DE3825225C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Bohrwerkzeug in einer Ausgestaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Gewinnung von Gesteinsproben gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.

Bei einem bekannten Bohrwerkzeug der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art wird die die Kernbohreinrichtung umfassende Baueinheit zum Erbohren eines Gesteinskerns axial im Außenrohr abwärts verschoben, wobei die konstruktiv festgelegte Wegstrecke der Verschiebung die maximale Länge eines erbohrbaren Kerns bestimmt. Nach Erbohren eines Gesteinskerns wird die Baueinheit aufgezogen, der Kern entnommen und anschließend die Baueinheit wieder in das Außenrohr des Kernbohrwerkzeugs bis in eine Kernbohrausgangsstellung eingefahren. Bevor ein weiterer Gesteinskern erbohrt werden kann, muß zunächst das Bohrloch über die Länge des zuvor erbohrten Gesteinskerns aufgebohrt werden, was im Interesse einer ordnungsgemäßen Bohrspülungsführung nach dem Wiedereinfahren der Baueinheit in das Kernbohrwerkzeug vorgenommen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bohrwerkzeug und ein Verfahren zur Gewinnung von Gesteinsproben zu schaffen, durch die das Erbohren von Gesteinskernen erleichtert und beschleunigt wird.

Die Erfindung löst diese Aufgabe hinsichtlich des Bohrwerkzeugs mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Weitere Ausgestaltungen des Bohrwerkzeugs ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 5 und weitere Ausgestaltungen des Verfahrens aus den Ansprüchen 7 bis 9.

Die Erfindung ermöglicht es, Gesteinsproben über eine er­ hebliche Formationstiefe zu gewinnen, ohne daß nach jedem Erbohren eines Gesteinskerns das Hauptbohrloch nachgebohrt werden muß. Eine Kernbohrung mit üblicherweise wesentlich geringerem Durchmesser kann dabei über die Sohle des Haupt­ bohrloches hinaus an einer Länge von beispielsweise hundert oder mehr Meter vorgetrieben werden, ohne zwischenzeitlich Nachbohrarbeiten auszuführen. In Fällen, in denen aufgrund der durch die Gesteinsproben vermittelten Informationen die Bohrung abgebrochen wird, erübrigt sich ein Nachbohren, wodurch erhebliche Kosten eingespart werden. Zugleich ver­ ringert sich die Bohrzeit, auch dann, wenn ein Nachbohren im Zuge des Fortsetzens des Bohrvorhabens erforderlich wird, weil eine Nachbohrung über eine Strecke, die einem Vielfachen einer Kernlänge entspricht, schneller ausführbar ist als eine Vielzahl von Nachbohrvorgängen über Bohr­ strecken von Kernlänge. Das bei einem Kernbohrvorgang erfindungsgemäßer Art erzeugte Kernbohrloch erhält einen kontinuierlichen Verlauf, weil durch die unveränderte Stellung des die Kernbohreinrichtung abstützenden Außen­ rohres des Bohrwerkzeugs die Kernbohrungen unter gleich­ bleibenden Bedingungen ablaufen. Das Außenrohr des Bohrwerk­ zeugs bildet dabei gewissermaßen einen unter Tage befind­ lichen Ersatz für einen stillgesetzten Drehtisch.

Das Einfügen eines Verlängerungsstückes in der nach jeder Kerngewinnung aufzuziehenden Baueinheit ist außerordentlich einfach und schnell durchführbar, und beim Entfernen der hintereinander eingefügten Verlängerungsstücke nach Abschluß eines Kernbohrvorganges und vor einem Nachbohren der Haupt­ bohrung können jeweils Gruppen von Verlängerungsstücken entfernt und unabhängig von der wieder zum Einsatz kommenden Baueinheit auseinandergeschraubt werden. Die erfindungsge­ maße Gewinnung von Gesteinsproben ermöglicht es auch, zum Nachbohren der Hauptbohrung nicht nur die übliche von einem Rollenmeißel gebildete Bohrkrone zu verwenden, sondern statt dessen einen als Vollbohrwerkzeug ausgebildeten Dreh­ bohrmeißel als Bestandteil des Bohrwerkzeugs einzusetzen, der höhere Bohrleistungen mit weitaus höherer Standfestig­ keit verbindet und geeignet ist, jeden zweiten bei Einsatz von Bohrkronen für das Nachbohren erforderlichen Roundtrip einzusparen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung, in der zwei Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung näher veranschaulicht sind. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erste Ausführung eines erfindungsgemäßen Kernbohrwerkzeuges zu Beginn eines Kern­ bohrvorganges, und

Fig. 2 eine Darstellung ähnlich Fig. 1 einer zweiten Ausführung des Kernbohrwerk­ zeuges nach der Erfindung am Ende eines Kernbohrwerkzeuges.

Das in Fig. 1 dargestellte Bohrwerkzeug besitzt ein Außen­ rohr 1, welches mit einem nichtdargestellten Bohrstrang verbindbar ist. Am unteren Ende ist eine Rollenbohrkrone 2 angebracht, die zum Aufbohren eines Ringraums bzw. des Hauptbohrloches für das Nachsetzen des Außenrohrs 1 dient. Innerhalb des Außenrohrs 1 befindet sich eine Baueinheit 3 bestehend aus einem Motor 4 und einer Kernbohreinrichtung 5. Diese Baueinheit 3 ist axial verschiebbar. Während der Motor 4 gegen Mitdrehen gesichert ist, ist die Kernbohrein­ richtung 5 drehbar angeordnet. Die Kernbohreinrichtung 5 selbst besteht aus einem eine Bohrkrone 6 tragenden Kern­ rohr 7 und einem darin drehbar abgestützten Innenrohr 8. Zwischen dem Motor 4 und der Kernbohreinrichtung 5 ist ein Bohrspülungsverzweiger 9 angeordnet, der die aus dem Motor 4 austretende Bohrspülung in einen ersten Strom, der zwischen dem Außenrohr 1 und dem Kernrohr 7 fließt, und in einen weiteren Strom zwischen dem Kernrohr 7 und dem Innenrohr 8 aufteilt. Der zwischen dem Außenrohr 1 und dem Kernrohr 7 fließende Strom wird durch ein federbe­ lastetes Ventil 10 so gesteuert, daß er trotz abnehmender Drosselwirkung des Strömungsweges infolge zunehmender Ex­ position der Kernbohreinrichtung 5 gleich bleibt.

Um eine unerwünschte Umgehung des Motors 4 durch die Bohr­ spülung zu verhindern, ist der Motor 4 mit einen Kragen 11, der den Ringraum zwischen seinem Gehäuse und dem Außen­ rohr 1 ausfüllt, versehen. Der Kragen 11 ist gegenüber dem Außenrohr 1 abgedichtet und bildet mit weiteren Gehäuse­ bereichen des Motors 4 Teilflächen, die die Querschnitts­ fläche eines inneren Durchgangsbereichs 12 des Außenrohrs 1 ausfüllen. Diese Teilflächen ergeben die Reaktionsflächen des über der Einheit 3 anstehenden Bohrspülungsdrucks und erzeugen die Axialvorschubkraft für die Baueinheit 3.

Im oberen Bereich des Motors 4 ist eine Fangeinrichtung 13 vorgesehen, die zum Herausziehen der gesamten Baueinheit 3 nach Erbohren eines Kerns dient. Die Fangeinrichtung 13 dient als Mittel zur Einstellung der Axialvorschubkraft, indem sie der Kernbohreinrichtung 5 eine Rückhaltekraft entgegensetzt, die ihr über ein durch den Bohrstrang führen­ des Seil 14 mittels einer am Bohrturm befindlichen Winde zugeführt wird. Je nach Höhe der Rückhaltekraft sind für die resultierende Axialvorschubkraft Werte zwischen einem Maximalwert und Null einstellbar. Der Maximalwert ergibt sich dann, wenn die Axialvorschubkraft in unverminderter Höhe durch den über der Baueinheit 3 anstehenden Bohr­ spülungsdruck in Verbindung mit den Reaktionsflächen be­ stimmt wird.

Das Außenrohr 1 ist in seinem oberen Bereich mit einem Längsnutprofil 30 versehen. Nahe ihrem oberen Ende weist die Baueinheit 3 einen Keilbereich 31 auf, der mit dem Längsnutprofil 30 des Außenrohres 1 in Drehsicherungseingriff steht.

Unterhalb dieses Keilbereichs 31 befindet sich eine Trenn­ stelle mit einander zugewandten Anschlußmitteln 32, 33 bzw. 34, 35, die wie bei den dargestellten Ausführungs­ beispielen bevorzugt als Schraubgewinde ausgebildet sind. An dieser Trennstelle können die Teile der Baueinheit über ihre Anschlußmittel 32, 33 bzw. 34, 35 entweder unmittelbar verbunden sein oder über Verlängerungsstücke 36 bzw. 37 verbunden werden, die vorzugsweise als Rohrkörper ausge­ bildet und an ihren Enden mit entsprechenden Anschlußmitteln versehen sind.

Bei der Ausführung nach Fig. 1 befindet sich die Trennstelle zwischen der Fangeinrichtung 13 und dem oberen Ende des Motors 4, jedoch besteht auch die Möglichkeit, die Trenn­ stelle gemäß der Ausführung nach Fig. 2 im oberen Bereich des Kernbohrrohres 7 zwischen dessen Verbindung mit dem Motor 4 und der Lagervorrichtung 38 für das Innenrohr 8 anzuordnen. Die Länge der abgebrochen dargestellten Ver­ längerungsstücke 36 bzw. 37 entspricht bevorzugt zumindest im wesentlichen der Länge des Kernaufnahmeraumes des Innen­ rohres 8.

Im Verlaufe eines Kernbohrvorganges kann eine Mehrzahl von Verlängerungsstücken 36 bzw. 37 zwischen die Anschluß­ mittel 32, 33 bzw. 34, 35 zwischengesetzt werden, so daß während eines Kernbohrvorganges eine entsprechende Mehrzahl von Gesteinskernen in unmittelbarer Aufeinanderfolge erbohrt und zutage gefördert werden können, bis ein Nachbohren der Hauptbohrung erforderlich wird. Die Anzahl von zwischen­ setzbaren Verlängerungsstücken 36; 37 und damit die Länge eines vortreibbaren Kernbohrloches hängt im wesentlichen von Materialfestigkeiten, Art der Gesteinsformationen und ggfs. davon ab, über welche Länge eine Hauptbohrung mit Hilfe der Bohrkrone 2 oder eines statt dieser verwendeten Vollbohrwerkzeugs nachgebohrt werden kann, bis wegen Ver­ schleiß der Bohrkrone oder des als Vollbohrwerkzeug Ver­ wendung findenden Drehbohrmeißels ein Roundtrip für den gesamten Bohrstrang erforderlich wird.

Claims (9)

1. Bohrwerkzeug, aus einem mit einem Bohrstrang ver­ bindbaren Außenrohr (1) und einer in dem Außenrohr (1) unverdreh-, jedoch axial verschiebbar angeordneten Bauein­ heit (3) mit vom Druck der Bohrspülung beaufschlagbaren Reaktionsflächen zur Erzeugung einer auf die Baueinheit (3) in Sohlenrichtung wirkenden Axialvorschubkraft und Mitteln zu deren Einstellung, bei der die Baueinheit (3) eine Kernbohreinrichtung (5), die ihrerseits ein eine Bohr­ krone (6) tragendes, drehbar angetriebenes Kernrohr (7) und ein darin frei drehbar abgestützes Innenrohr (8) umfaßt, einen mit der Kernbohreinrichtung (5) gekoppelten, bohr­ spülungsbetriebenen Motor (4) sowie eine Fangeinrichtung (13) zum Heraufziehen der Baueinheit (3) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Baueinheit (3) unterhalb des Bereichs (31) ihres Drehsicherungseingriffs mit dem Außenrohr (1) eine Trennstelle mit einander zugewandten Ausschlußmitteln (32, 33; 34, 35) aufweist, zwischen die zumindest ein rohrförmiges Verlängerungsstück (36; 37) für die Baueinheit (3) einfügbar ist.

2. Bohrwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennstelle zwischen der Fangeinrichtung (13) und dem Motor (4) angeordnet ist.

3. Bohrwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennstelle im oberen Bereich des Kernrohres (7) zwischen dessen Verbindung mit dem Motor (4) und der Lager­ vorrichtung (38) für das Innenrohr (8) angeordnet ist.

4. Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Anschlußmittel Schraub­ gewinde (32, 33; 34, 35) vorgesehen sind, die entweder direkt untereinander oder jeweils mit entsprechenden Schraubge­ winden an den Enden der Verlängerungsstücke (36; 37) ver­ bindbar sind.

5. Bohrwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Verlängerungsstücke (36; 37) eine Länge aufweisen, die im wesentlichen der Länge des Kernaufnahmeraumes des Innenrohrs (8) entspricht, und dabei einen Außendurchmesser besitzen, der dem Außendurchmesser der Baueinheit (3) im Bereich der Trennstellen entspricht.

6. Verfahren zur Gewinnung von Gesteinsproben aus einem mit einem Bohrwerkzeug erzeugten unterirdischen Hauptbohr­ loch, bei dem durch eine aus dem Bohrwerkzeug axial vor­ schiebbare, gesondert und direkt angetriebene Kernbohrein­ richtung mit verringertem Durchmesser zylindrische Gesteins­ kerne erbohrt und durch Aufziehen der Kernbohreinrichtung zutage gefördert werden, und bei dem nach einem Kernbohr­ vorgang das Hauptbohrloch durch das Bohrwerkzeug nachgebohrt wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach Aufziehen der Kern­ bohreinrichtung mit einem in dieser enthaltenen Gesteinskern die Kernbohreinrichtung durch Einfügen eines Verlängerungs­ stücks verlängert und nach Absenken der Kernbohreinrichtung in das Bohrwerkzeug ein nächster Gesteinskern unmittelbar erbohrt wird, und daß jeweils erst nach aufeinanderfolgender Gewinnung einer Mehrzahl von Gesteinskernen das Hauptbohr­ loch nachgebohrt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Nachbohren der Hauptbohrung nach jeweils einer aufeinanderfolgenden Gewinnung von 15 bis 30 Gesteinskernen vorgenommen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zum Nachbohren der Hauptbohrung eine Bohrkrone verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zum Nachbohren der Hauptbohrung ein als Voll­ bohrwerkzeug ausgebildeter Drehbohrmeißel anstelle der Bohrkrone als Bestandteil des Bohrwerkzeugs verwendet wird.