DE1230737C2 - Kernfanggeraet - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Rotary-Kcrnbohrgerätc bzw. Schürfbohrgcrätc. Solche Kernbohrgeräte sind unter anderem als Doppelkcrnrohre bestehend aus einem Außcnkcrnrohr und einem Innenkernrohr bekannt. Das Außenkernrohr trägt an seinem unteren Ende ein Räumrohr und eine an diesem befestigte Kernbohrkrone. Das Innenkernrohr trägt an seinem unteren Ende einen Fangringaufnehmer und einen innerhalb dieses Aufnehmers angeordneten Kernfangring. Die Kernbohrkrone ist ringförmig ausgebildet.

Die Erfindung bezieht sich besonders auf den Aufbau des Aufnehmers und des Kernfangringes.

Die Erfindung geht aus von einem Kernfanggerät mit einem sich kegelstumpfförmig nach unten verjüngenden, geschlitzten, elastischen Kernfangring und einem Aufnehmer für den Kernfangring, oder eine konusförmig nach unten verjüngte Innenfläche hat.

Bei den bekannten Kernfanggeräten dieser Art ist der Kernfangring dazu ausgebildet, den Kern schon während des Bohrvorganges mit ausreichender Kraft zu greifen, um sicherzustellen, daß die jeweiligen Konusflächen des Aufnehmers und des Kernfangringes in Eingriff kommen, wenn der Bohrkopf angehoben wird. Durch die schon von vornherein, d. h. auch während des Bohrvorganges, vorhandene Reibung zwischen dem Kern und der Innenseite des Kernfangringes wird der Kernfangring sofort beim Anheben des Bohrkopfes in die innere Konusfläche des Aufnehmers gezogen und verkeilt. Um den Kernfangring von vornherein mit einer vorbestimmten Spannung um den Kern kreisen zu lassen, ist es bekannt, den Kernfangring eigenelastisch bzw. federnd und mit einem durchgehenden, axialen Schlitz auszubilden, so daß der in das Kernrohr durch den Kernfangring einwandernde Kern den Kernfangring zunächst etwas elastisch aufweitet. Die bekannten Aufnehmer und Kernfangringe sind aber in mancher Hinsicht mangelhaft. Insbesondere wurde festgestellt, daß diese bekannten Einrichtungen dazu neigen, Kerne aus schwachen oder bröckeligen Formationen, beispielsweise Kohle, zu beschädigen oder zu zerstören.

Es ist die grundsätzliche Aufgabe der Erfindung, ein wesentlich verbessertes Kernfanggerät zu schaffen, das im wesentlichen frei von den oben beschriebenen Nachteilen und Mängeln ist. Durch die Erfin^ dung soll die Möglichkeit geschaffen werden, den Kernfangring und den Kern während des Bohrvorganges frei voneinander zu halten und den für das Festkeilen und Abreißen des Kernes notwendigen Reibungseingriff zwischen dem Kern und dem Kernfangring erst nach Beendigung des Bohrvorganges durch äußere Betätigung herzustellen.

Eine Lösung dieser Aufgabe besteht gemäß der Erfindung darin, daß Abstandhalter zum Offenhalten des Schlitzes des gegen seine Elastizität in Offenstellung zum freien Durchlassen des Kernes gespannten Kernfangringes vorgesehen sind, welche hydraulisch mittels Spülungsdruck ausrückbar sind.

Der so in gespannter Stellung offengehaltene Kernfangring bietet dem durchtretenden Kern keinerlei Widerstand. Beim Betätigen sind dann lediglich die Abstandhalter aus dem Schlitz des Kernfangringes zu nehmen, so daß sich der Kernfangring unter der Wirkung seiner eigenen Elastizität in den für das Einleiten des Verteilungsvorganges notwendigen Reibungseingriff um den Kern schließt.

Eine zweite Lösung der gestellten Aufgabe besteht gemäß der Erfindung darin, daß der Kernfangring auf seiner Außenseite zu beiden Seiten des durchgehenden Schlitzes parallele, sich im wesentlichen senkrecht erstreckende Sätze von Zähnen und der Aufnehmer auf der Innenseite zwischen Blattfedern zwei im Abstand angeordnete blattförmige, durch den äußeren Spülungsdruck betätigte Klinken zum Schließen des Schlitzes des Kernfangringes gegen dessen Elastizität aufweisen.

Dadurch sitzt der Kernfangringdurch seine Eigenelastizität innerhalb des Aufnehmers in völlig geöffneter Stellung und setzt dem durchtretenden Kern keinerlei Widerstand entgegen. Mit Hilfe des äußeren Spülungsdruckes kann dann bei Beendigung des Bohrvorganges eine den Reibungseingriff des Kern-

fangringes um den Kern erzeugende Schließkraft ausgeübt werden. Der Kernfangring wird dann in seiner um den Kern geschlossenen Stellung mittels eines Gesperres verriegelt, so daß er beim Anheben der Bohrkrone gegebenenfalls im Innenkonus des Aufnehmers noch stärker zusammengezogen und mit dem Kern verkeilt werden kann.

In beiden Lösungen gemäß der Erfindung sitzt der Kernfangring bei Beginn und während des Bohrvorganges innerhalb des Aufnehmers in vollständig of- ίο fengehaltenem Zustand, so daß er dem durchtretenden Kern keinen Widerstand entgegensetzt. Das normalerweise nach Beendigung des eigentlichen Bohrvorganges durchzuführende Verkeilen und Abreißen des Kernes wird durch einen außerhalb der Bohrung auszuführenden Betätigungsakt gesteuert. Damit wird das Verkeilen des Kernes mittels des Kernfangringes positiv eingeleitet, so daß dann beim Anheben des Kernbohrgerätes in der Bohrung es zu einem sicheren, festen Verkeilen und sicheren Abreißen des Kernes kommt. Es wird damit auch durch die Erfindung eine wesentliche Erhöhung der'Betriebssicherheit des Kernbohrgerätes erreicht, da die Greiffestigkeit und die Haltesicherheit für den Kern im Inneren des Kernrohres erhöht werden können und der Kernfangring während des Bohrens nicht an seinen Greifelementen durch den Kern abgeschliffen und stumpf wird. Durch die Erfindung wird außerdem die Möglichkeit der positiven Betätigung des Kernfangringes zu jedem geeigneten und gewünschten Zeitpunkt geschaffen. Da durch die Erfindung keine Reibung zwischen dem Kernfangring und dem Kern während des Bohrvorganges eintritt, kann es auch nicht vorkommen, daß der Kernfangring wesentliche relative Verdrehungs- und Verschiebungsbewegungen bezüglich des Aufnehmers beim Bohrvorgang ausführt und durch unvermeidlich dort eindringenden Bohrschlamm verschlissen wird.

Das Kernfanggerät gemäß der Erfindung läßt sich außer für das Kernen von Gestein geringer Festigkeit selbstverständlich auch für das Gewinnen von Kernen aus festeren Formationen verwenden, also praktisch bei allen denkbaren Formationen einsetzen. Die Berührung zwischen dem Kernfangring und dem Kern erfolgt dabei jeweils erst auf eine Betätigung hin, also in der Regel, wenn der eigentliche Bohrvorgang abgeschlossen ist. Dadurch ruft der Kernfangring keinerlei Beschädigungen mehr an dem Kern hervor, was für die Gewinnung von zusammenhängenden Kernen aus bröckeligen Formationen Voraussetzung ist.

Die in dieser neuen Vorrichtung auf den Kernfangring ausgeübte Kraft wird vorzugsweise hydraulisch erzeugt, und zwar dadurch, daß ein Druckunterschied zwischen der Innenseite und der Außenseite des Aufnehmers durch Betätigung der an der Oberfläche befindlichen Pumpe erzeugt wird.

Wahlweise kann eine Substanz in die Bohrspülung eingeführt werden, die zur Bohrkrone wandert und die Spülmitteldurchlässe verstopft.

Wenn der Druck auf der Außenseite der Aufnehmerwand um einen vorher bestimmten Betrag größer als der Druck auf der Innenseite der Wand wird, werden auf der Außenseite der Wand des Aufnehmers angeordnete Federn durch Durchlässe in der Wand nach innen gedrückt und drücken den Kernfangring zusammen und verriegeln dabei den Kernfangring um den Kern.

In der einfachsten Ausführungsform sind zwei ähnliche Blattfedern in etwa mittlerer Höhe des Aufnehmers symmetrisch angeordnet. Jede überspannt einen Schlitz in der Aufnehmerwand und ist an einem Ende dieses Schlitzes befestigt.

Der Übertritt von Spülmittel durch diese Schlitze in der Aufnehmerwand wird, dadurch verhindert, daß sie außen mit einem nachgiebigen Material, beispielsweise einem selbstklebenden Streifen umgeben ist, der für das zirkulierende Spülmittel undurchlässig ist und den Druck von der Außenseite des Aufnehmers auf die unter den Schlitzen liegenden Blattfedern überträgt.

Der Kernfangring ist mit seinem im wesentlichen senkrechten durchgehenden Schlitz zwischen den Federn angeordnet, deren freie Enden gegeneinander gerichtet sind und nahe an der Außenfläche des Kernfangringes liegen. Der Abstand zwischen den Federn und dem Kernfangring ist gering, aber ausreichend, um während des Bohrvorganges frei zu laufen.

Wenn eine Druckdifferenz, wie später erläutert, aufgebaut wird, bewegen sich die freien Enden der Federn einwärts, um sich auf die Außenfläche des Kernfangringes zu legen und seinen Durchmesser so zu verringern, daß er den Kern greift.

Eine Ausführungsform des Gesperres, mit dem der Kernfangring in seiner den Kern greifenden Stellung gehalten wird, enthält parallele, sich im wesentlichen senkrecht erstreckende Sätze von Zähnen, die auf der Außenseite des Kernfangringes zu beiden Seiten dessen durchgehenden Schlitzes ausgebildet sind und zwei im Abstand angeordnete blattförmige Klinken auf der Innenseite des Aufnehmers zwischen den Blattfedern. Jede Klinke greift in einen Satz von Zähnen, wobei die letzteren in herkömmlicher Weise so ausgebildet sind, daß die Klinken beim Zusammendrücken des Kernfangringes und Verengen dessen Schlitzes über die Zähne laufen, aber in die Zähne eingreifen, wenn der Druck auf die Federn freigegeben wird, und so die Rückwärtsbewegung des Kernfangringes verhindern.

Der erhöhte Außendruck auf die Federn wird nur für eine kurze Zeit benötigt. Er kann beispielsweise dadurch erzeugt werden, daß die Bohrkrone gegen den Bohrlochboden gedrückt wird, um den Spülmitteldurchlaß um die Bohrkrone zu begrenzen oder überhaupt abzusperren, und daß der Fluß zwischen dem Innenkernrohr und dem Außenkernrohr kurzzeitig erhöht wird. Dadurch erhöht sich der Druck von dem Zwischenraum der Rohre auf die Aufnehmerfedern. Es ist unter Umständen nicht einmal notwendig, den Bohrer gegen den Bohrlochboden zu drücken.

Obwohl vorzugsweise aus Kunststoff kann der Kernfangring auch aus Gummi oder anderen geeignetem nachgiebigem Material bestehen und eine äußere Metallschale oder Metallbewehrung oder Einsätze aufweisen. Vorzugsweise hat der Kernfangring einen Schlitz, aber es können auch zwei oder mehr im Abstand angeordnete Schlitze vorgesehen sein.

Es können auch mehr als zwei Federn benutzt werden, und die Federn können auch gekapselte Schraubenfedern sein. Diese Kern-Aufnehmer- und Fangeinheit stellt eine positive Vorrichtung zur Gewinnung eines Kernes beim Bohren dar, in einer solchen Weise, daß während des Bohrvorganges keine Beschädigung am Kern eintritt und bei der das Er-

greifen des Kernes, obwohl mit positiver Wirkung, weicher ist, als es bei anderen Kernfangeinrichtungen erzielt werden kann.

Zwei weitere Ausführiingsbcispiclc der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. I einen senkrechten Schnitt durch das Kernbohrgerät und eine besondere Ausfiihrungsform des Aufnehmers und des Kernfangringes,

F i g. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 der F i g. 1 in vergrößertem Maßstab,

F i g. 3 eine auseinandergebogene perspektivische Darstellung des Kernfangringes und des Aufnehmers nach F i g. 1,

Fig. 4 eine Darstellung entsprechend Fig. 3 der bevorzugten Ausfülirungsform von Kernfangring und Aufnehmer und

F i g. 5 einen Schnitt entsprechend F i g. 2 durch die Einheit nach F i g. 4.

In den Fig. 1,2 und 3 ist die Anordnung für den Fall ausgebildet, wo der Außendruck größer als der Innendruck ist.

In F i g. ] ist das Bohrloch 6 gezeigt. In ihm befindet sich der Doppclkernbohrcr mit seinem Außcnkernrohr'7, an welchem das RäumcrrohrS und die Kernbohrkrone 9 angebracht sind. Es ist ferner das Inncnkcrnro.hr 10 gezeigt, das an seinem oberen Ende (oberhalb der Darstellung), unterhalb des oberen Endes des Außcnkcrnrohrcs 7, geschlossen ist. Der Kcrnfangaufnchmcr 11 ist mit seinem oberen Ende an dem unteren Ende des Innenkernrohres 10 befestigt. Der Kernfangring 12 sitzt in dem Aufnehmer 11. Der Kern 13 wird durch den die eigentliche Bohrkrone bildenden Ring 14 aus schneidenden Elementen, beispielsweise Diamanten, auf dem unteren Ende der Bohrkrone 9 aus der Formation gebohrt. Durch den Ring 14 sind (nicht gezeigte) in Abstand angeordnete Durchlässe für die Bohrspülung von der Innenseite der Bohrkrone zum Bohrloch ausgebildet.

Der Kernfangring 12 wird im folgenden an Hand der F i g. 4 und 5 näher erläutert. Auf einer Seite des Schlitzes 24 ist eine kurze Zunge 15 befestigt, deren freies Ende 16 sich gegen das andere Ende des Schlitzes 14 abstützt und so die beiden Seiten des Schlitzes in Abstand hält, und zwar in einer Stellung, in der der Kern 13 frei durch den Kernfangring 12 treten kann.

Eine Federplatte 17, die an einem Ende angclenkt ist, trägt einen Vorsprung 19, der auf die Zunge 15 greift und diese außer Eingriff mit der inneren Spaltfläche bringt, wenn die Federplatte 17 durch plötzliche Erhöhung des Wasserdruckes im Zwischenraum zwischen dem Innenkcrnrohr und dem Außenkernrohr einwärts verformt wird. Durch die dem Kernfangring innewohnende Eigcnclastiziti.it springt dieser zusammen, bis sich die Schlitzflächen aufeinander legen, so daß der Kernfangring den Kern greift.

Die Außenseite des Schlitzes 18 im Aufnehmer 11 hat einen flexiblen Belag (nicht gezeigt), der verhindert, daß Wasser in das Innere des Innenkernrohres fließt, der aber gestattet, daß der äußere Wasserdruck die Federplatte einwärts bewegt.

F i g. 4 und 5 zeigen die bevorzugte Ausfiihrungsform der Erfindung.

Der Kernfang-Aufnehmer 11 hat in seiner Wand einen Schlitz 18, in welchem dicht passend eine Federstahlplatte 20 schwenkbar angebracht ist. Diese Federstahlplatte 20 trägt eine Klappe 21 aus Schmiedeeisen mit einem kleinen Ansatz 22 an seiner Innenfläche in der Nähe des freien Endes. Die Schlitzperipherie kann konisch sein und auch die Platte 20 entsprechend konisch ausgebildet sein, um sicherzustellen, daß der Außendruck normalerweise die Platte in flüssigkeitsdichte Berührung mit dem Schlitz 18 drückt.

Der Kernfangring 12 verjüngt sich an seiner Außenfläche nach unten, während er an seiner Innenfläche im wesentlichen zylindrich ausgebildet ist. Er weist eine glatte Außenfläche auf und eine Reihe von in Abstand angeordneten Rippen 23 an der Innenfläche. Der Kernfangring besteht aus Federstahl, und sein Längsschlitz 24 liegt im wesentlichen parallel zur Ringachse. Er ist so ausgebildet, daß seine Elastizität die beiden Seiten des Schlitzes gegeneinanderdrückt. Normalerweise ist der Kernfangring in dem Aufnehmer so angeordnet, daß der Ansatz 22 zwischen den Endflächen des Schlitzes 24 liegt, so daß der Kernfangring in vergrößertem Umfang und damit vergrößertem Radius, also in einer Lage gespannt ist, in der er den Kern nicht greift (F i g. 5). Durch die Wand des Kernfangringes, in gleicher Höhe wie der Schlitz 18 in der Aufnehmerwand, ist eine Reihe von Bohrungen 25 angebracht.

Die Arbeitsweise beim Fangen eines Kernes ist wie folgt: Obwohl das meiste rücklaufende Wasser außerhalb des Rohres 7 nach oben tritt, dringt auch etwas Wasser in das Innenkernrohr 10. Die Luft wird zwischen dem Wasser und dem oberen geschlossenen Ende des Innenkernrohres aufgefangen und zusammengedrückt. Wenn der Kern 13 gefangen werden soll, wird zunächst der Wasserdruck auf etwa 15 kg/ cm² eingestellt. Die Luft im Innenkernrohr oberhalb des Wassers wird dadurch entsprechend komprimiert. Die Bohrkrone 9 wird durch mechanischen Druck nach unten gegenüber dem Bohrlochboden abgedichtet. Hierdurch wird im wesentlichen der Austritt von Luft und Wasser verhindert, bis der Pumpendruck aufgehoben wird.

Wenn der Pumpendruck aufgehoben wird, wirkt die Luft oberhalb des Wassers im Innenkernrohr wie eine Feder oder wie ein Windkessel und drückt das Wasser gegen die Federplatte 20, die sich durch den Aufnehmerschlitz 18 nach außen bewegt. Der Ansatz 22 wird aus dem Schlitz 24 des Kernfangringes nach außen gezogen, und der Kernfangring springt unter der Wirkung seiner Eigenelastizität zusammen, wobei er seinen Umfang und seinen Radius verringert und den Kern greift.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Kernfanggerät mit einem sich kegelstumpfförmig nach unten verjüngenden, geschlitzten, elastischen Kernfangring und einem Aufnehmer für den Kernfangring, der eine konusförmig nach unten verjüngte Innenfläche hat, dadurch gekennzeichnet, daß Abstandshalter (15; 22) zum Offenhalten des Schlitzes (24) des gegen seine Elastizität in Offenstellung zum freien Durchlassen des Kernes gespannten Kernfangringes (12) vorgesehen sind, welche hydraulisch mittels Spülungsdruck ausrückbar sind.

2. Kernfanggerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandshalter eine Zunge (15) am Kernfangring (12) ist, welche durch eine vom äußeren Spülungsdruck beaufschlagte Federplatte (17) mit einem Vorsprung (19) ausrückbar ist.

3. Kernfanggerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Federplatte (17) mit nach außen gerichteter Federwirkung in einem Schlitz (18) der Aufnehmerwand (11) angebracht ist und dieser Schlitz (18) mit der Federplatte (17) durch einen für Spülmittel undurchlässigen flexiblen Belag abgedeckt ist.

4. Kernfanggerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandshalter ein Ansatz (22) einer vom inneren Spülungsdruck beaufschlagten, federnd gelagerten Klappe (21) des Aufnehmers ist.

5. Kernfanggerät mit einem sich kegelstumpfförmig nach unten verjüngenden, geschlitzten, elastischen Kernfangring und einem Aufnehmer für den Kernfangring, der eine konusförmig nach unten verjüngte Innenfläche hat, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernfangring (12) auf seiner Außenseite zu beiden Seiten des durchgehenden Schlitzes (24) parallele, sich im wesentlichen senkrecht erstreckende Sätze von Zähnen und der Aufnehmer (U) auf der Innenseite zwischen Blattfedern zwei im Abstand angeordnete, blattförmige, durch den äußeren Spülungsdruck betätigte Klinken zum Schließen des Schlitzes (24) des Kernfangringes (12) gegen dessen Elastizität aufweisen.