DE3149946C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Heben von Bodenproben vom Grund eines Gewässers, mit einem in den Boden einsenkbaren Kernrohr, das die zu hebende Bodenprobe beim Eindringen als Kern im Kernrohr aufnimmt, ei­ nem an einem Geräteträger des Kernrohres vorgesehenen Antrieb für einen Rohr­ bohrer oder eine Preßvorrichtng und einer Gefriervorrichtung zum Einfrieren der Bodenprobe im Kernrohr.

Zur Untersuchung von biologischen und chemischen Vorgängen im Meeresbo­ den und in der Grenzschicht Boden/Wasser ist es notwendig, Bodenproben zu heben. Eine solche Bodenprobe ist für die beabsichtigte Untersuchung je­ doch nur dann von Interesse, wenn diese Probe keine Änderung gegenüber der natürlichen Lage erfährt. Während das Heben von Bodenproben aus festem Unter­ grund oder Gestein in der Form eines sog. Bohrkernes ohne besondere Schwierig­ keiten möglich ist, ist das Heben ungestörter Bodenproben aus weichem oder nassem Grund problematisch.

Zum Heben von Unterwasserbodenproben wurden bisher Kastenheber und Fallote eingesetzt, welche aber nicht in der Lage sind, den für eine optimale Laboruntersuchung ungestörten Aufbau der Bodenprobe zu gewährleisten. Daher war es bisher nicht oder nur in sehr beschränktem Maße möglich, die Schichtungen von Unterwasserbodenproben und die einzelnen Sedimente ge­ nauer zu untersuchen.

Zum Stand der Technik gehören ferne Kernrohre, die in verschiedenen Ein­ satzbereichen dazu dienen, Bodenproben aufzunehmen. In der US 42 56 192 ist z. B. ein Kernrohr beschrieben, welches erlaubt, bei Bohrungen auf Ölfeldern Proben vom Grunde des Bohrlochs zu entnehmen und dann während des Hebens den Tiefendruck auf die Probe im Kernrohr zu erhalten. Nach Beendigung des Hebevor­ gangs kann der innere Teil des Kernrohres ausgebaut und mit der Probe einge­ froren werden.

In der US 40 71 099 wird eine Vorrichtung gezeigt, welche dazu dient, zu Zerfall neigende Bohrkerne von geologischen Bohrungen nach dem Heben zur Erhaltung ihrer Konsistenz einzufrieren.

Weiterhin wird die Möglichkeit beschrieben, eine gefrorene Probe in eine Form einzugießen, um nach dem Tauen der Probe das Auseinanderfallen zu verhindern.

Schließlich wird in der US 34 47 615 ein Kernrohr gezeigt, bei dem durch außen­ liegende Leitungen Kühlmittel (vorzugsweise CO₂) auf das untere Ende des Kern­ rohres gesprüht wird, wodurch zumindest das untere Ende der Probe im Kernrohr gefroren wird. Dadurch wird verhindert, daß Proben aus weichen oder stark wasser­ haltigen Böden bereits beim Heben des Kernrohres herausfallen.

Ein Nachteil bei den erstgenannten Beispielen ist, daß die Strukturen von zu Zerfall neigenden Bodenproben bereits beim Heben eine Störung, d. h. eine Durch­ mischung erfahren können, da die Proben erst nach der Bergung eingefroren werden. Das ist auch im nicht gefrorenen Teil der Probe bei der letztgenannten US-Pa­ tentschrift der Fall, da dort das Einfrieren im wesentlichen nur auf den Verschluß des unteren Kernrohres gerichtet ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs ge­ nannten Art zum Heben ungestörter Proben vom Grund eines Gewässers auszubilden. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1 durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Diese Vorrichtung ermöglicht es, Bodenproben direkt am Entnahmeort einzufrieren, insbesondere schockzugefrieren und damit ungestört zu heben.

Das mit einer Rohrspitze versehene Kernrohr besteht dabei zweckmäßigerweise aus einem Innenrohr und einem Außenrohr, sowie einer dazwischen angeordne­ ten und über einen Dehnungsbalg mit dem Außenrohr gekoppelten Rohrisola­ tion, in der zwei Leitungen zur Führung des Kühlmediums vorgesehen sind, die jeweils zur Unterseite bzw. Oberseite eines im Innenrohr vorgesehenen Ringhohlraumes führen. Die an der Unterseite des Ringhohlraumes anliegende Leitung dient dabei zur Zuführung und die an der Oberseite anliegende Lei­ tung zur Abführung des Kühlmediums.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das am Geräteträger nicht drehbar ausgebildete Kernrohr mit Gleitelementen versehen und von einem mit dem fernsteuerbaren Antrieb gekoppelten und um die Rohrspitze kürzeren Rohrbohrer umgeben. Das Kernrohr kann daher zur Aunahme eines Kernes in den jeweiligen Grund eingebohrt werden. Es ist aber auch möglich, das Kernrohr in den Boden zu drücken, und zwar durch am Geräteträger vorge­ sehene Ballastgewichte oder eine fernsteuerbare Preßvorrichtung.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine im Einsatz befindliche Vorrichtung zum Heben einer Un­ terwasser-Bodenprobe,

Fig. 2 eine Draufsicht der Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt nach Fig. 1 und

Fig. 4 die Einzelheiten einer Gefriervorrichtung.

Wie Fig. 1 und Fig. 2 zeigen, besteht die Vorrichtung zum Heben von Boden­ proben aus einem Geräteträger 1 der aus einem dreieckigen Grundrahmen 2 und einer damit verbundenen U-förmigen Traverse 3 gebildet ist. Die Schenkel 4 des dreieckigen Grundrahmens 2 sind ausziehbar und tragen an ihren Enden Standbeine 5. Innerhalb der mit ihren Schenkeln an den Schen­ keln 4 des dreieckigen Grundrahmens 2 verbundenen U-förmigen Traverse 3 ist ein von einem Rohrbohrer 7 umgebenes Kernrohr 6 mit Bohrantrieb 8, Füh­ rungsgestänge 9 und einer Gefriervorrichtung 10 angeordnet. In Fig. 1 ist der Rohrbohrer 7 mit dem Kernrohr 6 sowie der Bohrantrieb 8 und das Füh­ rungsgestänge 9 in abgesenkter Stellung, d. h. bei der Aufnahme einer Bo­ denprobe gezeigt. Gleichzeitig ist aber die Ruheposition vor einer Proben­ aufnahme gestrichelt angedeutet. Der Bohrantrieb 8 kann hydraulischer oder elektrischer Art sein, eine Vorschubsteuerung umfassen und über eine nicht näher dargestellte Fernsteuereinrichtung beeinflußt werden.

Das Kernrohr 6 und der Rohrbohrer 7 sind in vergrößerter Darstellung in Fig. 3 abgebildet. Aus dieser Teilschnittdarstellung ist zu erkennen, daß das Kernrohr 6 aus einem Innenrohr 11 und einem Außenrohr 12 mit da­ zwischen angeordneter Rohrisolation 13 besteht. Das Außenrohr 12 und die Rohrisolation 13 bilden dabei an ihren oberen Enden einen gemeinsamen Dehnungsbalg 14 zum Ausgleich von Längenänderungen. In der Rohrisolation 13 sind zwei gegenüberliegende Leitungen 15, 16 vorgesehen, die von der Oberseite des Kernrohres 6 zur Rohrspitze 17 führen und an der Unter­ seite bzw. Oberseite eines im Innenrohr 11 vorgesehenen Ringhohlrau­ mes 18 einmünden. Diese Leitungen 15, 16 sind zum Zu- bzw. Abführen eines Kühlmediums vorgesehen und bilden mit dem Ringhohlraum 18 das Kanalsystem zum Einfrieren des Bohrkernes beim Eindringen in den Bo­ den. Das Kernrohr 6 ist wie bereits erwähnt von einem Rohrbohrer 7 zum Einbohren in den Boden umgeben. Am feststehenden Kernrohr 6 sind deshalb Gleitelemente 19 vorgesehen, damit das Laufen des Rohrboh­ rers 7 über einen daran vorgesehenen und mit dem Bohrantrieb 8 in Ver­ bindung stehenden Zahnkranz 20 auf einfache Weise möglich wird. Der Rohrbohrer 7 besitzt dazu einen Schneidkranz 21, der in bezug auf das Kernrohr 6 derart bemessen ist, daß die auswechselbare Rohrspitze 17 aus dem Rohrbohrer 7 hervorsteht. Diese Tatsache sichert eine ungestör­ te Form für einen in das Kernrohr 6 eindringenden Bohrkern.

Der beim Einbohren in den Grund eines Gewässers in das Kernrohr 6 ein­ dringende Bohrkern würde sich normalerweise nicht heben lassen bzw. sich beim Heben so stark verändern, daß eine Untersuchung der einzelnen Sedimentschichten nicht möglich wäre. Bei der vorliegenden Vorrichtung wird daher der eingedrungene Bohrkern im Kernrohr 6 eingefroren. Hierzu dient die Gefriervorrichtung 10, deren Einzelheiten in Fig. 4 dargestellt sind. Diese Gefriervorrichtung besteht aus einem Tank 25 zur Aufnahme des Kühlmediums, z. B. flüssigem Stickstoff, welches über Ventile 26, 27 eingefüllt wird. Zum Einfrieren eines Bohrkernes wird das Kühlmedium über ein fern­ steuerbares Ventil 28 durch das Kanalsystem 15, 16, 18 des Kernrohres 6 geleitet, welches anschließend einerseits über einen Wärmetauscher 29 zu einem Druckausgleichsbehälter 30 fließt und anderseits über einen Wärme­ tauscher 31 ein Rückschlagventil 32 und einen Ausgleichsraum 33 entweicht. Im Druckausgleichsbehälter 30 gleicht dabei eine als Behälterblase ausge­ bildete Membran 34 den Druck innerhalb des Tanksystems an den Außendruck insbesondere im Unterwassereinsatz an. Auf diese Weise erfolgt stets eine Anpassung des Innendruckes an das Druckniveau der jeweiligen Wasser­ tiefe.

Zur Aufnahme einer Bodenprobe wird der Geräteträger 1 auf den jeweiligen Grund des Gewässers z. B. mittels eines Seiles abgesenkt und das Kern­ rohr 6 mit Hilfe des Rohrbohrers 7 und dem fernsteuerbaren Bohrantrieb 8 eingebohrt. Die Fernsteuerung kann dabei über ein Kabel erfolgen, welches gleichzeitig zur Übertragung des Befehls zum Einfrieren der in das Kern­ rohr eingedrungenen Bodenprobe dient. Ein solcher Befehl öffnet das Ven­ til 28, wodurch das Kühlmedium aufgrund seiner Schwerkraft durch das Ka­ nalsystem 15, 18, 16 fließt. Durch das verdampfende Kühlmedium entsteht dabei ein Überdruck gegenüber dem Wasseraußendruck, welcher durch das Entweichen über das Rückschlagventil 32 begrenzt wird. Gleichzeitig wird das in den Druckausgleichsbehälter 30 eingedrungene Wasser durch den Über­ druck herausgedrückt. Die Wärmetauscher 29, 31 sind hierbei zum Schutz gegen Reifbildung an der Membran 34 im Druckausgleichsbehälter 30 bzw. am Rückschlagventil 32 vorgesehen, während das Ausgleichsvolumen 33 den Ein­ tritt von Wasser in das Rückschlagventil verhindert.

Nach dem Einfrieren vorzugsweise Schockgefrieren eines Bohrkernes auf die zuvor beschriebene Art, wird der Geräteträger 1 vom Gewässergrund hoch­ gezogen, wobei der eingedrungene Bohrkern im Kernrohr durch das Einfrieren haftet. Beim Hochziehen des Geräteträgers nimmt dabei der Wasserdruck auf die Membran 34 des Druckausgleichsbehälters 30 stetig ab, so daß aufgrund der Einstellung des Rückschlagventils 32 ständig verdampftes Kühlmedi­ um abgeblasen wird. Die gesame Vorrichtung erscheint dann mit im Rück­ schlagventil 32 eingestellten Überdruck an der Wasseroberfläche. Dieser Überdruck kann relativ klein gehalten und vorzugsweise auf 0,5 bar bemessen werden.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es daher möglich, Bodenproben vom Grund eines Gewässers zu heben, ohne daß die jeweiligen Sedimentschichten dabei eine Beeinflussung erfahren. Nach dem Heben einer solchen Bodenpro­ be kann das Kanalsystem des Kernrohres 6 von einem erhitzten Gas zum Lösen des Bohrkernes durchströmt werden. Eine solche in ihrem Kern noch gefrorene Bodenprobe kann dann labormäßig untersucht bzw. durch Kühlung aufbewahrt werden.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Heben von Bodenproben vom Grund eines Gewässers, mit einem in den Boden einsenkbaren Kernrohr (6), das die zu hebende Boden­ probe beim Eindringen als Kern im Kernrohr (6) aufnimmt, einem an einem Geräteträger (1) des Kernrohres (6) vorgesehenen Antrieb für einen Rohrbohrer (7) oder eine Preßvorrichtung und einer Gefriervorrichtung (10) zum Ein­ frieren der Bodenprobe im Kernrohr (6), dadurch gekennzeichnet, daß die Gefriervorrichtung (10) aus einem Tank (25) mit Kühlmedium besteht, welches in Abhängigkeit von der Stellung eines befehlsgesteuerten Ventils (28) durch ein Kanalsystem (15, 16, 18) des Kernrohres (6) fließt und anschließend einerseits über einen ersten Wärmetauscher (29) zu einem Druckausgleichsbehälter (30) gelangt und anderseits über einen zweiten Wärmetauscher (31), ein Rückschlagventil (32) und einen Ausgleichsraum (33) entweicht, wobei der Druckausgleichsbehälter (30) mittels einer Membran (34) einen automatischen Ausgleich des Drucks im Tank (25) mit dem Umgebungsdruck vornimmt, so daß eine Anpassung des Innendrucks an das Druckniveau der jeweiligen Wassertiefe erfolgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mit einer Rohrspitze (17) versehene Kernrohr (6) aus einem Innenrohr (11) und ei­ nem Außenrohr (12) sowie einer dazwischen angeordneten Rohrisolation (13) besteht, wobei das Außenrohr (12) und die Rohrisolation (13) an ihren oberen Enden einen gemeinsamen Dehnungsbalg (14) bilden, und daß die Rohr­ isolation (13) die Leitungen (15, 16) zur Führung des Kühlmediums umfaßt, die mit einem im Innenrohr (11) vorgesehenen Ringhohlraum (18) verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Betriebsstellung die an der Unterseite des Ringhohlraumes (18) anliegende Leitung (15) zur Zu­ führung und die an der Oberseite anliegende Leitung (16) zur Abführung des Kühlmediums vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß am Ge­ räteträger (1) nicht drehbar ausgebildete Kernrohr (6) Gleitelemente (19) aufweist und von dem mit dem Antrieb gekoppelten und um die Rohrspitze (17) kürzeren Rohrbohrer (7) umgeben ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb eine Vorschubsteuerung umfaßt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das nicht drehbar ausgebildete Kernrohr (6) durch am Geräteträger (1) vorgese­ hene Ballastgewichte und oder eine fernsteuerbare Preßvorrichtung in den Boden drückbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die im Kernrohr (6) eingefrorene Bodenprobe nach dem Heben mit einem durch das Kanalsystem (15, 16, 18) geleiteten erhitzten Gas lösbar ist.