cementblanding pumpes under tryk ind gennem stålforingen, mens denne trækkes ud af borehullet.

Udstyret fås i et antal dimensioner, så der kan vælges dimensioner svarende til den ønskede ankerstørrelse.

Boremetoden er meget hurtig og velegnet for borelængder indtil ca. 30 meter. Ved større stanglængder tabes hammerens slagenergi i stængerne. I hårde aflejringer kan det udvendige foringsrør udelades.

1.8 Borerigge

En borerig (boreenhed) er i sin simpleste form det udstyr, der bevæger boreværktøjet ind og ud af borehullet og samtidig giver boreværktøjet den fornødne bevægelse og kraft til at frembringe det ønskede hul i formationen.

I sin enkleste form kan boreriggen være en type for anvendelse af alene wirehåndteret boreværktøj som eksempelvis slagboreværket på Figur 50 bestående af et drivaggregat med transmission til løfte- og slagspil med enkelt wireløb over en wireskive i toppen af et gittertreben.

Figur 50
Let, transportabelt, wireopereret slagspil (Drill.Tech.)
 

Ringkomponenter

Figur 51
Let, mobilt, fuldhydraulisk universalborerig (Nordmeyer)

Figur 51 viser en skitse af et sådant universelt, hydraulisk rotationsboreudstyr med følgende komponenter.

Afhængigt af boreentreprenørens specialisering i visse boringsudførelsestyper kan udstyrskompenenter udelades eller erstattes med andre faciliteter, der vil kunne forøge produktiviteten inden for den valgte specialisering.

Mobilitet

Det samme gælder valg af at lade boreriggen være trailermonteret eller fuldt mobil ved fast opbygning på et fx terrængående køretøj. For boringer til stor dybde kan boreriggens opholdstid på borestedet være så lang, at det er uøkonomisk at have bundet en truck på stedet. Ved trailermonterede borerigge er det derfor nødvendigt at have monteret et drivmotoraggregat på traileren.

En skitse af en tung, trailermonteret borerig beregnet for 8" rotationsskylleboring til 1.500 meters dybde er vist på Figur 52.

Figur 52
Kraftigt, trailermonteret rotationsborerig

Når det drejer sig om borerigge til udførelse af boreopgaver til flere kilometers dybde i middel eller stor dimension, fx olie- eller gasboring, er boreriggen normalt immobil og må transporteres i enkeltdele til borestedet, hvor den opbygges med det fornødne udstyr for at kunne fungere rationelt. Figur 53 viser en skitse af et sådant immobilt rotationsboreudstyr.

Figur 53
Olieborerig

1.9 Borestamme. Skæreværktøj

Borestammen (borestrengen) med skæreværktøj er den vitale del af boreudstyret, som ved belastning og omdrejning frembringer borehullet i formationen.

For tørboring, skylleboring, trykluftboring og diamantkerneboring er borestrenge og skære- og løsboringsværktøjer generelt beskrevet i afsnit 1.2 til 1.6. Nærværende afsnit indeholder en gennemgang af de forskellige typer og betegnelser for borestænger og skæreværktøj beregnet for rotationskylleboringer.

1.9.1 Borestænger

Krav til borestænger

Borestængerne skal have den nødvendige træk- og torsionsstyrke til at optage de kræfter, de påvirkes med under de mest ugunstige omstændigheder. Borestangssamlingerne (joint) skal være lette at samle og adskille, og samlingerne skal have samme træk- og torsionsstyrke som selve stangen. Desuden skal samlingerne være helt tætte.

Borestænger for skylleboring med direkte cirkulation

Skylleborestænger samles med gevind, der enten kan være cylindriske eller koniske som vist på Figur 54.

Figur 54
Borestangstyper

Borestangsenden med indvendigt gevind benævnes "BOX", mens enden med udvendigt gevind benævnes "PIN". For at undgå indsnævringer, som kan reducere borestængernes indre hultværsnit, har borestængernes samlinger normalt en større udvendig diameter end den mellemsiddende borestangslængde som vist ved B på Figur 54. Sådanne fortykkede samlinger giver endvidere en god sikkerhed mod tab af borestrengen, såfremt denne måtte skride nedad i en for dårligt spændt borestangsklemme.

Under visse forhold - fx ved wireline kerneboring - er det ønskeligt, at borestængerne er helt glatte såvel udvendigt som indvendigt. Dette kræver normalt større godstykkelse for borestangen og anvendelse af cylindrisk gevind som vist ved A på Figur 54.

Borestangsbetegnelser

Normalt anvendes API standard (American Petroleum Institute) for betegnelse af borestangens dimension og samlingstype som følger

Der eksisterer dog en lang række borestænger, som ikke helt opfylder API standard, men som er tilnærmet denne.

API dimensionen angiver borestangens normale udvendige diameter mellem samlingerne. Den indvendige diameter og dermed vægten af borestængerne kan variere svarende til kravene om træk- og torsionsstyrke.

Borestangsdiametre i henhold til API standard er:

Drill collar

Ekstra tunge borestænger - vægtstænger (drill collars) -, som anvendes for at holde mere tyndvæggede borestænger i stræk, vælges normalt i en dimension, som kun er lidt mindre end borehulsdiameteren. Herved opnås en bedre styring. Vægtstængerne er derfor ofte forsynet med spiralformede vandspor som vist på Figur 55. for at give passage for skyllemediet.

Figur 55
Drill collar med spiralformede vandspor

Drill collars fremstilles i mange dimensioner, men tabellen i Figur 56 giver et indtryk af egenvægten for drill collars af udvalgte dimensioner.

Figur 56
Vægt af drill collars

For at begrænse boringens afvigelse fra lodlinien, kan der ud over drill collars anvendes centreringer placeret med passende afstand på borestrengens nederste del.

Gevindsamlingerne i borestænger er normalt højreskåret. Gevindsamlinger i de casings, der bruges sammen med højre skårne borestænger, bør derfor være venstreskåret for at undgå casingadskillelse under borestrengsrotationen.

Borestænger for skylleboring med omvendt cirkulation ved lufthæveteknik

Ved rotationsskylleboring med lufthæveteknik skal trykluft føres fra luftslusen i rotationsenheden og ned til indblæsningsdyserne på den nederste del af borestrengen. Under hensyn til teknikkens effektivitet anvendes normalt borestænger med en minimumsdimension for den opadgående luft-/vandstrøm på 4"- 6".

Lufthæveborestængerne skal, ud over at føre cirkulationsmediet med cuttings opad, føre trykluft nedad. Transportkanalerne for luft og cirkulationsmedium skal derfor være adskilte. Som vist på Figur 57 kan dette ske ved særskilte luftrør uden på transportrørene for cirkulationsmediet med cuttings (B) eller gennem annulus mellem koncentrisk arrangerede rør (A).

Figur 57
Lufthæverør med gevind eller flangesamlinger

Sammenbygning af lufthæverør med gevindsamlinger er hurtigere end sammenspænding af flangesamlinger og kan bruges i mindre borehulsdiametre. Flangesamlingerne har den lille fordel, at det her er lettere at sikre tæthed mellem de to transportveje.

1.9.2 Skæreværktøj

Ved udførelse af rotationsskylleboringer anvendes skæreværktøjer, hvor skærets placering er fast i forhold til borestrengen, eller hvor skæret samtidig med borestrengens drejning foretager rotationer om en akse, som er forskellig fra borestrengsaksen.

Til den første kategori hører fastmejsler og diamantborekroner, mens den anden kategori omfatter rulleborekroner.

Fastmejsler

Fastmejsler af forskellig udformning er beregnet til at skære/høvle formationen op foran skæret, når borestrengen roterer. For at opnå dette må mejslens skær presses ned i formationen og føres gennem denne for at friskære spåner herfra (cuttings). Mejslen må herunder påføres såvel et stort bittryk som et stort drejningsmoment. Af denne grund anvendes fastmejsler, som eksempelvis er skitseret på Figur 58, hovedsageligt til penetrering af bløde til middelhårde formationer.

Figur 58
Fastmejseltyper med hårdmetalskær

Ved anvendelse af fastmejsler er det muligt at frembringe cuttings af en sådan størrelse, at de, ud over at være lette at udskille fra cirkulationsmediet, også er egnede for geologisk bedømmelse.

De anbefalede rotationshastigheder (RPM = omdrejninger pr. minut) for fastmejsler er

Diamantborekroner

For at gennembore ekstremt hårde aflejringer kan det være nødvendigt at slibe sig igennem disse ved hjælp af faste, diamantbesatte boreværktøjer som det på Figur 59 viste.

Figur 59
Diamantbesat boreværktøj (Mill.) (Christensen)

Anvendelse af et sådant full-face boreværktøj vil totalt destruere materialet fra formationen. Har man brug for at optage prøvemateriale egnet for bedømmelse og laboratorieforsøg, må boringen udføres med diamantkerneboreteknik med en borekrone, som kan udformes som vist på Figur 60.

Figur 60
Diamantbesat kerneborekrone

Kerneboringskroner har udformninger og besætninger af frie diamanter, imprægnerede diamanter eller hårdmetal, som vælges ud fra formationens hårdhed og sammensætning.

Kerneoptageren (core barrel), hvorpå borekronen er fæstnet, har ud over en type og dimensionsbetegnelse en bogstavkode. Denne bogstavkode er

I skemaet Figur 61 er angivet sammenhørende specifikationer for kerneborehulsdiameter, casing, kernerør og borestænger med normale typebetegnelser.

Se her!

Figur 61
Oversigt over kerneboredimensioner (Atlas Copco)

Rullemejsler er boreværktøjer med roterende, skærende elementer. Når rullemejslen er i kontakt med borehulsbunden og bliver roteret af borestrengen, vil hvert skærende element også rotere om sin egen akse, som er forskellig fra borestrengens akse.

Rullemejsler

Rullemejsler er forsynet med roterende, skærende elementer, der i antal varierer fra eet og opefter afhængigt af rullemejslens diameter. Det normale antal skærende elementer er tre (three cone bit).

Rullemejselkomponenter

På Figur 62 er vist en central kanal og dyse for skyllemediet. Oftest findes en dyse i hvert kropben med retning mod de roterende rullers tænder.

Lange tænder

I bløde formationer anvendes tandsæt, der graver dybt ned i boringsbunden og derved skræller store cuttings ud herfra. Sådanne tandsæt er kendetegnede ved, at tænderne er lange og tynde med stor afstand for plads til cuttings.

Korte tænder

Hårde formationer penetreres ved, at belastningen på de enkelte skæreflader knuser og løsgør små flager fra boringsbunden.

For at kunne holde til de store kontakttryk består tandsættet her af korte, kraftige og tætsiddende tænder.

Rulleborekroner kan leveres med mange variationer af tandudformninger og tandafstande, men generelt vil tandsættet på de enkelte ruller være arrangeret således, at de opfylder det generelle krav om rensning.

Insert bits

Figur 63 og Figur 64 viser billeder af tandsæt bestående af hård-metal tænder belagt med tungsten karbid og tungsten karbid inserts.

Figur 63
Rullemejsler med hårdmetaltænder

Figur 64
Rullemejsler med hårdmetal inserts

For at opnå en skrabende virkning fra tungstenbelagte tandmejselruller kan disse være placeret med offset, som det fremgår af skitsen Figur 65.

Figur 65
Tandruller placeret med offsel for skæring af større cuttings

Rotationshastighed

Det anbefales, at rotationshastigheden for rullemejsler vælges inden for intervallerne

Mejselbetegnelser

Leverandørerne af rullemejsler anvender egne betegnelser for de forskellige typer, men disse kan konverteres til en særlig IADC kode (International Association of Drilling Contractors), der består af tre tal i kombination, hvor første tal i koden mellem 1 og 8 angiver

1. tandmejsel med stort offset
2. tandmejsel med middel offset
3. tandmejsel uden offset
4. (åben for særlig udformning)
5. insertmejsel med lange inserts
6. insertmejsel med middellange inserts
7. insertmejsel med knop inserts
8. insertmejsel med keramiske inserts

Tallet fra 1-4 på anden plads i koden angiver den formationshårdhed, som rullemejslen er bedst egnet til

1. bløde formationer
2. middelbløde formationer
3. middelhårde formationer
4. hårde formationer.

Det tredje og sidste tal fra 1-9 i koden betegner kaliberudførelsen, lejetætheden, lejetypen og udførelse efter særlige krav.

Rullemejslernes forbindelse til borestrengen gennem et overgangsstykke (sub) er altid udført som API REG gevind og som PIN.

Pindimensionen varierer med mejselstørrelsen (= diameteren i det hul, mejslen borer) efter følgende standard:

1.10 Skyllesystemet

Cuttingtransport

Ved udførelse af rotationsskylleboringer anvendes der en skyllestrøm til transport af løsboret materiale (cuttings) fra boringens bund til terræn som beskrevet i afsnit 1.4.

Skyllesystemets cirkulationsprincipper for forskellige typer af rotationsskylleboringer fremgår af Figur 24, 25, 26 og 28 i afsnit 1.4 samt af den skematiske Figur 66.

Figur 66
Typisk cirkulationssystem for rotationsboring med direkte skylning

1.10.1 Skyllemediet

Væskebaseret skyllemedium

Egenskaberne og sammensætningen af væskebaseret skyllemedium (boremudder) gennemgås i afsnit 1.11.

Anvendelsesområderne for boremudder er ikke så begrænsede som for de luftbaserede skyllemedier, men forarbejderne til etablering af boreplads og selve borearbejdet ved anvendelse af boremudder, der skal recirkuleres, er langt mere tidskrævende end ved udførelse af trykluftbaserede operationer.

Tør trykluft

Ved boring i hårde, stabile formationer som kalk og fjeld samt i velkonsoliderede, kohæsive morænale aflejringer er anvendelse af trykluft til at drive boreværktøjet og til at transportere cuttings den mest effektive boremetode.

Som ved anvendelse af rent vand som skyllemedium (jf. afsnit 1.11) har luften udfyldt sin mission, når den når op til terræn medbringende de løsborede cuttings. Som følge af luftens lille massefylde vil tryk på boringsbund og -væg være meget begrænset.

God renseeffekt

Den kraftige udvidelse af luftvolumenet, der sker, når luften forlader boreværktøjets dyser, resulterer i en effektiv oprensning af borehullets bund, således at penetrationshastigheden for såvel rotationsværktøj som slagværktøj ikke reduceres.

Da den indre friktion mellem luftmolekylerne og mellem disse og de løsborede, faste partikler er lille, samtidig med at luftens lave massefylde ikke i sig selv giver opdrift, er det nødvendigt at etablere meget store opadrettede lufthastigheder for at transportere cuttings ud af borehullet.

Lufthastighed

Den nødvendige, opadrettede lufthastighed for en hensigtsmæssig cuttingstransport er mellem 1.000 og 2.000 m pr. minut afhængigt af cuttingsstørrelsen. Dette indebærer de i tabellen Figur 67 angivne krav til kompressorydelser.

Figur 67
Kompressorydelser i relation til borestengsdimension og boringsdiameter

Det anses almindeligvis for uøkonomisk at skulle anvende kompressorer med større ydelse end 20-30 m³/min til at udføre boringer. Hermed begrænses anvendelse af trykluft som eneste skyllemedium til boringer med boringsdiametre mindre end 6" - 8".

Små hulstabiliserende kræfter

Luftens lave massefylde begrænser endvidere anvendelsen af trykluft som skyllemedium på en anden måde. Således er det ikke muligt at mobilisere et effektivt lufttryk på bund og væg af borehullet, der kan forhindre, at der her sker indpresning af sætningsfølsomme formationer eller grundvand. Trykluft som skyllemedium egner sig derfor bedst i ikke så dybe boringer eller i tørre, ret faste formationer.

Illustrationen på Figur 68 viser en typisk, tør trykluftboreoperation i lille dimension.

Figur 68
Komponenter til udførelse af tør, trykluftboring i lille dimension

Grundvand i borehullet

Luftstrømmen kan transportere mindre mængder af indtrængt grundvand ud af borehullet. En begrænset vandmængde vil endog reducere behovet for opadrettet lufthastighed, da luft-vandblandingen har en væsentlig højere transportkapacitet end den rene, tørre luft.

Trykafhængig boredybde

Det store problem med anvendelse af trykluft i forbindelse med vandindtrængen opstår, når det tilledte lufttryk bliver mindre end vandets hydrostatiske tryk i trykluftens udledningsniveau. I en dyb boring vil der kunne komme til at stå vand i borehullet, og på grund af vandets vægt vil lufttilledningen ikke kunne "blæse vandet ovenud af boringen".

Er grundvandsindtrængningen i boringen meget lille, men stor nok til at fugte overfladen af de løsborede cuttings, kan det resultere i, at cuttings ved luftudtørringen hæfter sig på borestrengen og på boringsvæggen. De kan således komme til at blokere for luftpassagen. Sådanne indsnævringer kan give et hurtigt fald i lufthastigheden og opbygning af yderligere cuttingsbarrierer.

Luftvæske

For at forhindre, at cuttings samles i klumper, der hæfter sig på borestreng og boringsvæg, kan der tilsættes små vandmængder eller en tynd boremudder til den komprimerede luft. Dette sker ved injektion i luftstrømmen, efter at denne har forladt kompressoren. Den tåge, som dannes af væske og luft, holder cuttings fugtige og adskilte under transporten ud af borehullet. Væsketilsætningen reducerer samtidig støvproblemet.

Skum

Såfremt grundvandsindtrængningen i borehullet er større end den mængde, luften kan transportere bort, såfremt cuttings er store, eller såfremt annulusvolumenet er for stort til, at den nødvendige lufthastighed kan etableres med den tilstedværende kompressor, kan problemerne normalt løses ved at anvende skum som skyllemedium.

Boreskummet fremstilles ved at injicere et vandblandet skummiddel i luftstrømmen mellem kompressoren og svirvlen på borestrengen. Ved det trykfald, der opstår, når luft-skummiddelblandingen passerer ud af boreredskabets dyser, udvider luften sig, og der dannes skum med små, tætte, tyndvæggede bobler, som presses opad i annulus som en samlet søjle.

Stor transporttid

Den store transportkapacitet er ikke alene baseret på skylle-mediets hastighed, men i højere grad af det frembragte skums stabilitet. Denne kan forøges ved tilsætning af en polymer.

Polymertilsætningen vil desuden medvirke til at opbygge en tynd hinde på borehullets væg, hvilket reducerer filtratindtrængningen i permeable aflejringer.

Med stabiliseret skum kan transporthastigheden i boringens annulus nedsættes til 15-20 m pr. minut. Dette er en cirka 100 gange mindre hastighed end ved tør luft alene. Anvendelse af skum reducerer derfor kapacitetskravet for trykluftkompressoren tilsvarende. Trykluftboring med skum kan derfor anvendes til udførelse af boringer med stor diameter på linie med omvendt cirkulation af vandbaseret skyllemedium.

1.10.2 Cirkulationsenheden

Cirkulationsmængde og tryk

Typen af udstyret vælges ud fra kravene til cirkulationsmængde og drifstryk for at opnå den transporthastighed, som er nødvendig for at fjerne det løsborede materiale fra borehullets bund og annulus.

Ved anvendelse af vandbaseret cirkulationsmedium - boremudder eller skum - er den anbefalede transporthastighed i annulus 20-30 m pr. minut, mens den som nævnt for tør luft er 1.000-2.000 m pr. minut. Det er disse størrelser, som bestemmer forholdet mellem borestrengsdimensionen og borehulsdiameteren.

Det helt ideelle for at opnå den ønskede transporthastighed i annulus ved en begrænset cirkulationsmængde ville være at anvende en borestrengsdimension, der kun var lidt mindre end borehulsdimensionen. Dette ville imidlertid resultere i en uhensigtsmæssig stor borestrengsvægt samt risiko for ukontrollerbar erosion af borehulsvæggen som følge af friktionskræfterne i det lille annulustværsnit.

Omvendt vil en lille borestrengsdimension med tilsvarende lille gennemstrømningstværsnit, hvorigennem den nødvendige mængde cirkulationsmedium for det store annulustværsnit skal passere, indebære meget store friktionskræfter mellem cirkulationsmediet og borestrengens indervæg.

Ved valg af cirkulationsenhed er det derfor ikke alene mængdekravet, men også trykkravet til overvindelse af friktionskræfterne, der er afgørende.

Nødvendigt drivtryk

For rotationsskylleboringer med direkte cirkulation af skyllemediet og fornuftigt valg af forholdet mellem borestrengsdimension og borehulsdimension, vil kravet om overtryk normalt ligge under 10 bar for boredybder indtil 100 meter under terræn. For meget dybe boringer vil de samlede tryktab som følge af friktionskræfterne kunne blive flere hundrede bar.

Valget af pumpetype skal derfor tilpasses de aktuelle omstændigheder og står normalt mellem stempelpumper og centrifugalpumper.

Stempelpumper til direkte skylning

Stempelpumper yder for hvert stempelslag en cirkulationsmængde, som er uafhængig af det aktuelle tryk. Det er denne egenskab, der gør stempelpumpen velegnet som cirkulationsenhed ved direkte skylning, hvor det nødvendige drivtryk stiger med boredybden. Princippet for en dobbeltvirkende stempelpumpe fremgår af Figur 69. Stempelcylinderen har her 2 indsugningsventiler og 2 afgangsventiler.

Se her!

Figur 69
Funktion i en dobbeltvirkende stempelpumpe

Når pumpestemplet bevæges gennem cylinderen, bliver cirkulationsmediet presset ud af afgangsstudsen foran stemplet, mens der indsuges en tilsvarende mængde på bagsiden af stemplet. Over- og undertryksventiler bestemmer strømningsretningen for cirkulationsmediet ind eller ud af pumpecylinderen. Ved en frem og tilbage bevægelse af pumpestemplet (cyclus) er ydelsen af den dobbeltvirkende stempelpumpe det dobbelte af cylindervolumenet. Til begrænsning af trykstød i cirkulationssystemet kan indbygges en pulsationsdæmper.

Stempelpumpen kan være opbygget med 1, 2 eller 3 cylindre. Simplex og Duplex pumper (1 og 2 cylindre) har normalt dobbeltvirkende cylindre, mens Triplex pumper (3 cylindre) er enkeltvirkende.

Figur 70 viser en Duplex stempelpumpe, der med 75 Hk kan frembringe et tryk på 30 bar ved 60 m3/time. Vægten af pumpeenheden uden drivaggregat er ca. 3 tons. Vægten af en centrifugalpumpe med kapacitet 10 bar ved 60 m3/time vil uden drivaggregat kun udgøre ca. 10% af Duplex pumpens vægt.

Figur 70
5" Duplex stempelpumpe (Conrad)

Centrifugalpumpers funktion adskiller sig fra stempelpumpers ved et begrænset maksimalt drivtryk samt faldende pumpemængde ved stigende drivtryk, som dette skematisk fremgår af Figur 71.

Figur 71
Sammenhørende værdier af tryk og volumenkapacitet for stempel og centrifugalpumper

Som følge heraf er centrifugalpumpers anvendelse begrænset til et snævert interval af mængde og tryk. Centrifugalpumper er derfor ikke velegnede til direkte skylleboringer, hvor trykkravet vokser med boredybden.

Centrifugalpumper til sugeboring

Ved omvendt skylning kan centrifugalpumper udmærket bruges ved sugeboring, hvor det nødvendige tryk og den nødvendige kapacitet er så godt som konstant.

Som det fremgår af Figur 72, består en centrifugalpumpe til cirkulering af skylleboremedium af et snegleformet pumpehus med 1 indsugning og 1 afgang uden ventiler.

Figur 72
Centrifugalpumpeprincip

I pumpehuset er placeret en turbine, som kan rotere med stor hastighed. Turbinens rotation frembringer en centrifugalkraft, der slynger skyllemediet mod pumpehusets inderside og ud af afgangsstudsen. Herved opstår et undertryk ved turbinens center, hvor indsugningen er placeret. Dette undertryk holder pumpehuset væskefyldt.

Kompressorer