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Verfahren zum Ziehen von orientierten Bohrkernen und Kernbohrer zur Durchführung des Verfahrens
Die Bestimmung der Richtung des Einfallens von Schichten, Störungsflächen, Schieferung, Gefügerichtung oder sonstigen physikalisch oder kri- sullographisch erkennbaren und messbaren Richtungen gegenüber der Nordrichtung an Bohrkernen ist ein Problem, das in der Tiefbohrtechnik von grosser Bedeutung sein kann.
Zahlreiche frühere Erfindungen beschäftigen sich mit diesem Problem. Die entsprechenden Konstruktionen und Apparate haben jedoch in der Praxis kaum Eingang gefunden, weil die Ergebnisse nicht befriedigten oder weil sie zu kostspielig waren. Andere Methoden, wie Bestimmen elektrisch messbarer Richtungen, die zur Richtung des Einfallens der Schichtung in Beziehung gebracht werden können, gestatten wohl die Bestimmung der Richtung und Grösse des Einfallens von Schichtflächen, doch sind der Genauigkeit dieser Methoden gewisse Grenzen gesetzt. Ausserdem können Schichteinfallrichtungen, die z. B. nur aus Farbunterschieden von Schichten oder einer andern, aus elektrischen Messungen nicht ersichtli- chen.
Schichtung bestehen, sowie die Richtung von Störungsflächen, Schieferung, Gefügerichtungen und sonstige physikalisch-kristallographisch charakteristische Richtungen nur an orientierten Bohrkernen bestimmt werden.
Apparate, die orientierte Bohrkerne ziehen sollen, versuchen dieses Ziel bisher fast ausschliesslich dadurch zu erreichen, dass die magnetische Nordrichtung oder die Richtung der Bohrlochneigung gegenüber einer Marke am Bohrkern einmalig bestimmt wird.
Eine Kontrolle, ob der Bohrkern vor dem Aufzeichnen der Orientierung gegenüber dem gewachsenen Boden abgerissen oder verdreht wurde und infolgedessen irrige Angaben erzielt werden, kann mit solchen Apparaten nur dadurch erreicht werden, dass mehrere Bohrkerne hintereinander orientiert gezogen werden. Falls dann übereinstimmung in der Orientierung herrscht, kann mit Wahrscheinlichkeit angenommen werden, dass die angegebene Richtung stimmt. Durch die Not- wendigkeit der Kontrolle wird die Methode abet kostspielig und zeitraubend.
Demgegenüber besteht die vorliegende Erfindung verfahrensmässig darin, dass mehrere Abschnitte jedes Bohrkernes nacheinander und unabhängig voneinander orientiert werden, indem mittels eines Orientierungs-und Bohrlochabwei- chungsmessgerätes) das in einem Kernbohrapparat mit Bezug auf das während des Kernens sich nicht mitdrehende Innenrohr und damit auch auf den Kern selbst richtungsfest eingebaut ist und durch ein Uhrwerk betätigt wird, zu vorausbestimmten Zeitpunkten auf mindestens einem Markierblatt die Lage des Bohrkernes und gegebenenfalls die jeweilige Richtung des von der Lotrechten abweichenden Bohrlochverlaufes gegenüber
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abstand zu je einer andern, ihr eindeutig erkennbar zugeordneten Markierung an dem betreffenden Bohrkernabschnitt steht.
Als ein wesentlicher Vorteil des neuen Verfahrens kann es angesehen werden, dass der gewonnene Kern auf einer grossen Länge orientiert ist.
Bei einem im Sinne der Erfindung ausgebildeten Kernbohrapparat hat ein mit dem Innenrohr am unteren Ende verbundener Kernfänger auf seiner Innenseite mehrere zur Kernachse parallele, vorspringende Schneiden od. dgl. mit in Umfangsrichtung mindestens zum Teil ungleichen Winkelabständen, die dazu dienen, das Rohr am Bohrkern verdrehungsfest zu halten und dabei am letzteren während der axialen Relativbewegung entsprechend verteilte und verlaufende Markierungen anzubringen.
Ein in an sich bekannter Weise im Innenrohr angeordnetes, längsgeteiltes Schutzrohr wird in seiner immer gleichen, richtungsfesten Einbaulage, die durch in Umfangsrichtung asymmetrisch angeordnete gegenseitige Eingriffselemente gewährleistet ist, nur durch unmittelbares Anliegen gegen das Innenrohr zusammengehalten, wobei am
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sehen ist, der dazu dient, nach dem Ausbau des Innenrohres das Schutzrohr zusammen mit dem darin enthaltenen Kern durch ein Druckmittel herauszupumpen.
Ferner ist in diesem Zusammenhang das Innenrohr über eine Aufhängeachse mit dem Gehäuse des Orientierungsgerätes richtungsfest verbunden ; diese Einbauteile sind also gegenüber dem Aussenrohr gemeinsam frei drehbar gelagert.
Der Gegenstand der Erfindung ist in der Zeichnung in einer Ausführungsform beispielsweise dargestellt, u. zw. zeigen Fig. 1 den oberen Teil, Fig. 2 den mittleren Teil und Fig. 3 den unteren Teil eines derartigen Kernbohrapparates im Längs- schnitt. Fig. 4 und Fig. 5 zeigen zwei Querschnitte nach den Linien A-B bzw. C-D der Fig. 3.
Der Kernbohrapparat hat im unteren Teil ein
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halb seiner Stirnseite und damit während des Arbeitens auch der Bohrlochsohle ein mit dem Innenrohr 3 zusammenhängender Rohrstutzen 4, der, als Kernfänger mit eingesetzten Keilen 5 und Messern 6 ausgebildet ist. Diese Messer haben nach unten verlängerte axiale Schneiden 7 und sind mit einer gleichen Anzahl, z. B. drei, Keilen abwechselnd in Umfangsrichtung so angeordnet, dass ihre Schneiden zum Teil ungleiche Winkelabstände, z. B. 1150, 1150 und 1300, voneinander haben (Fig. 5).
Im Innenrohr 3 befindet sich auf dem grössten Teil seiner Länge und dicht gegen dasselbe anliegend ein längsgeteiltes Schutzrohr N, das mittels mehrerer gegenseitig eingreifender Einschnitte 9 und Ansätze 9', die in Umfangsrichtung ungleichmässig verteilt sind, gegenüber dem Innenrohr 3 in einer ganz bestimmten Lage verdrehungsfest gehalten wird.
Am oberen Ende des Schutzrohres 8 ist ein Kolben 10 mit einer Mittelbohrung 11 angeordnet, über die der Innenraum des Schutzrohres mit einem Ventil 12 in Verbindung steht. Dieses Ventil gibt beim öffnen den Weg in den zum Durchtritt des Spülmittels dienenden Raum zwischen dem Aussenrohr 1 und dem Innenrohr 3 frei.
Letzteres ist an seinem oberen Ende an einem auch das Ventil 12 enthaltenden weiteren Einbaukörper 13 befestigt, der seinerseits mit einer darüber angeordneten Achse 14 verschraubt ist, wobei ein konischer Bolzen 15 als Sicherung gegen ein gegenseitiges Verdrehen dieser beiden Teile dient. Die Achse 14 ist in an sich bekannter Weise an einem mehrfachen Rollenlager 16 aufgehängt, dessen Gehäuse mit dem Aussenrohr 1 fest verbunden und durch einen federbelasteten Packungsringkolben 17 nach oben gegen den Spülmittelraum abgedichtet ist.
In ihrem oberen Ende ist die Achse 14 über ein weiteres Zwischenstück 18 mit dem rohrförmigen Gehäuse 19 eines Orientierungs- und Bohr- lochatbweichungsmessgerätes mittels Bolzen ver- drehungsfest verbunden. Dieses Gehäuse besteht ebenso wie das dasselbe mit Abstand umgebende obere Aussenrohr 20 aus unmagnetisierbarem Material und wird am andern Ende mittels eines Radiallagers 21 zentral innerhalb des Aussenrohres 1 gehalten. Ein mit dem oberen Ende dieses Aussenrohres 7 verschraubter Rohrstutzen 22 dient zum Verbinden des ganzen, vorstehend beschriebenen Kernbohrers mit dem übrigen Bohrgestänge.
Am unteren Ende des Gehäuses 19 ist auf seiner Innenseite eine Keilnut 23 vorgesehen, die eine gegenüber den Schneiden 7 des Kernfängers feste und immer gleichbleibende Richtung hat und zur Aufnahme eines am Orientierungsgerät befestigten Keiles dient, der seinerseits eine bestimmte Richtung gegenüber den von diesem Gerät auf einem oder mehreren Blättern aufgezeichneten Richtungsmarkierungen hat.
Die Hauptteile des Orientierungs- und Bohrlochabweichungsmessgerätes sind von oben nach unten ein Uhrwerk 24, ein aus mehreren Zahnrädern bestehendes Getriebeschaltwerk 25, ein Federaggregat 26, ein Schlagwerk 27, ein Sternpelwerk 28 und ein Kugelkompass 29.
Der Vorgang einer mehrfachen Orientierung von Bohrkernen erfolgt in der Weise mit einem solchen Kernbohrapparat, dass zunächst ein Bohrkernabschnitt abgebohrt wird, dessen Länge an der Mitnehmerstange im Bohrturm gemessen wird. Das von dem Uhrwerk 23 betätigte Orientierungsund Bohrlochabweichungsmessgerät markiert darauf zu einem vorausbestimmten Zeitpunkt während des Abbohrens des ersten Bohrkernabschnittes mittels des Stempelwerkes 27 auf einem am Kompass 28 befestigten Blatt die Lage der sich nicht mitdrehenden Einbauteile und damit auch der von den Schneiden 7 des Kernfängers am Bohrkernumfang verursachten axialen Rillen mit Bezug auf die Nordrichtung.
Nach der ersten Registrierung, die vorzugsweise bei Stillstand des Bohrgestänges und des Kernbohrers zu erfolgen hat, um die Magnetnadel in dem Orientierungsgerät zur Ruhe kommen zu lassen, wird der nächste Bohrkernabschnitt erbohrt, seine Länge an der Mitnehmerstange gemessen, und während eines erneuten kurzen Stillstandes des Bohrgestänges erfolgt zum zweiten vorausbestimmten Zeitpunkt die zweite Markierung auf dem Markierblatt, die sich von der ersten deutlich unterscheiden muss, z. B. durch eine andere Farbe, oder auf einem andern Markierblatt oder Film stattfinden kann. Dieser Vorgang wiederholt sich so oft, wie das Uhrwerk weitere Markierungen gestattet oder bis die Gesamtlänge des inneren Kernrohres abgebohrt und dieses somit vom Bohrkern ausgefüllt ist, worauf dann der Kernbohrer an die Oberfläche gezogen wird.
Nach Auspumpen des längsgeteilte Kernschutzrohres 8 aus dem Innenrohr 3 und Auseinanderklappen seiner beiden Hälften können
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dann am Kern die je Abschnitt abgebohrten Kernlängen gemessen und die auf dem oder jedem Markierblatt bestimmten Richtungen gegenüber Nord den am Umfang des Kernes befindlichen axialen Marken für die einzelnen Abschnitte zugeordnet werden. Die Grösse und Richtung des Einfallens von Schichten, Störungsflächen usw. lassen sich mit diesen Registrierungen nach allgemein bekannten Prinzipien messen.
An Stelle oder in Verbindung mit der Orientierung einzelner Bohrkernabschnitte im Sinne ihrer Querschnittslage. gegenüber der Nordrichtung kann mit derartigen Markierungen auch die Längsrichtung des Bohrkernes orientiert, d. h. festgestellt werden, nach welcher Richtung das Bohrloch von der Lotrechten abweicht. Das Mass einer solchen Abweichung wird dann nachträglich im offenen Bohrloch bestimmt und für die Berechnung von Schichteinfallsrichtungen usw. verwendet.
Für das Ziehen orientierter Bohrkerne ist es wesentlich, dass dieselben einen möglichst grossen Durchmesser haben, weil davon die Genauigkeit der Richtungsbestimmungen abhängt. Da nun der Bohrlochdurchmesser bei Tiefbohrungen nicht beliebig gross gewählt werden kann, sondern als gegeben betrachtet werden muss, ist das Verhältnis des Kerndurchmessers zum Bohrlochdurch- messer für die Grösse des ersteren massgebend.
Deshalb ist es im vorliegenden Fall besonders vorteilhaft, dass das den Kern umgebende, längsgeteilte Schutzrohr 8 ohne Abstand dicht gegen die Innenseite des feststehenden Kernrohres 3 anliegt.
Dabei können zwar nicht, wie sonst üblich, besonders Klammern od. dgl. zum Zusammenhalten der beiden Hälften des Schutzrohres auf dessen Aussenseite vorgesehen werden. Auf derartige Hilfsmittel kann aber gerade hier wegen des Herauspumpens des Schutzrohres 8 zusammen mit dem abgebohrten Kern aus dem vorher ausgebauten Kernrohr 3 ohne weiteres, u. zw. auch bei Abbohren von Kernen aus weichen oder zerklüf- tetem Gestein, verzichtet werden. Zu dieser Massnahme wird die Bohrung 11 in dem Kolben 10, die vorher zum Abfliessen des vom aufsteigenden Kern aus dem Inneren des Schutzrohres 8 verdrängten Spülmittels gedient hat, mittels eines Pfropfens verschlossen, worauf an das Gewinde des von der Aufhängeachse 14 gelösten Körpers 13 eine hydraulische Pumpe angeschlossen wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Ziehen von orientierten Bohrkernen, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Abschnitte jedes Bohrkernes nacheinander und unabhängig voneinander orientiert werden, indem mittels eines Orientierungs-und Bohrlochabwei- chungsmessgerätes, das in einen Kernbohrapparat mit Bezug auf das während des Kernens sich nicht mitdrehende Innenrohr (3) und damit auch auf den Kern selbst richtungsfest eingebaut ist und durch ein Uhrwerk (24), betätigt wird, zu voranbestimmten Zeitpunkten auf mindestens einem Markierblatt die Lage des Bohrkernes und gegebenenfalls die jeweilige Richtung des von der Lotrechten abweichenden Bohrlochverlaufes gegenüber der Nordrichtung aufgezeichnet wird, wobei jede dieser Aufzeichnungen in einem festen Winkelabstand zu je einer andern,
ihr eindeutig erkennbar zugeordneten Markierung an dem betreffenden Bohrkernabschnitt steht.
2. Kernbohrer zur Durchführung des Verfah-