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t'Vorrichtung zum Entnehmen von Kernproben aus Erdformationen Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Entnehmen von Kernproben aus Erdformationen,
die von einem zylindrischen Bohrloch durchteuft sind, mit einem in das Bohrloch
einfahrbaren Trägerwerkzeug für eine Kernschußvorrichtung mit nach vorne zur Bohrlochwand
hin offenem Kernschußrohr für die Aufnahme einer Erdformationsprobe, mit Einrichtungen
an dem Trägerwerkzeug zum Vortreiben des Kernschußrohres von dem Trägerwerkzeug
gegen die Bohrlochwand und mit Verbindungsmitteln zwischen dem Kernschußrohr und
dem Trägerwerkzeug zum Zurückholen des Kernschußrohres aus einer Probenahmestelle
in das Trägerwerkzeug.
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Bisher haban Kernschußvorrichtungen, wie sie in der USA Patentschrift
3 101 797 gezeigt sind, weite Verwendung gefunden zum Entnehmen einer oder mehrerer
Proben von Formationsmaterialien entlang einem besonderen Bohrlochabschnitt. Obgleich
solche Kernschußvorrichtungen sehr erfolgreich gewesen sind, wurde festgestellt,
daß diese und andere Bauarten von Kernschußvorrichtungen eine ziemlich kurze Lebensdauer
haben und mitunter nicht mehr als ein-oder
zweimal wiederverwendet
werden können, bevor sie übermäßig verformt oder zerbrochen sind. Darüber hinaus
kann die Eindringtiefe solcher bekannten Kernschußvorrichtungen, wenn sie in besonders
harte Formationsmaterialien vorgetrieben werden, etwas geringer sein, als es manchmal
erwünscht ist, und die erhaltene Kernprobe kann nicht so geeignet sein wie eine
Probe aus einer weicheren Formation.
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Dementsprechend ist es ein Ziel der Erfindung, eine neue und verbesserte
Kernschußvorrichtung zu schaffen, die tiefer in härtere Formationen eindringt und
bessere Kernproben liefert, als dies bisher möglich gewesen ist. Ein weiteres Ziel
der Erfindung ist die Schaffung neuer und verbesserter Kernschußvorrichtungen, die
ganz bedeutend häufiger wierderverwendet können, als es bei irgendeiner der bisher
bekannten Kernschußvorrichtungen der Fall ist.
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Die Erfindung besteht an einer Kernschußvorrichtung der eingangs
erwähnten Art darin, daß das Kernschußrohr an seinem vorderen offenen, in die Erdformation
eindringenden Ende eine entsprechend der Wölbung der Bohrlochwand gekrümmte vordere
Endkante aufweist0 Es ergibt sich dadurch der Vorteil, daß, wenn die Vorrichtung
abgeschossen wird, das Kernschußrohr mit dem ganzen Umfang seiner vorderen Schneidkante
gleichzeitig auf das Formationsmaterial an der Bohrlochwand aufschlägt, wodurch
übermäßig konzentrierte Beanspruchungen vermieden werden und auch die mögliche Verformung
der Schneidkante, wie es bei den bekannten Kernschußvorrichtungen der Fall gewesen
ist, so klein wie möglich gehalten wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile des Gegenstandes dar Erfindung ergeben
sich anhand won in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsb'eispielen.
In der Zeichnung zeigen Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Formations-Probenahmevorrichtung
mit einer Kernschußvorrichtung gemäß der Erfindung, in ein typisches Tiefbohrloch
abgesenkt, Fig. 2 eine etwas größere Ansicht, teilweise im Schnitt, der in Fig0
1 dargestellten Kernschußvorrichtung, wobei diese Ansicht entlang einer zu der Mittelachse
des Bohrloches senkrechten Ebene dargestellt ist, in dem die Kernschußvorrichtung
eingesetzt werden soll, und Fig0 3 eine Fig. 2 ähnliche Ansicht, wobei jedoch die
Kernschußvorrichtung zur besseren Darstellung der Erfindung um 900 um ihre mittelachse
gedreht ist.
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In Fig. 1 ist ein typisches Kern-Probenahmewerkzeug 10 in einem Bohrloch
11 und neben einer Erdformation 12 dargestellt, von der eine oder mehrere Kernproben
(nicht gezeigt) entnommen werden sollen. Obgleich das Bohrloch 11 üblicherweise
eine als Bohrlochspülung bezeichnete Bohrlochkontrollflüssigkeit enthält, versteht
es sich jedoch, daß der Gegenstand der Erfindung auch in trocknen Tiefbohrlöchern
eingesetzt werden kann. Wie es üblich ist, wird das Kern-Probenahmewerkzeug 10 an
einem geeigneten, nicht gezeigten Kabel mit einem oder mehreren elektrischen Leitern
in das Bohrloch 11 eingehängt. Der Körper 13 des Werkzeuges 10 ist langgestreckt
ausgebildet für die Aufnahme einer Anzahl von
Kernschußvorrichtungen
14, die in Übereinstimmung mit der Erfindung angeordnet und entlang der Längsachse
des Körpers 13 verteilt sind.
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Wie in Fig. 1 gezeigt, ist jede der Kernschußvorrichtungen 14 verschiebbar
angeordnet in einer im wesentlichen horizontalen Seitenbohrung 15 in dem Werkzeugkörper
13, wobei der vordere Abschnitt jeder Kernschußvorrichtung von dem offenen vorderen
Ende seiner entsprechenden Seitenbohrung nach außen hervorragt. Das rückwärtige
Ende jeder Seitenbohrung 15 ist versenkt ausgebildet zur Bildung einer Kammer 16
in dem Werkzeugkörper 13, die kurz vor dessen rückwärtiger Oberfläche endet und
einen Sprengstoff 17 aufnimmt.
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Ein enger, von einer Seite des Werkzeugkörpers 13 ausgehender und
in die Kammer 16 mündender Durchlaß ist angepaßt für die Aufnahme eines typischen
elektrischen Zünders 18, der, wenn er betätigt wird, den in der Kammer abgeschlossenen
Sprengstoff 17 zur Detonation bringt. Ein nicht gezeigter geeigneter elektrischer
Leiter zwischen dem Zünder 18 und dem Leiter in dem nicht gezeigten Tragkabel schließt
den elektrischen Stromkreis. Wie üblich, sind einer oder mehrere flexible Rückholdrähte
19 zur Verbindung zwischen dem Werkzeugkorper 13 und jeder der Kernschußvorrichtungen
14 angebracht, damit die Kernschußvorrichtungen nach ihrem Abschuß wieder zurückgeholt
werden können.
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In Fig. 2 ist eine Kernschußvorrichtung 14 in der gleichen relativen
Ausrichtung gezeigt wie in Fig. 1. Wie in Fig. 2 zu er-kennen, besteht die Kernschußvorrichtung
14 im wesentlichen aus einem zylindrischen Rohrkörper 20 mit seitlichen Gewindebohrungen
21 an seinen gegenüberliegenden Seiten für die Aufnahme eines entsprechend angepaßten,
nicht
gezeigten Gewindeanschlußstückes am äußeren Ende jedes Rückholdrahtes
19. Eine oder mehrere Öffnungen 22 sind in dem Rohrkörper 20 der Kernschußvorrichtung
vorgesehen für die Ableitung von Bohrlochflüssigkeiten oder Spülung von der Mittelbohrung
13 des Körpers, wenn die Vorrichtung in eine Formation 12 (Fig. 1) eindringt. Das
rückwärtige Ende des Rohrkörpers 20 der Kernschußvorrichtung ist durch ein Verschlußstück
24 verschlossen, das in geeigneter Weise, wie z.B. durch einen Querverbindungsstift
25, gesichert ist.
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Eine oder mehrere Umfangsnuten 26 sind rings um das Verschlußstück
24 vorgesehen für die Aufnahme eines oder mehren rer Dichtungsteile, wie z.B. O-Ringe
27, um den hinteren Teil der Kernschußvorrichtung 14 flüssigkeitsdicht in seiner
entsprechenden Bohrung 15 abzudichten, um zu verhindern, daß Bohrlochflüssigkeiten
oder Spülung den Sprengsatz 17 erreichen können.
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Der vordere Abschnitt des Rohrkörpers 20 der Kernschußvorrichtung
ist besonders geformt zur Bildung einer Schulter 28 erweiterten Durchmessers mit
einer flachen, vorwärtsgerichteten Fläche 29 vor den Öffnungen 22. Unmittelbar vor
der flachen Fläche 29 besitzt der Rohrkörper 20 der Kernschußvorrichtung einen im
allgemeinen zylindrischen Abschnitt 30, der am Übergang in einen zylindrischen Nasenab
schnitt 31 vsrringerten Durchmessers am vordersten Teil des Rohrkörpers 20 endet.
Ein kegelstumpfförmiges Ringstück 32 ist lose angeordnet rings um den mittleren
Körperabschnitt 30 und ist daran lösbar gesichert beispielsweise durch einen Sprengring
33, der teilweise angeordnet ist in einer Umfangsnut unmittelbar hinter der Nase
31. Aus weiter unten ersichtlichen Grunden ist, wie aus Fig. 2 und 3 zu erkennen,
der Außendurchmesser des Ringstückes 32 etwas größer als der Außendurchmesser der
Schulter 28.
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Der Nasenabschnitt 31 des Rohrkörpers 20 ist natürlich der erste
Abschnitt der Kernschußvorrichtung, der in die Erdformation 12 eindringt, wenn die
Kernschußvorrichtung 14 gezündet wird. Dementsprechend ist nach der vorliegenden
Erfindung die vordere Quarfläche oder Endkante 34 des Nasenabschnittes 31 in geeigneter
Weise gekrümmt, daß sie im wesentlichen komplementär zu der Wölbung eines typischen
Tiefbohrloches verläuft, in dem die Ksrnschußvorrichtung 14 eingesetzt werden kann.
Somit fällt die Drehachse, um die die gebogene oder gekrümmte Endfläche bzw, Endkante
34 ausgebildet ist, im wesentlichen mit der mittelachse 35 des Tiefbohrloches 11,
wie in Fig. 2 in gestrichelten Linien angedeutet, zusammen. Ein Vergleich von Fig.
2 und 3 zeigt, daß die Drehachse der Endkante 34 senkrecht stsht zu der Mittelachse
36 der Kernschußvorrichtung 14. Anders ausgedrückt, kann diese gekrümmte oder gebogene
Endkante 34 definiert werden als die Schnittlinie eines Zylinders mit dem Durchmesser
des Nasenabschnittes 31 mit der Innnenwandung eines Zylinders, der den gleichen
Durchmesser wie das Bohrloch 11 hat, wenn die Längsachse 36 des kleineren Zylinders
senkrecht zu der Längsachse 35 des größeren Zylinders steht.
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Wenn die Kernschußvorrichtung 14 so ausgerichtet ist, wie gezeigt,
und mit ihrer tittelachae 36 senkrecht steht zu der Achse 35 des Bohrloches 11,
werden alls Abschnitte der gekrümmten Endkante 34 beim. Auftreffen der Kernschußvorrichtung
auf die Bohrlochwandung gleichzeitig mit dieser in Berührung kommen. Somit wird
im. Gegensatz dazu, was eintritt wenn eine bekannte KernschuOvorrichtung mit flachem
Natenabschnitt auf die gewölbte Bohrlochwandung auftrifft, der volle Umfang der
gekrümmten Endkante 34 gleichzeitig den auftretenden Stoßkräften ausgesetzt und
all Abschnitte der Nase 31 werden gleichfdrmig beansprucht statt einer ungleichförmigen
Beanspruchung,
wie es bei den bekannten Kernschußvo; richtungen der Fall ist.
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Es ist festgestellt worden, daß durch gebogene Ausbildung der Endkante
34 des Nasenabschnittes 31 der KernschuE-Vorrichtung 14 die Lebensdauer derartiger
Vorrichtungen stark angehoben werden kann im Vergleich zu den bekannten Kernschußvorrichtungen
mit flachem Nasenabschnitt, wenn beiden den gleichen Bedingungen ausgesetzt sind.
Wenn z.B. die Kernschußvorrichtung 14 nach der Erfindung und Kernschußvorrichtungen
bekannter Bauart mit flachem Nasenabschnitt, die aber sonst identisch miteinander
waren, gegen identische Untersuchungsziele abgefeuert wurden, so versagten die flachnasigen
Kernschußvorrichtungen im Durchschnitt nach lediglich zwei Schüssen, während die
Kernschußvorrichtungen nach der Erfindung nicht unbrauchbar wurden nach fünf bis
acht Schüssen. Es ist daher ganz offensichtlich, daß die Kernschußvorrichtungen
nach der Erfindung einen ganz bedeutenden technischen Fortschritt darstellen. Bei
den erwähnten Untersuchungen wurde auch festgestellt, daß die durch die Kernschußvorrichtung'en
14 erhaltenen Kerns viel weniger gestört waren als die mit den flachnasigen Kernschußvorrichtungen
erhaltenen Kerne.
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Bei einer typischan Kern-Probenahme sind eine oder mehrere der Kernschußuarrichtungen
14 in den Bohrungen 15 in dem Wsrkzeugkorper 13 vor den Sprengstoffen 17 in den
Kammern 16 angeordnet. Die Zündar werden eingesetzt und ihre entsprechenden Leiter
in geeigneter Weise angeschlossen. Wenn das Trägerwerkzeug 10 die gewünschte Teufe
in dem Bohrloch II erreicht hat, werden ein oder mehrere Zünder 18 ganz nach Bedarf
gezündet, und eine entsprechende Anzahl von Kernschußvorrichtungen 14 werden aus
ihren entsprechenden Bohrungen 15 gegen die Bohrlochwandung getrieben. Wo z,B.
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die Erdformation 12 verhältnismäßig weich ist, wird der Spreng-oder
Haltering 33, nachdem der Nasenabschnitt 31 einer Kernschußvorrichtung 14 in die
Wandung des Bohrloches 11 eingedünnen ist, mit der Formation in Berührung kommen
und aus seiner Haltenut herausgerissen oder abgestreift. Wenn die Kernschußvorrichtung
14 weiter vordringt, wird das Ringstück 32 bestrebt sein, die gebildete Höhlung
in der Formation zu erweitern. Der vergrößerte Durchmesser des Ringstückes 32 im
Verhältnis zu dem Durchmesser des Nasenabschnittes 31 trägt auch dazu bei, die Kernschußvorrichtung
14 zu vorlag samen und sie daran zu hindern, daß sie zu tief in eine weichere Formation
12 getrieben wird. Somit wird, wenn das Werkzeug 10 zurückgeholt wird, da die Ringstück
32 jetzt frei sind, der Körper 20 jeder Kernschußvorrichtung 14 leicht zu dem Bohrloch
11 durch die erweiterte Höhlung in oer Formation 12 zurückgeholt, wobei die Ringstücke
üblicheruelse zurückgelassen werden. Es sei bemerkt, daß eine oder mehrere Nuten
37 quer zu der vürbreiterten Schulter 28 eingeschnitten sind, um sicherzustellen,
daß der hydrostatische Druck in dem Bohrloch 11 zumindest üb-er dem Ringstück 32
ausgeglichen wird, wenn die Kernschußvorrichtung 14 in die Formation 12 eingebettet
ist. Für den Fall, daß der Nasenabschnitt 31 abdichtend eingebettet ist in die Formation
12, so wirkt ein Druckunterschied, der andernfalls die Kernschußvorrichtung 14 an
Ort und Stelle halten würde, lediglich über die effektive Querschnittsfläche der
Nase.
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Allgemein ist, wenn die Kernschußvorrichtungen 14 nach der vorliegenden
Erfindung in eine verhältnismåßig hart Formation 12 abgeschoßen werden, ihre Eindringstrecke
nicht so groß, daß die Ftinystücke 32 tief in die Formation
eingegraben
werden. Dies schafft jedoch kein besonders Problem, da die Länge der Nasenabschnitte
31 der Kernschußvorrichtungen 14 ausreicht, um eine angemessene Formationsprobe
aufzunehmen. Wie vorstehend bemerkt, ergibt die gebogene oder gekrümmte Endkante
34 ein gleichförmigeres anfängliches Eindringen in die Formation 12, so daß ein
besser geformter Kern aus der Formation herausgeschnitten wird Darüber hinaus gestatten
die gebogenen Endkanten 34, wie bereits ausgeführt, ein tieferes Eindringen der
Kernschußvorrichtungen 14 in härtere Formationen, als es bisher mit den herkömmlichen
flachnasigen Kernschußvorrichtungen möglich gewesen ist.
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Die neuen und verbesserten Kernschußvorrichtungen nach der Erfindung
stellen somit eine beträchtliche Verbesserung gegenüber dem Stande der Technik dar.
Durch gebogene Ausführung der vordersten End«Querfläche des Nasenabschnittes dieser
Kernschubvorrichtungen, im wesentlichen unter Anpassung an die Wölbung der Bohrlochwandung,
gegen die die Kernschußvorrichtungen abgefeuert werden, treffen alle Umfangsabschnitte
der Nase der erfindungsgemäßen Kernschußvorrichtungen gleichzeitig auf die Bohrlochwandung
auf e Aufgrund dieser gleichzeitigen Berührung werden somit die Stoßbeanspruchungen
auf die Nase der Kernschußvorrichtung gleichmäßig verteilt, um die Wirkungen des
Stoßes auf die Kernschußvorrichtungen zu verringern ebenso wie für eine beträchtliche
Steigerung der Eindringtiefe der Kernschußvorrichtungen sowie zum Erhalten vollständigerer
und weniger gestörter Proben.
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- Patentansprüche -