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Die Erfindung betrifft einen Kernhalter mit Manteldruckbeaufschlagung auf Probenkörper. Mit einem solchen Kernhalter sollen insbesondere Eigenschaftsanalysen von Kernproben durchgeführt werden können, die dem Einfluss von Fluiden beziehungsweise einem hydrostatischem Druck ausgesetzt sind.
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Für die Bewertung und Entwicklung unterirdischer Speichersysteme, der Geothermie und insbesondere in der E & P (Exploration and Production) Industrie sind geologische Untersuchungen anhand detaillierter Eigenschaftsanalysen von Probenkörpern von großer Bedeutung. Dabei werden die zu untersuchenden Probenkörper üblicherweise als Bohrkerne aus tiefliegenden Erdschichten gewonnen. Solche Probenkörper sollen dann beispielsweise auf ihre Permeabilität, Porosität, Kompressibilität, Resistenz und/oder Stabilität gegenüber Fluiden oder Mehrphasenströmungen untersucht werden. Die bei den entsprechenden Untersuchungen gewonnenen Daten geben Aufschluss über die Beschaffenheit der Erdschichten, das Vorkommen von Bodenschätzen oder liefern wichtige Informationen bei der Planung von Bauvorhaben. Neben geologischen Probenkörpern, werden aber auch beispielsweise Bohrkerne aus Beton zur Qualitätsüberwachung von Baustoffen auf ihre Eigenschaften untersucht.
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Insbesondere für die Beurteilung der Permeabilität oder der Sättigungseigenschaften durch bestimmte Fluide, werden Vorrichtungen verwendet, mit denen solche Probenkörper mit einem Betriebsdruck beaufschlagt werden können. Der Betriebsdruck kann ein Formationsdruck, Gebirgsdruck oder heterostatischer Druck sein. Entsprechende Vorrichtungen (Kernhalter engl. core holder) sind bereits vielfältig verwendet und hinreichend beschrieben worden. Wie beispielsweise aus der
US 5679885A ,
US 3023606A oder der
CN102169081A bekannt ist, erfolgt eine Manteldruckbeaufschlagung auf die Probenkörper über Durchführungen in den Mantelflächen des umgebenden Materials. Die entsprechenden Anschlüsse für so angeordnete Durchführungen ragen dabei senkrecht aus den Mantelflächen der Vorrichtungen radial nach außen hervor. Aufgrund der Druckbeanspruchung stellen derart angeordnete Durchführungen in den Mantelflächen eine Schwachstelle in der Festigkeit in der Konstruktion dar, so dass beispielsweise bei zylindrischen Vorrichtungen, bei denen die Mantelfläche den größten Teil der Oberfläche einnimmt, eine wesentlich höhere Materialdicke eingesetzt werden muss. Dies verursacht einerseits einen erhöhten Materialverbauch mit den einhergehenden erhöhten Kosten und andererseits muss bei einer defekten Durchführung in der Mantelfläche, das umgebende Material mit hohem Aufwand ausgetauscht werden. Aufgrund der großen Oberfläche des umgebenden Materials, ist die Fertigung von Ersatzteilen mit einem erhöhten Materialbedarf und den damit entsprechend hohen Kosten verbunden. Zudem ist der konstruktive Raum in der Umgebung der Mantelflächendurchführungen durch deren Anschlüsse und Verbindungsleitungen beeinträchtigt. Außerdem ist die Zugänglichkeit zu radial außen angeordneten Anschlüssen nachteilig, wenn beispielsweise Wartungs- oder Reparaturarbeiten erforderlich sind.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Kernhalter mit einer radial äußeren freien Mantelfläche zur Verfügung zu stellen, mit dem die äußeren Mantelflächen von Probenkörpern mit Druck beaufschlagt werden können.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Kernhalter, der die Merkmale gemäß dem Anspruch 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten technischen Merkmalen erreicht werden.
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Bei einem erfindungsgemäßen Kernhalter mit Manteldruckbeaufschlagung, ist ein Probenkörper in einem Hohlkörper so angeordnet, dass zwischen der äußeren Mantelfläche des Probenkörpers und der inneren Mantelfläche des Hohlkörpers ein radial umlaufender Hohlraum ausgebildet ist. Dabei ist der Hohlkörper an mindestens einer Stirnseite mit einem Deckelelement fluiddicht verschlossen. In dem Deckelelement und in dem Hohlkörper ist an der dem Deckelelement zugewandten Stirnseite jeweils mindestens eine Durchführung ausgebildet, durch die ein Fluid in das Innere des Probenkörpers einführbar ist.
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Dabei können die Durchführungen koaxial zur mittleren Längsachse des Hohlkörpers senkrecht durch das Deckelelement und durch die Stirnseite des Hohlkörpers ausgebildet sein, so dass die Zuführung eines Fluids in das Innere eines Probenkörpers axial zu der mittleren Längsachse des Hohlkörpers erfolgen kann.
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Weiterhin ist in dem einen stirnseitig angeordneten Deckelelement mindestens eine weitere Durchführung ausgebildet, durch die ein Fluid aus axialer Richtung in den Hohlraum unter Druck so einführbar ist, dass die Manteloberfläche des Prüfkörpers mit Druck beaufschlagbar ist.
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Unter Fluiden sollen Gase und Flüssigkeiten, bevorzugt Hydraulikflüssigkeiten verstanden werden.
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Innerhalb des Hohlkörpers sollte der Probenkörper mit dem Deckelelement, an dem die mindestens eine weitere Durchführung ausgebildet ist, fixiert sein. An der gegenüberliegenden Stirnseite kann der Probenkörper mit der dort angeordneten Stirnfläche des Hohlkörpers oder einem dort befestigten weiteren Deckelelement gehalten sein.
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Dementsprechend sollten das mindestens eine Deckelelement, die gegenüberliegende Stirnseite des Hohlkörpers oder das weitere Deckelement orthogonal zu der mittleren Längsachse des Hohlkörpers ausgerichtet beziehungsweise so angeordnet sein. Dabei sollte zwischen dem Deckelelement und der gegenüberliegenden Stirnseite des Hohlkörpers oder dem weiteren Deckelelement ein Abstand zum Halten des Probenkörpers eingehalten sein, der mit mindestens einem, an/in dem/den Deckelelement(en) und/oder in der dem/den Deckelelement(en) zugewandten Stirnseite geführten Distanzhalter(n) verändert werden können. Ein Probenkörper kann also an mindestens einer Seite von einem Distanzhalter gehalten werden.
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Um die stirnseitigen Kontaktflächen des Probenkörpers gegenüber dem/den Deckelelement(en), der gegenüberliegenden Stirnseite des Hohlkörpers und/oder gegenüber dem/den Distanzhalter(n) fluiddicht abzudichten, können Dichtungen in Form von O-Ringen eingesetzt werden. Zur Entlastung des Probenkörpers vor zu hoher Zug-, Druck- oder Torsionsbeanspruchung durch die axiale Halterung, kann ein Distanzhalter mit einem elastischen Material, bevorzugt Kunststoff, besonders bevorzugt Polytetrafluorethylen PTFE, gebildet sein.
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Ein Distanzhalter kann mindestens eine axiale Durchführung aufweisen, die mit einer in dem jeweiligen Deckelelement ausgebildeten Durchführung kommuniziert. In einer Ausführungsform kann ein Distanzhalter auch axial ein- und ausschraubbar in einem Deckelelement und/oder der dem Deckelelement gegenüberliegenden Stirnseite des Hohlkörpers geführt sein, so dass bei einer Drehbewegung des Distanzhalters, der Abstand zu der jeweils gegenüberliegenden Seite verändert werden kann. Der Abstand kann somit entsprechend der Länge des Probenkörpers eingestellt werden.
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Die in dem Deckelelement, Distanzhalter und/oder an der Stirnseite des Hohlkörpers ausgebildeten Durchführungen können in Form einer Bohrung, eines Ringspalts, eines Kreisringsegments oder einem Langloch ausgebildet sein. Dabei können die Durchführungen des Deckelelements und des Hohlkörpers axiale Außenanschlüsse aufweisen, an denen Druckleitungen in Ein- und Auslassrichtung anschließbar sind. Die entsprechenden Druckleitungen sollten so angeordnet und ausgerichtet sein, dass sichergestellt ist, dass radial außen um den Kernhalter ein konstruktiver Freiraum eingehalten werden kann.
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An mindestens einer Durchführung in den Hohlraum des Hohlkörpers und/oder an mindestens einer Durchführung in das Innere des Probenkörpers kann ein einstellbares/regelbares Überdruckventil angeordnet sein. Weiterhin sollte an jeweils mindestens einer dieser Durchführungen ein Ablassventil für Fluid angeordnet sein. An der Durchführung, durch die ein Fluid in axialer Richtung in den Hohlraum unter Druck einführbar ist, kann ein Rückschlagventil angeordnet sein, um eine Rückströmung aus dem Hohlraum zu vermeiden.
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An den Durchführungen können in Ein- und/oder Auslassrichtung aber auch weitere Ventile wie beispielsweise Sperrventile oder Drosselrückschlagventile angeordnet sein.
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An dem Deckelelement, an dem die Durchführung ausgebildet ist, über die Fluid unter erhöhtem Druck in den Hohlraum einführbar ist, kann mindestens eine weitere Durchführung ausgebildet sein, mit der eine Entlüftung des Hohlraums, während der Zuführung des Fluids in den Hohlraum, erreicht werden kann.
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Zur Manteldruckbeaufschlagung eines in dem Hohlkörper angeordneten Probenkörpers, kann in den Hohlraum ein Fluid mit einem Druck im Bereich von 0,1 MPa bis 20 MPa mit einer Temperatur im Bereich von 250 K bis 500 K zugeführt werden.
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Der Hohlkörper sollte aus einem ausreichend festen und steifen Werkstoff mit den wirkenden Kräften entsprechender Dimensionierung hergestellt sein. Dies trifft auch auf Deckelelemente zu.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des Kernhalters, kann der Hohlkörper beidseitig an seinen gegenüberliegenden Stirnseiten koaxial angeordnete Öffnungen aufweisen, die mit jeweils einem Deckelelement fluiddicht verschlossen sind. Dabei können die Deckelelemente Außengewinde und der Hohlkörper an den Öffnungen entsprechende Innengewinde aufweisen, so dass die Deckelelemente vollständig in den Hohlkörper eingeschraubt werden können.
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In einer weiteren Ausführungsform kann ein Deckelelement, an dem ein Dichtflansch ausgebildet ist, in einem Schraubring, der mit dem Hohlkörper verschraubbar ist, so geführt sein, dass der Dichtflansch bei der Verschraubung des Schraubrings mit dem Hohlkörper, den Hohlkörper fluiddicht abdichtet. Der Hohlkörper kann in der Form eines Hohlzylinders ausgebildet sein und eine längsseitig radial umlaufende geschlossene Mantelfläche aufweisen, die frei von Durchführungen und/oder Erhebungen ist. Dabei sollten die mit einem geraden Kreiszylinder verschraubten Schraubringe, zu dem Hohlzylinder äquivalente Außendurchmesser aufweisen.
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Der Hohlkörper sollte einen konstanten Innendurchmesser aufweisen. Die Wandstärke seines Mantels sollte dabei zumindest in dem Bereich in dem ein Probenkörper angeordnet werden kann, eine konstante Wandstärke aufweisen.
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Ein Probenkörper sollte ebenfalls zylinderförmig ausgebildet sein.
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Ein Probenkörper kann innerhalb des Hohlkörpers vollständig über seinen radial äußeren Umfang von einer Manschette umgeben sein, die von mindestens einem Distanzhalter gehalten und geführt ist. Mit einer solchen Manschette kann der innerhalb des Hohlkörpers gehaltene Probenkörper gegenüber dem inneren Hohlraum abgedichtet werden.
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Bei den erfindungsgemäßen Kernhaltern erfolgt die Manteldruckbeaufschlagung auf einen Probenkörper aus axialer Richtung, so dass radial außen um den Kernhalter ein nutzbarer Konstruktionsfreiraum vorhanden ist. Alle Fluidzuführungen oder -abführungen können über Durchführungen in den stirnseitig angeordneten Deckelelementen erfolgen. Die Deckelelemente können im Versagensfall oder bei Beschädigungen, beispielswiese bei Undichtheiten, einfach ausgetauscht werden. Dies kann auch bei einer ggf. erforderlichen Anpassung an unterschiedliche Probenkörper ausgenutzt werden.
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Dabei kann lediglich ein Austausch mindestens eines Deckelelements erforderlich sein. Die äußere Zugänglichkeit ist gegenüber den bekannten Kernhaltern deutlich verbessert. Die erfindungsgemäßen Kernhalter sind also reparatur- und wartungsfreundlicher. Sie können auch flexibler eingesetzt werden.
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Nachfolgend soll der erfindungsgemäße Kernhalter mit Manteldruckbeaufschlagung anhand eines Beispiels näher erläutert werden.
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Dazu zeigt:
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1: einen Längsschnitt durch ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Kernhalters mit an beiden Stirnseiten mittels Deckelelementen verschlossenem Hohlkörper.
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Mit der 1 ist ein erfindungsgemäßer Kernhalter mit Manteldruckbeaufschlagung in einem Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem in einem zylinderförmigen Hohlkörper 1, ein Probenkörper 2 zwischen zwei Distanzhaltern 7 so angeordnet ist, dass zwischen der äußeren Mantelfläche des Probenkörpers 2 und der inneren Mantelfläche des Hohlkörpers 1 ein radial umlaufender Hohlraum 3 ausgebildet ist. Jeweils ein Distanzelement 7 ist in einem an dem jeweiligen Deckelelement 4a, 4b ausgebildeten Gewinde geführt und kann axial ein- und heraus geschraubt werden. Die Distanzelemente 7 weisen eine Durchführung 5.1 auf, die mit der jeweiligen Durchführung 5 des jeweiligen Deckelelements 4a und 4b kommuniziert, so dass in das Innere des gehaltenen Probenkörpers 2 durch die Durchführungen 5/5.1 ein Fluid ein- oder abführbar ist. Die Stirnseiten des Hohlkörpers 1 sind von jeweils einem, in einem Schraubring 8 an einem Zapfen geführten Deckelelement 4a und 4b fluiddicht abgedichtet, indem die Schraubringe 8 mit dem Hohlkörper 1 fest verschraubt sind. Dementsprechend ist an dem Hohlkörper 1 beidseitig bereichsweise ein Außengewinde ausgebildet. In dem Deckelelement 4a ist eine axiale Durchführung 6 ausgebildet, durch die dem Hohlraum 3 ein Fluid unter erhöhtem Druck aus axialer Richtung so zugeführt werden kann, dass die radial äußere Mantelfläche des Probenkörpers 2 mit dem erhöhten Druck beaufschlagt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5679885 A [0003]
- US 3023606 A [0003]
- CN 102169081 A [0003]
