DE1220357B - Abrasion control through radioactive labeling - Google Patents
Abrasion control through radioactive labelingInfo
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Description
Abriebskontrolle durch radioaktive Markierung Die Erfindung bezieht sich auf die Markierung von Werkzeugen und Geräten für Tiefbohrungen mit radioaktiven Leitsubstanzen zur Anzeige des kritischen Abriebs.Radiolabeling Abrasion Control The invention relates to focus on the marking of tools and equipment for deep drilling with radioactive Leading substances to indicate the critical abrasion.
Bei den für geologische und technische Tiefbohrungen verwendeten Bohrwerkzeugen wie Rollen- und Diamantmeißeln, Bohrturbinen, Bohrkronen, Nachräumern ist es notwendig, mit einem hohen Grad an Sicherheit zu erkennen, wann der Abrieb an diesen hochbeanspruchten Werkzeugen und Geräten einen bestimmten, höchstzulässigen Wert erreicht hat. So führt beispielsweise bei Rollenmeißeln ein übermäßiger Verschleiß der Rollenlager, die einer sehr hohen abrasiven Belastung ausgesetzt sind, zum Schlagen der Rollen, was schließlich zur Zerstörung des Bohrkopfes führen kann. Umfangreiche und kostspielige Such- und Fangarbeiten sind die Folge. Übermäßiger Verschleiß der Nachräumer und Glätter ergibt schlecht kalibrierte Bohrlöcher und erfordert damit zeitraubende Nacharbeit.For the drilling tools used for geological and technical deep drilling such as roller and diamond chisels, drilling turbines, drill bits, re-clearing, it is necessary to recognize with a high degree of certainty when the abrasion on these highly stressed Tools and equipment has reached a certain maximum permissible value. So leads to excessive wear of the roller bearings in the case of roller chisels, for example, which are exposed to a very high abrasive load, for hitting the rollers, which can ultimately lead to the destruction of the drill head. Extensive and costly Search and catch work are the result. Excessive wear and tear on the rear clearers and Smoother results in poorly calibrated drill holes and thus requires time-consuming Rework.
Bei der Beurteilung der höchstzulässigen Standzeiten solcher Werkzeuge und Geräte ist man heute auf Erfahrung und Gefühl angewiesen. Daher stellt es sich fast stets beim Aufholen der Werkzeuge, was besonders bei sehr tiefen Bohrungen einen beträchtlichen Zeit- und damit Kostenaufwand bedingt, heraus, daß entweder das Werkzeug noch viel länger hätte eingesetzt bleiben können oder aber daß das Werkzeug wegen des gefährlich fortgeschrittenen Verschleißes schon längst hätte ersetzt werden müssen.When assessing the maximum service life of such tools and devices today one is dependent on experience and feeling. Hence it arises almost always when catching up the tools, especially with very deep holes a considerable expenditure of time and thus costs, out that either the tool could have remained in use much longer, or that Tool because of the dangerously advanced wear and tear need to be replaced.
Es ist schon vorgeschlagen worden, Bohrwerkzeuge für Tiefbohrungen zum Erkennen des höchstzulässigen Abriebs mit Bohrungen zu versehen, in die eine radioaktive Leitsubstanz eingebracht wird, und die Bohrungen so zu verschließen, daß sie angeschnitten werden, sobald der höchstzulässige Materialabtrag erreicht ist, worauf die radioaktive Leitsubstanz in die umlaufende Spülung gelangt, mit ihr an die Oberfläche getragen wird und hier ein Meß- und Anzeigegerät zum Ansprechen bringt. Es wurde ferner schon vorgeschlagen, zusätzlich zur Leitsubstanz in die hierfür vorgesehenen Bohrungen ein Treibmittel einzubringen, das sich bei Berührung mit der Spülflüssigkeit unter Gasentwicklung zersetzt und die Leitsubstanz aus der Bohrung austreibt. Ebenso wurde vorgeschlagen, das Treibmittel selbst radioaktiv zu markieren, beispielsweise als Treibmittel Natriumamid mit Stickstoff-13 oder Tritium, Alanate oder Boranate mit Tritium, Kohlendioxyd mit Kohlenstoff 14 oder Carbide mit Kohlenstoff-14 zu verwenden. Auch die Verwendung Wasserlöslicher radioaktiver Leitsubstanzen wurde schon angeregt, beispielsweise von Chloriden mit Chlor-36 oder auch mit radioaktiven Kationen-42, Natrium-24 und Caesium-134.It has been proposed to drill tools for deep drilling to be provided with holes in one of the radioactive lead substance is introduced and the holes are closed in such a way that that they are cut as soon as the maximum permissible material removal is reached is whereupon the radioactive lead substance gets into the circulating rinse with her is carried to the surface and here a measuring and display device for response brings. It has also already been proposed that in addition to the lead substance in the A propellant is to be introduced into the holes provided for this purpose, which is released when touched decomposed with the rinsing liquid with evolution of gas and the lead substance from the Drives out the bore. It has also been suggested that the propellant itself be radioactive to mark, for example as a propellant sodium amide with nitrogen-13 or Tritium, alanate or boranate with tritium, carbon dioxide with carbon 14 or Use carbides with carbon-14. Also the use of water-soluble radioactive Lead substances have already been suggested, for example chlorides with chlorine-36 or also with radioactive cations-42, sodium-24 and cesium-134.
Für den praktischen Bohrbetrieb konnten sich die bisher bekannten Verfahren nicht durchsetzen. Die Verwendung löslicher Leitsubstanzen verbietet sich wegen der damit verbundenen Kontamination der Spülflüssigkeit, die auf alle Fälle vermieden werden muß. Ionogene Leitsubstanzen belasten die Verfahren mit einem großen Unsicherheitsfaktor, da sie durch Ionenaustauch und andere Abfangwirkungen bereits im Bohrloch zurückgehalten werden können. Bei einer großen Zahl der für die Markierung vorgeschlagenen Leitsubstanzen handelt es sich im übrigen um y-Strahler, die auf keinen Fall ins Bohrloch gelangen dürfen, da sie die während der Bohrung vorzunehmende Messung der natürlichen Radioaktivität sehr erschweren.For the practical drilling operation, the previously known Do not enforce proceedings. The use of soluble lead substances is prohibited because of the associated contamination of the rinsing liquid, which in any case must be avoided. Ionic lead substances burden the process with a large one Uncertainty factor, since it is already due to ion exchange and other trapping effects can be retained in the borehole. With a large number of for the marking proposed lead substances are, moreover, y-emitters, which on in no case may get into the borehole, as they are the ones to be carried out during the drilling Make it very difficult to measure natural radioactivity.
Soweit die bisher vorgeschlagenen ß-Strahler für die Markierung von Bohrwerkzeugen nicht schon aus einem der vorstehend angeführten Gründe ausscheiden, wie beispielsweise das ionogene Chlor-36, handelt es sich hierbei entweder um schwer zugängliche Stoffe wie Kohlenstoff 14, die für den praktischen Einsatz zu teuer sind, oder um Stoffe mit zu kurzer Halbwertszeit wie Stickstoff-13, oder aber um sehr weiche ß-Strahler, wie Tritium, deren Nachweis einen großen Aufwand an empfindlichen Meßgeräten verlangt, die dem rauhen Betrieb auf Bohrstellen nicht gewachsen sind.So much for the previously proposed ß-emitters for the marking of Drilling tools do not drop out for one of the reasons listed above, such as the ionic chlorine-36, this is either heavy accessible substances such as carbon 14, which are too expensive for practical use are, or substances with too short a half-life such as nitrogen-13, or around very soft ß-emitters, such as tritium, the detection of which is very sensitive Requires measuring devices that are not up to the rough operation on drilling sites.
Es wurde nun gefunden, daß eine zuverlässige Anzeige des Erreichens des kritischen Abriebs mittels radioaktiver Markierung bei Tiefbohrwerkzeugen möglich ist, wenn als radioaktive Leitsubstanz gemäß der Erfindung Krypton-85 verwendet Wird. Es ist zweckmäßig, diese Leitsubstanz in Form einer Einschlußverbindung einzusetzen. -Mit besonderem -Vorteil, wird Krypton-85 in Form seines Chlathräts mit Üydrochinon verwendet.It has now been found that a reliable indication of achievement of critical abrasion possible by means of radioactive marking in deep drilling tools is, when used as the radioactive lead substance according to the invention, krypton-85 Will. It is appropriate this lead substance in the form of an inclusion compound to use. -With special -Advantage, krypton-85 comes in the form of its chlathrate used with hydroquinone.
Die Leitsubstanz wird in bekannter Weise in Bohrungen eingebracht, die so in das Werkstück gelegt sind, daß sie beim Erreichen des kritischen Abriebs angeschnitten werden.The lead substance is introduced into bores in a known manner, which are placed in the workpiece in such a way that when the critical wear is reached be cut.
Bei Bohrlöchern von größerer Tiefe als etwa 300 m genügt der Eigendruck des aus der Einschlußverbindung freigesetzten Gases im allgemeinen nicht mehr, um dieses gegen den Druck der überstehenden Flüssigkeitssäule aus der Markierungsbohrung auszutreiben. Wird das Gas als solches in die Bohrung eingebracht, so kann der Druck ebenfalls nicht beliebig erhöht werden, da dem durch zunehmende Dichtungsschwierigkeiten Grenzen gesetzt sind.In the case of boreholes deeper than about 300 m, the intrinsic pressure is sufficient of the gas released from the inclusion compound generally no longer to this against the pressure of the protruding liquid column from the marking hole to drive out. If the gas is introduced into the bore as such, the pressure can can also not be increased arbitrarily, as this is caused by increasing sealing difficulties There are limits.
In diesem Fall ist es zweckmäßig, in der Markierungsbohrung außer der Leitsubstanz ein Treibmittel vorzusehen, das bei Berührung mit der Spülflüssigkeit unter Gasentwicklung zersetzt wird. Hierfür eignen sich beispielsweise Gemische aus wasserlöslichen Säuren und Carbonaten, Ferner können Alkalimetalle wie Natrium oder Kalium verwendet werden. Mit besonderem Vorteil werden Hydride, insbesondere Lithium- und Calciumhydrid, verwendet; da diese, bezogen auf das eingebrachte Feststöffvolumen, eine besonders hohe Gasausbeute ergeben.In this case it is useful to except in the marking hole the conductive substance to provide a propellant, which on contact with the rinsing liquid is decomposed with evolution of gas. Mixtures are suitable for this, for example from water-soluble acids and carbonates, furthermore alkali metals such as sodium or potassium can be used. With particular advantage are hydrides, in particular Lithium and calcium hydride, used; since these, based on the solid volume introduced, result in a particularly high gas yield.
Die Figuren. zeigen Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung.The figures. show possible embodiments of the invention.
F i g. 1 zeigt einen Horizontalschnitt durch einen erfindungsgemäß markierten Glätter; F i g. 2 zeigt zwei Ausführungsmöglichkeiten der Markierung an einem Rollenmeißel. DieMarkierungsbohrung l enthält die Leitsubstanz2 und gegebenenfalls das Treibmittel 3. Sie ist durch einen geeigneten Verschluß 5, beispielsweise eine vernietete Schraube oder einen Schrumpfverschluß, gasdicht verschlossen. Mit 4 sind die abriebgefährdeten Flächen des markierten Werkzeugs bezeichnet. Die stehenbleibende Materialstärke zwischen der Bohrung 1 und der abriebgefährdeten Fläche 4 ist entsprechend dem höchstzulässigen Abrieb bemessen. Sobald durch den Abtrag der Fläche 4 so viel Material abgetragen ist, daß die Bohrung 1 angeschnitten wird, dringt die Spülflüssigkeit in die Bohrung 1 ein, und die Leitsubstanz 2 tritt aus, wird von der Spülflüssigkeit an die Oberfläche getragen und kann hier mit bekannten Zählgeräten festgestellt werden, wobei über das Zählgerät durch Verbindung mit bekannten Einrichtungen eine Anzeige, ein Alarm oder ein Ausschalter betätigt werden kann.F i g. 1 shows a horizontal section through a trowel marked according to the invention; F i g. 2 shows two possible embodiments of the marking on a roller bit. The marking bore 1 contains the conductive substance 2 and, if necessary, the propellant 3. It is closed in a gas-tight manner by a suitable closure 5, for example a riveted screw or a shrink closure. The areas of the marked tool that are at risk of abrasion are denoted by 4. The remaining material thickness between the bore 1 and the abrasion-prone surface 4 is dimensioned according to the maximum permissible abrasion. As soon as so much material has been removed by the removal of the surface 4 that the bore 1 is cut, the flushing liquid penetrates into the bore 1, and the conductive substance 2 emerges, is carried to the surface by the flushing liquid and can be used here with known counting devices can be determined, whereby a display, an alarm or an off switch can be actuated via the counter through connection with known devices.
Bei hohem Außendruck, wie er bei Bohrungen in großer Tiefe stets herrscht, wird der Austritt der Leitsubstanz 2 durch das Treibmittel 3 unterstützt, das durch Reaktion mit der eingedrungenen Spülflüssigkeit Gas entwickelt, welches die Leitsubstanz 2 aus der Bohrung 1 preßt.With high external pressure, as always prevails when drilling at great depths, the exit of the conductive substance 2 is supported by the propellant 3, which is by Reaction with the penetrated flushing liquid develops gas, which is the lead substance 2 presses out of the hole 1.
Bei Geräten und Werkzeugen, an denen für die Markierungsbohrung viel Material zur Verfügung steht, beispielsweise bei Glättern, kann die Leitsubstanz gegebenenfalls zusammen mit dem Treibmittel auch in einer größeren Kapsel verschlossen in die Bohrung eingesetzt werden. In diesem Fall braucht die Markierung nicht vom Hersteller vorgenommen zu werden. Es genügt, an dem zu markierenden Teil die Bohrung vorzusehen, in die die Kapsel unmittelbar vor dem Gebrauch eingesetzt wird. . Bäispiel ' Die praktische -Erprobung des erfindüngsgemäßei Verfahrens fand auf einer B6histelle in einer Versuchs reihe statt. Die Ergebnisse eines typischen Versuchs sinc im folgenden beschrieben.For devices and tools that require a lot for the marking hole Material is available, for example in the case of smoothing, can be the lead substance optionally also closed in a larger capsule together with the propellant be inserted into the hole. In this case the marking does not need to be dated Manufacturers to be made. It is sufficient to drill the hole on the part to be marked in which the capsule is inserted immediately before use. . Example The practical testing of the method according to the invention took place on a site in a series of experiments. The results of a typical experiment are as follows described.
1. Daten der Bohrung Kernbohrung mit Diamantkrone. Teufe: 2345,3 bis 2363,3 m. Vetrohrung bis 2250 m.1. Data of the drilling Core drilling with diamond crown. Depth: 2345.3 to 2363.3 m. Piping up to 2250 m.
Lochdurchmesser in der Versuchsteufe : 216 mm, Gebirge: Übergang von Zechstein zu Carbon (Sandstein- und Tonschieferschichten). Spülung: - Ton-Salzspülung; -Gesamtmenge 80 m3. Umlaufgeschwindigkeit der Spülung: 82 Minuten pro Umlauf.Hole diameter in the test step: 216 mm, mountains: transition from Zechstein to carbon (sandstone and slate layers). Rinse: - clay-salt rinse; -Total volume 80 m3. Circulation speed of the rinsing: 82 minutes per circulation.
Durchfiußmenge der Spülung: - 1 m3 pro Minute. Bohrlast auf Sohle: 5 bis 7 t.Flush flow rate: - 1 m3 per minute. Drilling load on bottom: 5 to 7 t.
Drehzahl des Bohrgestänges: 120 U/min. Anordnung des Bohrgestänges von: unten nach oben: Diamantkrone, Kernrohr, Glätter, zwölf Schwerstangen, der Rest normale Bohrstangen. 2. Versuchsausführung In die drei Rippen des Glätters wurden Messingkapseln in geeignete Sacklöcher so eingesetzt, daß sich die oberen Kapselspitzen 1 mm unter der Rippenoberfläche befanden. Innen ausge@ bohrte Schrauben nahmen den Oberteil der Kapseln auf und hielten sie im Sackloch fest. Die über die Rippenoberflächen hervorstehenden Schraubenteile wurden bündig mit der Qberfläche abgefeilt. Die Messingkapseln besaßen eine Wandstärke von 1 mm, eine Gesamtlänge von 30 mm und im vorderen, 20 mm langen Teil einen Durchmesser von 5,6 mm, im hinteren als Verschluß ausgebildeten Teil einen Durchmesser von 9 mm. Im vorderen zur Rippenoberfläche gerichteten Teil enthielt die Kapsel etwa 100 mCi Krpyton-85 als Hydrochinonclathrat (= 40 mg), darunter befanden sich 150 mg LiH, die bei völligem Umsatz mit Wasser genügten, um in dem 0,5 cm3 großen Kapselvolumen bei 100°C einen Druck von 1100 atm zu erzeugen. Die Kapsel war am Ende verschlossen mit einem konischen Bleipfropfen, der durch eine Madenschraube in die Kapsel hineingepreßt wurde. Kalt härtender Kunststoff füllte den Schraubensitz, so daß beim Eindrehen der Schraube die Gewindegänge gegen Gasaustritt abgedichtet wurden. Nachdem sich die Glätterippen während des Bohrbetriebes um 1,5 bis 2 mm abgerieben hatten und dadurch auch die Kapselspitze geöffnet worden war, drang Spülung in das Kapselinnere ein, löste das Clathrat und erzeugte mit dem Treibmittel zusammen Wasserstoff, der das Krypton-85 in die nach oben steigende Spülung verdrängte. In dieser verteilte es sich so, d'aß ein Drittel der Gesamtkrpytonmenge im ersten Kubikmeter, der Rest mit abnehmender Konzentration in den übrigen 9 m3 von insgesamt 10 m3 enthalten war. Unmittelbar hinter dem Spültrichter befand sich ein auf einem Schwimmer montiertes Großflächenzählrohr von 260 cm2. Der Nulleffekt der Meßanordnung aus Zählrohr, Kathodenfolger, Kabel und Ratemeter betrug 600 Impulse pro Minute. Ergebnis Nach der Perforierung der ersten Kapsel durch den Abrieb im Gebirge erfolgte eine erste Anzeige von 3,4 - 104 Impulsen pro Minute. Nach dem ersten Umlauf (82 Minuten) ging die Anzeige auf 4 - 103, nach dem zweiten Umlauf auf 1,2 - 10$ Impulse pro Minute zurück, wobei keine wesentliche Ausweitung der Vermischung mit der Spülung beobachtet wurde. Der Versuch zeigt, daß zu einer Alarmauslösung schon 10 mCi ausreichen, entsprechend einer Anzeige vom 5fachen Nulleffekt. Außerdem ist zu erkennen, daß die Aktivität nach weiteren drei bis vier Umläufen sicher unter 10/0 des ersten Anzeigewertes abgesunken ist, weitere Anzeigen also nicht gestört werden.Rotation speed of the drill pipe: 120 rpm. Arrangement of the drill rods from: bottom to top: diamond crown, core tube, smoother, twelve drill collars, the rest normal drill rods. 2. Execution of the test In the three ribs of the smoother, brass capsules were inserted into suitable blind holes in such a way that the upper capsule tips were 1 mm below the surface of the ribs. Screws drilled out inside took up the upper part of the capsules and held them in the blind hole. The parts of the screw protruding above the rib surfaces were filed flush with the surface. The brass capsules had a wall thickness of 1 mm, a total length of 30 mm and a diameter of 5.6 mm in the front, 20 mm long part, and a diameter of 9 mm in the rear part designed as a closure. In the front part facing the rib surface, the capsule contained about 100 mCi of Krpyton-85 as hydroquinone clathrate (= 40 mg), including 150 mg of LiH, which, when fully converted with water, was sufficient to move in the 0.5 cm3 capsule volume at 100 ° C to generate a pressure of 1100 atm. The capsule was closed at the end with a conical lead plug which was pressed into the capsule by means of a grub screw. Cold-curing plastic filled the screw seat so that the threads were sealed against gas leakage when the screw was screwed in. After the smooth ribs had rubbed off by 1.5 to 2 mm during the drilling operation and the capsule tip had been opened as a result, mud penetrated into the interior of the capsule, dissolved the clathrate and, together with the propellant, produced hydrogen, which the krypton-85 into the upward flushing displaced. In this it was distributed in such a way that a third of the total amount of Krpyton was contained in the first cubic meter, the rest with decreasing concentration in the remaining 9 m3 of a total of 10 m3. Immediately behind the flushing funnel was a large-area counter tube of 260 cm2 mounted on a float. The background effect of the measuring arrangement consisting of the counter tube, cathode follower, cable and ratemeter was 600 pulses per minute. Result After the first capsule was perforated by the abrasion in the mountains, an initial display of 3.4-104 pulses per minute was made. After the first cycle (82 minutes) the display went back to 4-103, after the second cycle to 1.2-10 $ pulses per minute, no significant increase in mixing with the rinse was observed. The experiment shows that 10 mCi are sufficient to trigger an alarm, corresponding to a display of 5 times the background effect. It can also be seen that after a further three to four cycles, the activity has definitely fallen below 10/0 of the first display value, so further displays are not disturbed.
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