DE2121007B2 - Unterwasser-Bohreinrichtung, insbesondere Kernbohreinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Unterwasser-Bohrgerät, insbesondere Kernbohrgerät, mit einem den Bohrantrieb sowie mindestens ein Bohrgestänge mit Bohrmeißel aufweisenden Trägergestell.

Derartige Unterwasser-Bohrgeräte werden auf dem Gebiet der meeresgeologischen Forschung und der Explorationstechnik eingesetzt. Zu diesem Zweck werden meist innerhalb eines bestimmten Bereiches des Meeresbodens eine Reihe von Bohrungen eingebracht.

Bei bisher bekannten Bohrgeräten ist es erforderlich, nach jedem Bohrvorgang das Werkzeug wieder an Bord des Trägerschiffes zurückzuholen, um dem Bohrwerkzeug den Bohrkern entnehmen zu können. Sollen in einem begrenzten Bereich des Meeresbodens mehrere derartige Bohrungen eingebracht werden, so ergeben sich insbesondere bei größeren Wassertiefen infolge des Absenkens und Wiedereinholens des Bohrgerätes nach jedem Bohrvorgang erhebliche Verlustzeiten. B. besteht außerdem dabei die Schwierigkeit, die bereits eingebrachten Bohrungen am Meeresboden wieder aufzufinden und bestimmte Abstände zwischen den einzelnen Bohrungen einzuhalten. Die gleiche Schwierigkeit ergibt sich auch dann, wenn in die eingebrachten Bohrungen Sensoren beispielsweise zur Messung der Temperatur eingeführt werden sollen.

Es sind Bohrgeräte, insbesondere for Unterwasserbohrungen bekannt geworden, die ein Trägergestellt mit Fußteilen zum Aufsetzen auf den Meeresboden sowie einen Bohrantrieb für Bohrgestänge mit Bohrmeißeln aufweisen.

Bei anderen bekannten Bohrgeräten sind zur Verlängerung des Bohrgerätes entsprechend der vorbestimmten Bohrtiefe in verstellbaren Magazinen Verlängerungs-Bohrstangen aufgenommen. Mittels der verstellbaren Magazine werden den bereits in den Boden eingebrachten Bohrstangen Verlängerungs-Bohrstangen zugeführt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Unterwasser-Bohrgeräte der genannten Art so auszubilden, daß innerhalb eines vorbestimmten Bereiches des Meeresbodens eine Anzahl von Bohrungen in vorbestimmten Abständen voneimnder eingebracht werden kann, ohne die Bohrgeräte nach jedem Bohrvorgang zur Entnahme der Bohrkerne an die Wasseroberfläche zurückholen zu müssen.

Die gestellte Aufgabe ist erfincJungsgemäß dadurch gelöst, daß in dem Trägergestell zusätzlich ein Magazinteil vorgesehen ist, in welchem mindestens zwei jeweils mit einem Bohrmeißel versehene Bohrgestänge achsparallel ausgerichtet angeordnet sind. Mit einem erfindungsgemäß ausgebildeten Bohrgerät können innerhalb einer Bohrmission mehrere Bohrungen in den Meeresboden eingebracht werden, ohne das Gerät /wischen den einzelnen Bohrgängen für die Entnahme der Kerne an die Meeresoberfläche bzw. an Bord eines Trägerfahrzeugs zurückholen zu müssen. Nachdem eine der Bohrstangen des Magazinteils in Bohrstellung gebracht worden ist, braucht für die nachfolgende Bohrung das Gerät nur um einen geringen Betrag angehoben, seitlich versetzt und an det neuen Bohrstelle abgesetzt zu werden. Daraus ergib! sich eine erhebliche Zeit- und damit Kostenersparnis Es ist auch möglich, mit dem Bohrgerät mehrere Bohrungen in bestimmten Abständen voneinander in der Meeresboden einzubringen, ohne das Bohrgerät seitlich versetzen zu müssen. Dabei ist von Vorteil, daC

ein zeitraubendes Aufsuchen von bereits eingebrachten Bohrungen vermieden wird. Es ist bei entsprechender Ausbildung des Bohrgerätes 3-ich denkbar, gleichzeitig sämtliche Bohrwerkzeuge zum Einsatz zu bringen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung besteht ferner ein Merkmal darin, daß der Bohrantrieb mit einer Bohrspindel verbunden ist, welche über Kupplungsglieder wahlweise mit einem der Bohrgestänge kuppelbar ist. Daraus ergibt sich ein äußerst einfacher Aufbau iier Bohreinrichtung hinsichtlich der Mittel zur Übertragung des Antriebes auf die Bohrwerkzeuge.

Bei geologischen Untersuchungen des Meeresbodens stellt sich auch die Forderung, z.B. die Bodentemperatur zu messen. Um diese Forderung erfüllen zu können, müssen Sonden in die Bohrungen eingeführt werden. Das Wiederauffinden der Bohrungen für das Einführen der Meßsonden H jedoch äußerst schwierig und zeitraubend, wenn nicht überhaupt unmöglich. Zur Überwindung dieser Schwierigkeit ist gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgesehen, daß im Magazinteil zusätzlich zu den Bohrgestängen eine oder mehrere Meßsonden angeordnet sind. In Verbindung mit dem gegenüber dem Trägergestellt verschiebbaren Magazinteil ist es ermöglicht, die Meßsonde zu jeder der Bohrungen in eine koaxiale Lage zu bringen und nachfolgend in die Bohrungen einzuführen. Sowohl die Aufnahme der Sonde am Magazinteil als auch deren Vorschubbewegung erfolgt dabei mit den gleichen wie für die Bohrwerkzeuge verwendeten Mitteln.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine Vorderansicht des Kernbohrgeräts.

Fig. 2 zeigt das Kernbohrgerät in einer Seitenansicht gemäß Fig. 1.

Fig. 3 zeigt in einem Ausschnitt aus Fig. 1 eine Einzelheit des Kernbohrgeräts in gegenüber Fig. 1 vergrößertem Maßstab.

Das in der Zeichnung Fig. 1 bis 3 dargestellte Kernbohrgerät ist als selbständige, von einem Trägerschiff aus einsetzbare Einheit ausgebildet. Das Kernbohrgerät trägt dabei Antriebseinheiten, die ihre Energie über Zuleitungen vom Tragerschiff aus erhalten.

Mit 1 ist ein unterer Trägerrahmen bezeichnet, an dem Fußteile 2 für die Auflage des Kernbohrgeräts auf dem Meeresboden 4 angebracht sind. Der untere Trägerrahmen 1 dient einerseits zur Aufnahme von Ballastkörpern 6, die für eine feste Auflage des Kernbohrgeräts am Meeresboden 4 zur Abstützung der Kernbohrer dienen. Die Ballastkörper 6 bestehen hierbei aus einer Anzahl aufeinanderliegender Betonplatten. Mit dem unteren Trägerrahmen 1 sind vier einen Raum zwischen sich einschließende Vertikalträger 10 fest verbunden, die im Bereich ihres oberen Endes einen oberen Trägerrahmen 12 aufnehmen. An den oberen Trägerrahmen 12 bzw. die Vertikalträger 10 schließen Streben 13 an, die ein Aufnahmeteil 14 mit einer Durchbrechung 15 tragen. In die Durchbrechung 15 greift eine Kausche 17 ein, an der ein Tragseil 16 befestigt ist (Fig. 2). Das Kernbohrgerät wird mit Hilfe des Tragseiles und einer an Bord des Trägerschiffes angeordneten Seilwinde (hier nicht dargestellt) auf den Meeresboden abgesenkt bzw. an Bord des Trägerschiffes zurückgeholt. Zwischen den Vertikalträgern 10 ist eine Bohrspindel 20 angeordnet, deren oberes Ende an die Antriebswelle 22 eines Hydraulikmotors 23 anschießt. Parallel zur Bohrspindel 20 ist eine hydraulisch wirkende Stelleinheit 25 ange-

5 ordnet, deren Zylinder 26 sich an den Vertikalträgern 10 des Bohrgeräts abstützt und deren Arbeitskolben (nicht dargestellt) über ein Gabelteil 30 an der Bohrspindel 20 angreift. Am Gabelteil 30 des Kolbens ist ein Mitnehmerteil 31 pendelnd befestigt, über das die Stelleinheit 25 an der Bohrspindel 20 angreift. Das Mitnehmerteil 31 läßt eine freie Drehung der Bohrspindel 20 zu und bewirkt gleichzeitig eine Mitnahme der Bohrspindel und des Hydraulikmotors 23 in axialer Richtung. Die Bohrspindel 20 wird im Bereich ih-

¹S res oberen Endes durch das Mitnehmerteil 31 und im Bereich ihres unteren Endes mittels eines Radiallagers 33 geführt. Sowohl die Bohrspindel 20 mit ihrem Antriebsmotor 23 als auch die hydraulisch wirkende Stelleinheit 25 sind in einem gegen Eindringen von

^ao Wasser abgedichteten Gehäuse 35 untergebracht, dessen Bodenteil 36 das untere Radiallager 33 für die Bohrspindel 20 aufnimmt. Zur Abdichtung des durch das Gehäuse 35 gebildeten Raumes 38 sind am Radiallager 33 Dichtungsmittel 39 vorgesehen. Mit 40

»5 ist ferner ein Elektromotor bezeichnet, der zum Antrieb einer Hydraulikpumpe 41 dient. Die Pumpe 41 ist üDer Zu- bzw. Rückführangsleitungen (nicht dargestellt) an den Zylinder 26 der Stelleinheit 25 angeschlossen, wobei über eine hier nicht dargestellte, von dem Trägerschiff aus betätigbare Druckmittelsteuereinrichtung üblicher Bauart das aus einem Reservoir entnommene Druckmittel dem einen oder anderen Zylinderraum der Stelleinheit 25 zugeleitet und damit deren doppelt wirkender Arbeitskolben in der einen

oder anderen Richtung verstellt wird.

Wie insbesondere Fig. 3 erkennen läßt, sind unterhalb des Gehäuses 35 an den Vertikalträgern 10 senkrecht zur Bohrspindel 20 verlaufende Führungsschienen 43 bzw. 43' angeordnet, die zur Aufnahme eines senkrecht zur Bohrspindel 20 gegenüber den Führungsschienen verstellbaren Magazinteiles 45 dienen. Das Magazinteil 45 weist eine Anzahl von in einer Reihe liegender rotationssymmetrischer Durchbrechungen 48 auf, die achsparallel zur Achse der Bohr-

spindel 20 verlaufen. Jede der Durchbrechungen 48 nimmt ein entsprechend rotationssymmetrisch ausgebildetes Kopfteil 49 auf, mit dem jeweils ein Ende 50 jedes Kernbohrgestänges 51 fest verbunden ist, wobei am anderen Ende der Gestänge 51 die Bohrmeißel 53 (Fig. 1 und 2) befestigt sind. Die Kernbohrgestänge 51 sind zur Bohrspindel 20 achsparallel im Magazinteil 45 aufgenommen.

In das Magazinteil 45 sind radial zu den Durchbrechungen 48 gerichtete durchgehende Bohrungen 58 eingearbeitet, die zur Aufnahme von Arretierkörpern, die hier aus Kugeln 60 bestehen, dienen. Die radialen Bohrungen 58 sind durch Gewindeplatten 61 nach außen abgeschlossen und nehmen unter Vorspannung stehende Druckfedern 62 auf, die sich einerseits an den Gewindeplatten 61 am Magazinteil 45 abstützen und andererseits die Arretierkugeln 60 ständig gegen die Mantelfläche der Kopfteile 49 drücken. In die Mantelfläche der Kopfteile 49 ist eine ringförmige Vertiefung 63 eingearbeitet, die zum Eingriff der Arretierkugeln 60 und damit zur lösbaren axialen Halterung der Kopfteile 49 bzw. der Kernbohrgestänge 51 am Magazinteil 49 dient. Ausgehend von der Vertiefung 63 weist das Kopfteil 49 eine sich in Richtung

auf die Bohrspindel 20 konisch verjüngende Mantelfläche 64 auf. In das der Bohrspindel 20 zugewandte Ende des Kopfteiles 49 ist eine koaxiale Bohrung 68 mit konischem Verlauf eingearbeitet, die mit dem entsprechend ausgebildeten Ende 69 der Bohrspindel 20 zusammenwirkt. Zwischen der Bohrspindel 20 und den Kopfteilen 49 ist ein Bajonettverschluß gebildet, der aus einem Verriegelungsstift 70 an der Bohrspindel 20 und einer Winkelnut 72 am Kopfteil 49 besteht. Am Kopfteil 49 ist unterhalb des Magazins 45 ein Bund 73 gebildet, der als Anschlag im Zusammenwirken mit dem Magazinboden 45 dient.

Für dt η Antrieb des MagazinteiLs 45 ist ein Schrittschiltwerk 75 vorgesehen (Fig. 2), das sich an den Vertikalträgern 10 abstützt und sechs Stellungen (entsprechend der Anzahl der vorgesehenen Kernbohrgestänge 51 mit Meißeln 53) aufweist. Das Mitnehmerglied des Schrittschaltwerkes 75 greift dabei in einen Mitnehmeranschlag am Magazinteil 45 ein, so daß die Bewegung des Schrittschaltwerkes 75 auf den Magazinteil 45 übertragen wird. Das Schrittschaltwerk 75 besteht hierbei aus einem über einen Motor antreibbaren Rastgetriebe, wobei die Betätigung über Leitungen für die Energiezufuhr und Steuerleitungen von Bord des Trägerschiffes aus erfolgt. Das Schrittschaltwerk 75 weist eine allgemein übliche Bauweise auf und ist deshalb hier nicht näher beschrieben.

Nachfolgend ist die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Bohrgeräts beschrieben.

Das gesamte Bohrgerät wird mittels der an Bord des Trägerschiffes installierten Seilwinde über das Tragseil 16 auf den Meeresboden 4 abgesenkt, so daß das gesamte Gerät mittels der Fußteile 2 auf dem Meeresboden 4 aufsetzt. Soll nunmehr gebohrt werden, so wird das Hydraulikaggregat eingeschaltet. Der Hydraulikmotor 23 versetzt damit über die Antriebswelle 22 die Bohrspindel 20 in Rotation. Wird nunmehr die Stelleinheit 25 betätigt, d.h. in den oberen Zylinderraum vor den Kolben Druckmittel zugeleitet, so bewegt sich der Kolben thwarts und nimmt gleichzeitig über das Gabelteil 30 und das Mitnehmerteil 31 die Bohrspindel 20 mit. Durch diese axiale Bewegung der Bohrspindel 20 wird das Kopfteil 49 im Magazinteil 45 ebenfalls in axialer Richtung mitgenommen. Mittels der kegeligen Mantelfläche 64 des Kopf teiles 49 werden die Arretierkugeln 60 gegen die Wirkung der Druckfedern 62 in ihren Bohrungen 58 nach außen gedrückt und damit das Kopfteil 49 vom Magazinteil 45 gelöst. Nach Abschluß des Bohrvorganges erfolgt eine Betätigung der Stelleinheit 25 in entgegengesetzter Richtung. Über das Gabelteil 30 und das Mitnehmerteil 31 wird die Bohrspindel 20 und üiber den Bajonettverschluß 70,72 das Kernbohrgestänge 51 nach oben mitgenommen. Nach Anschlag des Bundes 73 am Magazihteil 45 rasten die Arretierkugeln 60 in die ringförmige Vertiefung 63 in der Mantelfläche des Kopfteiles 49 durch die Wirkung der Druckfedern 62 ein, so daß das Kopfteil 49 am Magazinteil 45 in bezug auf eine axiale Verstellung arretiert ist, wobei sich das Kopfteil 49 in der Durchbrechung 48 im Magazinteil 45 weiterzudrehen vermag. Wird nunmehr mittels des Motors 23 ein Drehrichtungswechsel der Bohrspindel 20 bewirkt, so wird der Bajonettverschluß 70, 72 geöffnet, und die Bohrspindel 20 kann um einen Betrag in axialer Richtung weiter nach oben verstellt werden, ohne das Kopfteil 49 mit dem Kernbohrgestänge 51 mitzunehmen. Ist das freie

ίο Ende 69 der Bohrspindel 20 außer Eingriff mit dem Kopfteil 49, so wird das Schrittschaltwerk 75 betätigt und damit das Magazin in den Führungsschienen 43 bzw. 43' verstellt und zwar so weit, bis sich die Bohrspindel 20 mit einem der übrigen Kernbohrgestänge 51 des Magazins in einer achsparallelen Lage befindet. Die Bohrspindel 20 wird danach mittels der Stelleinheit 25 in der bereits beschriebenen Weise abwärts bewegt. Infolge der Abwärtsbewegung der Bohrspindel 20 und der gleichzeitigen Drehung der Bohrspin-

ao del wird der Bajonettverschluß 70, 72 zwischen der Bohrspindel 20 und dem Kopfteil 49 selbsttätig geschlossen und damit das Kernbohrgestänge 51 in Drehrichtung der Bohrspindel 20 mitgenommen. Nunmehr wird bei einer weiteren axialen Verstellung

>5 der Bohrspindel 20 das Kopfteil 49 mit dem daran befestigten Kernbohrgestänge 51 in axialer Richtung mitgenommen, wobei wiederum die Arretierkugeln 60 gegen die Wirkung der Druckfedern 62 zurückgedrückt werden und damit das Kopfteil 49 vom Magazinteil 45 freigegeben wird.

In der beschriebenen Weise können somit sämtliche am Magazin gehaltenen Kernbohrgestänge 51 nacheinander zum Einsatz gebracht werden, ohne die Bohreinrichtung jeweils nach dem Abbahren eines Gestänges wieder an Bord des Trägerschiffes zurückholen zu müssen. Sind sämtliche Gestänge 51 des Magazinteiles 45 zum Einsatz gelangt, wird das gesamte Bohrgerät mittels des Tragseiles 16 an Bord des Trägerschiffes zurückgeholt. Die Kernrohre werden danach entleert und können wieder zum Einsatz gebracht werden. Es ist auch möglich, ein neues Magazin mit entsprechenden Gestängen und Meißeln in das Bohrgerät einzusetzen und dieses sofort erneut auf den Meeresboden abzusenken.

♦5 Für die Beobachtung der Bohrstelle kann das Bohrgerät mit einer Fernsehkamera ausgestattet sein, die mit einem Empfänger an Bord des Trägerschiffes gekoppelt ist.

Wie insbesondere aus Fig. 1 ersichtlich, trägt rias Magazinteil 45 eine Temperatur-Meßsonde 78 an Stelle eines der Bohrgestänge 51. Die Meßsonde 78 ist in der gleichen Weise wie die Gestänge 51 am Magazinteil 45 axial arretierbar und über die Stelleinheit 25 axial verstellbar vorgesehen. Durch Betätigung des

Schrittschaltwerkes 75 kann durch entsprechende Verstellung des Magazinteiles die Meßsonde 78 ir eine koaxiale Lage zur bereits in den Meeresboder eingebrachten Bohrung gebracht und dann in dies« eingeführt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

Patentansprüche: 21 δ

1. Unterwasser-Bohrgerät, insbesondere Kernbohrgerät, mit einem den Bohrantrieb sowie min- S destensein Bohrgestänge mit Bohrmeißel aufnehmenden Trägergestell, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Trägergestell zusätzlich ein Magazinteil (45) vorgesehen ist, in welchem mindestens zwei jeweils mit einem Bohrmeißel (53) versehene Bohrgestänge (51) achsparallel ausgerichtet angeordnet sind.

2. Bohrgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Bohrgestänge (51) mit Bohrmeißeln (53) gleichzeitig durch den Bohrantrieb beaufschlagbar sind.

3. Bohrgerät nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrantrieb mit einer Energiequelle auf einem Trägerfahrzeug verbunden ist. ao

4 Bohrgerät nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrantrieb mit einer Bohrspindel (20) verbunden ist, welche über Kupplungsglieder wahlweise mit einem der Bohrgestänge (51) kuppelbar ist. »5

5. Bohrgerät nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Magazinteil (45) oder der Bohrantrieb gegenüber dem Trägergestell verstellbar ausgebildet ist.

6. Bohrgerät nach Anspruch 5, dadurch ge- 3«> kennzeichnet, daß zur Verstellung des Magazinteiles (45) bzw. des Bohrantriebes ein Schrittschaltwerk (75) vorgesehen ist.

7 Bohrgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungsglieder als in eitier Drehrichtung formschlüssig einrastende Bajonettverschlußglieder ausgebildet sind.

8 Bohrgerät nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrgestänge (51)

in ihrer Neutralstellung über eine axiale Verriegelung frei drehbar am Magazinteil (45) arretierbar sind.

9. Bohrgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verriegelung aus am Magazinteil (45) angeordneten, senkrecht zur Vorschubrichtung gegen Federn (62) beweglichen Verriegelungsgliedern besteht, denen Vertiefungen (63) im Bohrgestänge (51) zugeordnet sind.

10. Bohrgerät nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß für den Vorschub des Bohrantriebes eine einen Kolben und Zylinder enthaltende hydraulische, zur Bohrspindel (20) achsparallele Stelleinheit (25) vorgesehen ist.

11. Bohrgerät nach den Ansprüchen 1 bis 10. dadurch gekennzeichnet, daß im Magazinteil zusätzlich zu den Bohrgestängen (51) eine oder mehrere Meßsonden (78) angeordnet sind.

12. Bohrgerät nacii den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät durch Ballast (6) beschwert und über Fesselungsmittel (16ji von einem Trägerfahrzeug aus auf den Meeresboden aufsetzbar ist.

13. Bohrgerät nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohreinrichtung Teil eines Unterwasser-Trägerfahrzeuges ist.

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