EP3117068B1 - Unterwasser-bohrvorrichtung und verfahren zum beschaffen und analysieren von bodenproben eines gewässerbodens - Google Patents

Unterwasser-bohrvorrichtung und verfahren zum beschaffen und analysieren von bodenproben eines gewässerbodens Download PDF

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EP3117068B1
EP3117068B1 EP14729223.9A EP14729223A EP3117068B1 EP 3117068 B1 EP3117068 B1 EP 3117068B1 EP 14729223 A EP14729223 A EP 14729223A EP 3117068 B1 EP3117068 B1 EP 3117068B1
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EP
European Patent Office
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drill
core
drilling
drill rod
drilling device
Prior art date
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Active
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EP14729223.9A
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English (en)
French (fr)
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EP3117068A1 (de
Inventor
Stefan Michael Finkenzeller
Leonhard Weixler
Tim Freudenthal
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Universitaet Bremen
Bauer Maschinen GmbH
Original Assignee
Universitaet Bremen
Bauer Maschinen GmbH
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Publication date
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    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B25/00—Apparatus for obtaining or removing undisturbed cores, e.g. core barrels or core extractors
    • E21B25/18—Apparatus for obtaining or removing undisturbed cores, e.g. core barrels or core extractors the core receiver being specially adapted for operation under water
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B19/00—Handling rods, casings, tubes or the like outside the borehole, e.g. in the derrick; Apparatus for feeding the rods or cables
    • E21B19/14—Racks, ramps, troughs or bins, for holding the lengths of rod singly or connected; Handling between storage place and borehole
    • E21B19/143—Racks, ramps, troughs or bins, for holding the lengths of rod singly or connected; Handling between storage place and borehole specially adapted for underwater drilling
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    • E21B49/02—Testing the nature of borehole walls; Formation testing; Methods or apparatus for obtaining samples of soil or well fluids, specially adapted to earth drilling or wells by mechanically taking samples of the soil
    • E21B49/025—Testing the nature of borehole walls; Formation testing; Methods or apparatus for obtaining samples of soil or well fluids, specially adapted to earth drilling or wells by mechanically taking samples of the soil of underwater soil, e.g. with grab devices
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    • E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
    • E21B7/12—Underwater drilling
    • E21B7/124—Underwater drilling with underwater tool drive prime mover, e.g. portable drilling rigs for use on underwater floors

Definitions

  • the invention relates to an underwater drilling device according to claim 1.
  • the invention further relates to a method for obtaining and analyzing soil samples of a waterbottom, according to claim 9.
  • a generic underwater drilling device and a generic method go from the WO 2012/000077 A1 or the US 7,380,614 B1 out.
  • a borehole is gradually created according to the length of a drill string element.
  • the core formed in the tubular drill string is received with a drill core catcher, removed from the drill pipe and stored in a storage area on a base frame of the drilling device.
  • a plurality of cores can be obtained as soil samples and stored in the storage area of the drilling apparatus. The cores allow a very good statement about the structure of the waterbed.
  • a method for testing a waterbed in which the electrical conductivity and a magnetic property of the soil are detected along a borehole by means of a sensor device.
  • a sensor is moved along the borehole wall.
  • two basic process steps are necessary. First, the borehole is to be created, and then the measurement is to be made. When drilling out of the wellbore and the removal of the drilled soil material from the well, there is also the fundamental problem that a smearing between the individual soil layers can take place. This makes reliable determination of the layer structure of the river bottom difficult.
  • a sensor device is arranged directly on the drilling device, which can detect radioactive radiation to a drill core.
  • the invention has for its object to provide an underwater drilling device and a method for obtaining and analyzing soil samples of a waterbed, with which soil samples can be both reliable and time and thus cost-effectively obtained and analyzed.
  • the underwater drilling apparatus is characterized in that at least one sensor device, which is designed to determine at least one physical and / or chemical property of the drill core, is arranged on the base frame in a surrounding region of the drilling axis, and in that a data processing device is provided which is capable of storing determined data is formed to the at least one physical and / or chemical property of the core and data to the storage location of the core in the second storage area.
  • a basic idea of the disclosure is to obtain cores during the time-consuming core drilling process as in the underwater drilling apparatus known in the prior art.
  • the cores obtained in this way can be thoroughly analyzed after being lifted from the bottom of the water and can be used in particular for carrying out a large number of test bores at different points for the creation of an exact geological profile.
  • a preferred embodiment is that a data transmission device is provided, with which the determined data can be transmitted to a remote center.
  • the data transmission can be wireless or wired. This allows for early analysis of cores on, for example, the supply ship or a remote center while the test well continues to run.
  • a particularly efficient method implementation is achieved in accordance with a further development of the underwater drilling apparatus in that the data processing unit has an evaluation unit in which decision criteria are stored and which is designed to make a decision based on the stored decision criteria about a progress or termination of the hole.
  • Minimum or maximum values for particular physical or chemical quantities, which are of particular importance for a decision on the progress or termination of the well, may be provided as decision criteria.
  • a statement about the electrical conductivity or the induction behavior of the drill core may indicate that special metallic minerals are present or not present.
  • These decision criteria can be determined by pre-testing or empirical results from previous drilling. The decision criteria depend to a large extent on the respective type of mineral resources, which are searched for purposefully.
  • a comparison can also be made with the measured values of the previous drill core (s) in the data processing device. It can thus be determined, for example, whether one is approaching or moving away from a deposit of a particular mineral, such as massive sulphide, ore or oil.
  • the drilling device no longer needs to be recovered for analysis of the cores from the water, for example in this case. Rather, the underwater drilling device can remain in the water and be placed with the supply ship to another location.
  • the sensor device can be designed and arranged in any desired manner.
  • the at least one sensor device is arranged annularly and in the region above the borehole opening.
  • the well bore may be a downhole closure or other arrangement for stabilizing the well bore opening.
  • the senor device can be configured so that a determination is also made without contact by the wall of the tubular receptacle, for example by an interaction with a magnetic or electromagnetic field.
  • a determination is also made without contact by the wall of the tubular receptacle, for example by an interaction with a magnetic or electromagnetic field.
  • an increased or decreased proportion of petroleum in a rock can significantly alter its electromagnetic resonance behavior and its conductivity.
  • a suitable sensor device can be selected. It may also be provided optical sensors or sensors for measuring the radioactivity. According to a preferred embodiment of the invention, it is provided that the sensor device is designed to measure an inductance, electrical conductivity, a capacitance and / or further physical or chemical variables. In particular, various types of sensors can be provided in an annular housing, so that at the same time a review and analysis can be carried out according to different characteristics.
  • the receptacle is tubular in shape as a core pipe catcher, which has a connecting device for the removal device at its upper end.
  • the core pipe catcher can be formed in particular as a thin-walled pipe made of a metal or a plastic, in which when drilling the tubular drill string an inner remaining soil area as a core in a receiving space of the core pipe catcher.
  • a corresponding closure device or other holding devices the core can be fixed in the tubular receptacle.
  • the receptacle with the drill core enclosed therein can be pulled out of the drill pipe via the discharge device and conveyed to the second storage area, wherein the receptacle with the drill core is deposited at a specific intended storage location of the second storage area becomes.
  • the discharge device can be released from the receptacle, so that after a further drilling step, a further receptacle can be removed with a drill core.
  • the discharge device comprises a winch with a hoist rope, at the free end of a locking device is arranged, which cooperates with a connecting device on the receptacle for the core.
  • the locking device may in particular be a hook arrangement, which engages in an approximately formed as an eyelet connection means on the tubular receptacle. In this way, a positive connection for discharging the recording with the core can be formed.
  • connection methods such as an electromagnetic connection by an arrangement of corresponding electromagnets.
  • the base frame is connected via a maritime umbilical cord to a supply ship.
  • the maritime umbilical cord can be provided both for the supply of energy, in particular electrical energy and hydraulic fluid, as well as a data line for data communication.
  • the maritime umbilical cord can also be designed as a hoisting rope with which, in addition to the supply function, the underwater drilling device can be lowered and lifted again.
  • the object stated at the outset is achieved by virtue of at least one physical and / or chemical property of the drill core by means of at least one sensor device which is arranged on the base frame in a surrounding region of the drilling axis is determined, and that the data determined thereby are stored in a data processing device together with the data to the storage location of the core in the second storage area.
  • the method can be carried out in particular with the underwater drilling device described above.
  • a preferred variant of the method is that, based on the determined data on the at least one physical and / or chemical property of the drill core, a decision is made on progress or termination of the drill hole while the drilling device continues to be located in the body of water on the water bed. This decision then preferably be made by the underwater drilling device itself by an evaluation in the data processing device or by remote data transmission from a remote center, such as on the supply ship or a station on land.
  • the underwater drilling apparatus 10 comprises a box-shaped base frame 12 which is constructed of steel girders.
  • a vertically directed drill guide 24 is provided, along which a drill drive 20 is mounted and driven with a clamping device 22 for clamping drill pipe elements 32 vertically movable along a drilling axis 21.
  • the drill drive 20 is displaceable perpendicular to the drilling axis 21 in a horizontal direction along a transverse rail 23 of the drilling axis 21 away.
  • the drill drive 21 can serve as part of a feed device 38 to grip in a first storage area 14 of the base frame 12, not shown, mounted drill string elements 32 and to guide them into the drilling axis 21.
  • the feed device 38 which is indicated only schematically, can have further handling devices in order to grasp, in a known manner, vertically oriented, mounted drill pipe elements 32 and to convey them to the drilling axis 21.
  • a new drill pipe element 32 is connected to an existing drill pipe element 32 by means of a screw connection.
  • Fig. 1 only a single drill string elements 32 is shown, which was introduced into the water bottom 5 in a first drilling step.
  • a drill head 31 with ground-removing cutting tools is provided at the lower end.
  • a cylindrical core of the upcoming soil material is formed. This drill core is received in a tubular receptacle 34, which is arranged in the interior of the drill string 30.
  • the drilling drive 20 For discharging the tubular receptacle 34 with the core arranged and held therein, the drilling drive 20 is first moved out of the drilling axis 21. Subsequently, a hoisting cable 43 of an evacuation device 40 is moved into the area of the drilling axis 21 via a pivoting lever mechanism 41. At the lower free end of the hoist cable 43, a sleeve-shaped locking device 44 is provided. The hoist cable 43 extends from a laterally attached to the base frame 12 Winch 42 via a lower guide roller 45 to an upper deflecting device 46 of the discharge device 40.
  • the several times deflected on the frame hoisting rope 43 is lowered down, the locking device 44 on the hoisting cable 43 with a connecting device 36 at the upper end of the sleeve-shaped receptacle 34th engages.
  • a connection is made so that the receptacle 34 can be pulled out of the drill pipe 30 with the drill core upwards.
  • the sleeve-shaped receptacle 34 is conveyed to the core through the discharge device 40 laterally to a second storage area 15 on the base frame 12 and stored therein. Also with regard to the second storage area 15, the magazine-like bearing is not shown in detail for reasons of clarity.
  • the sleeve-shaped receptacles 34 with the cores located therein are stored vertically in brackets, so that the cores can be transported for further investigation together with the underwater drilling apparatus 10 after completion of drilling to a supply ship, not shown.
  • an annular sensor device 50 is provided concentrically to the drilling axis 21 directly above the borehole opening 18, on which a clamping unit 17 for holding the drill pipe 30 is arranged.
  • the sensor device 50 is designed with non-contact sensors for determining physical and / or chemical properties of the drill core.
  • a data processing device 52 is provided, in which the respectively determined data can be stored to a core.
  • the position data and in particular the storage location at which the respective core is stored in the second storage area 15 can also be stored with the data processing device 52. In the case of a subsequent further analysis of the drill cores, this allows targeted access to the drill cores, which after the first on-site analysis and the data transmitted in advance by the data processing device 52 are of particular interest for a further investigation.
  • the discharge device 40 is again moved away from the drilling axis 21, so that then the drill drive 20 with a new drill pipe element 32 from the first storage area 14 can be moved back into the drilling axis 21.
  • the new drill string member 32 may then be connected to the upper drill string member 32 of the drill string 30.
  • the drill pipe 30 can be drilled again by a drilling step by the length of a drill pipe element 32 in the water bottom 5.
  • a new core is formed, which can be removed according to the method described above from the drill pipe 30 and stored again in the second storage area 15. It can then be done according to further drilling steps, if desired.
  • Fig. 3 1 schematically shows the determination of a mineral resource deposit 7 in a water bottom 5 by means of an underwater drilling device 10 according to the invention and a method according to the invention.
  • the underwater drilling device 10 is first placed on the water bottom 5 to create a first bore 8.1. It then performs a gradual drilling with procurement and investigation of the cores, as previously related to the FIGS. 1 and 2 has been described.
  • the first borehole 8.1 no data on a mineral resource 7 was found by the underwater boring device 10 according to the invention in the immediate analysis of the cores obtained locally. Accordingly, the first bore 8.1 is performed up to the maximum achievable drilling depth, which is represented by the drill pipe 30 with four drill pipe elements 32 in the present case.
  • the underwater drilling apparatus 10 can be moved to a second position to perform a second bore 8.2.
  • the second drilling step in the creation of the second bore 8.2 can be found in the in-situ investigation of the core, that in this hole area the treasure 7 in this depth is over again. Since this can be determined immediately by an evaluation unit, a continuation of the second bore 8.2 can be terminated.
  • the underwater drilling device 10 can then be set to perform additional holes 8.3, 8.4, 8.5 and 8.6 again.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Unterwasser-Bohrvorrichtung gemäß Anspruch 1.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Beschaffen und Analysieren von Bodenproben eines Gewässerbodens, gemäß Anspruch 9.
  • Eine gattungsgemäße Unterwasser-Bohrvorrichtung und ein gattungsgemäßes Verfahren gehen beispielsweise aus der WO 2012/000077 A1 oder der US 7,380,614 B1 hervor. Bei diesen bekannten Unterwasser-Kernbohrverfahren wird schrittweise ein Bohrloch entsprechend der Länge eines Bohrgestängeelementes erstellt. Bei jedem Bohrschritt wird der sich im rohrförmigen Bohrgestänge gebildete Bohrkern mit einem Bohrkernfänger aufgenommen, aus dem Bohrgestänge entfernt und in einem Lagerbereich an einem Grundrahmen der Bohrvorrichtung abgelegt. Durch mehrmaliges Wiederholen dieses Kernbohrverfahrens kann eine Vielzahl von Bohrkernen als Bodenproben beschafft und in dem Lagerbereich der Bohrvorrichtung abgelegt werden. Die Bohrkerne erlauben eine sehr gute Aussage über den Aufbau des Gewässerbodens.
  • Für eine Analyse des Gewässerbodenaufbaues ist es bei diesem bekannten Stand der Technik notwendig, die gesamte Bohrvorrichtung von dem Gewässerboden abzuheben und aus dem Gewässer auf ein Versorgungsschiff oder eine Versorgungsplattform zu fördern. Dort können die einzelnen Bohrkerne entnommen, näher untersucht und analysiert werden. Diese Beschaffung und Analyse der Bodenproben ist sehr zeitaufwändig. Insbesondere bei der Durchführung des Verfahrens auf hoher See ist ein hoher Zeitaufwand auch mit sehr hohen Kosten verbunden, da Stunden- oder Tagessätze für Versorgungsschiffe mit dem notwenigen Personal sehr hoch sind. Tagessätze für derartige Versorgungsschiffe können sich auf mehrere 10.000,-EUR bis zu über 100.000,- EUR pro Tag belaufen.
  • Aus der WO 2013/188903 A1 ist ein Verfahren zur Untersuchung eines Gewässerbodens bekannt, bei welchem entlang eines Bohrloches mittels einer Sensoreinrichtung die elektrische Leitfähigkeit und eine magnetische Eigenschaft des Bodens erfasst wird. Hierzu wird ein Sensor entlang der Bohrlochwandung verfahren. Für eine zuverlässige Messung sind hierbei jedoch zwei grundsätzliche Verfahrensschritte notwendig. Zunächst ist das Bohrloch zu erstellen, und anschließend ist die Messung vorzunehmen ist. Beim Abbohren des Bohrloches und beim Abfördern des abgebohrten Bodenmateriales aus dem Bohrloch besteht zudem die grundsätzliche Problematik, dass eine Verschmierung zwischen den einzelnen Bodenschichten erfolgen kann. Dies erschwert eine zuverlässige Ermittlung des Schichtaufbaues des Gewässerbodens.
  • Ein weiteres Verfahren zur Analyse eines Gewässerbodens geht aus der US 4,043,404 A hervor. Bei diesem bekannten Verfahren wird ein Bohrloch mit einem speziellen Bohrwerkzeug erstellt, welches ein zylindrisches Gehäuse aufweist. In diesem zylindrischen Gehäuse sind Aufnahmebehälter zum Aufnehmen von Bodenproben vorgesehen. Allerdings ist der Aufnahmeraum zum Aufnehmen von Bodenproben innerhalb des im Bohrloch befindlichen Bohrwerkzeuges begrenzt. Zudem ist die Gewinnung von Bodenproben, welche einen erheblich kleineren Durchmesser als der Bohrdurchmesser aufweisen, aufwändig und bedarf eines speziellen Probennehmers.
  • Bei einem Bohrverfahren an Land ist es bekannt, Bohrkerne unmittelbar an der Bohrstelle zu untersuchen.
  • Aus der DE 695 01 539 D2 geht ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Nachweis von Radioaktivität an einem Bohrkern hervor. An dieser oberirdischen Bohrvorrichtung wird unmittelbar an der Bohrvorrichtung eine Sensoreinrichtung angeordnet, welche radioaktive Strahlung an einem Bohrkern feststellen kann.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Unterwasser-Bohrvorrichtung und ein Verfahren zum Beschaffen und Analysieren von Bodenproben eines Gewässerbodens anzugeben, mit welchem Bodenproben sowohl zuverlässig als auch zeit- und damit kosteneffizient gewonnen und analysiert werden können.
  • Die Erfindung wird zum einen durch eine Unterwasser-Bohrvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und zum anderen durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Bevorzugte Ausführungen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Die Unterwasser-Bohrvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass an dem Grundrahmen in einem Umgebungsbereich der Bohrachse mindestens eine Sensoreinrichtung angeordnet ist, welche zum Ermitteln mindestens einer physikalischen und/oder chemischen Eigenschaft des Bohrkerns ausgebildet ist, und dass eine Datenverarbeitungseinrichtung vorgesehen ist, die zum Speichern von ermittelten Daten zu der mindestens einen physikalischen und/oder chemischen Eigenschaft des Bohrkerns und von Daten zu dem Lagerplatz des Bohrkerns in dem zweiten Lagerbereich ausgebildet ist.
  • Eine Grundidee der Offenbarung besteht darin, wie bei dem nach dem gattungsbildenden Stand der Technik bekannten Verfahren mit einer Unterwasser-Bohrvorrichtung Bohrkerne während des aufwändigen Kernbohrverfahrens zu gewinnen. Dies so gewonnen Bohrkerne können nach einer Hebung vom Gewässergrund eingehend analysiert werden und können insbesondere bei der Durchführung einer Vielzahl von Probebohrungen an unterschiedlichen Stellen für die Erstellung eines exakten geologischen Profils verwendet werden.
  • Dabei besteht ein wesentlicher Aspekt der Offenbarung darin, mit dem Beginn der Analyse der Bohrkerne nicht bis zum Abschluss der Bohrung zu warten. Vielmehr können bereits während des Bohrvorganges beim Abführen des Bohrkernes auf dem Bohrgestänge erste Daten zur Eigenschaft und insbesondere zum Aufbau des Bohrkerns gewonnen werden. Insbesondere bei der Erkundung von Bodenschätzen erlaubt diese erste Analyse von bestimmten Parametern eine Aussage, ob ein weiteres Abbohren an einer Stelle weiterhin sinnvoll ist oder abgebrochen werden sollte. Eine nicht erfolgversprechende Bohrung kann somit frühzeitig festgestellt und beendet werden, was Zeit und Kosten spart.
  • Zudem können bereits vielversprechende Bohrkerne oder Bohrkerne von besonderem Interesse noch während des Bohrvorganges ermittelt werden. Nach einem Heben der Unterwasser-Bohrvorrichtung mit den Bohrkernen können dann gezielt diese Bohrkerne von besonderem Interesse zuerst untersucht und analysiert werden. Hieraus können schneller Rückschlüsse über Ort oder Art und Weise einer weiteren Probebohrung getroffen werden.
  • Dabei besteht eine bevorzugte Ausführungsform darin, dass eine Datenübertragungseinrichtung vorgesehen ist, mit welcher die ermittelten Daten zu einer beabstandeten Zentrale übertragbar sind. Mittels der Datenübertragungseinrichtung kann die Datenübertragung drahtlos oder drahtgebunden erfolgen. Dies erlaubt eine vorzeitige Analyse von Bohrkernen etwa auf dem Versorgungsschiff oder einer entfernt liegenden Zentrale, noch während die Probebohrung weiter durchgeführt wird.
  • Eine besonders effiziente Verfahrensdurchführung wird gemäß einer Weiterbildung der Unterwasser-Bohrvorrichtung dadurch erreicht, dass die Datenverarbeitungseinrichtung eine Auswerteeinheit aufweist, in welcher Entscheidungskriterien gespeichert sind und welche ausgelegt ist, basierend auf den gespeicherten Entscheidungskriterien eine Entscheidung über einen Fortgang oder einen Abbruch der Bohrung zu treffen. Als Entscheidungskriterien können insbesondere Mindest- oder Maximalwerte für bestimmte physikalische oder chemische Größen vorgesehen sein, welche für eine Entscheidung über einen Fortgang oder einen Abbruch der Bohrung von besonderer Bedeutung sind. So kann etwa eine Aussage zur elektrischen Leitfähigkeit oder zum Induktionsverhalten des Bohrkernes darauf hinweisen, dass etwa spezielle metallische Bodenschätze vorliegen oder nicht vorliegen. Diese Entscheidungskriterien können durch im Voraus durchgeführte Testverfahren oder auch durch empirische Ergebnisse vorausgegangener Bohrungen festgesetzt werden. Die Entscheidungskriterien hängen maßgeblich von der jeweiligen Art der Bodenschätze ab, nach welchen gezielt gesucht wird. Werden beispielsweise bestimmte Kennwerte bei einer bestimmten Bohrtiefe nicht erreicht, so kann es wirtschaftlich sinnvoll sein, das weitere Bohren an dieser Untersuchungsstelle abzubrechen und an einer anderen Stelle fortzusetzen. Es kann auch ein Vergleich mit den Messwerten des oder der vorausgegangenen Bohrkerne in der Datenverarbeitungseinrichtung erfolgen. Es kann so etwa festgestellt werden, ob man sich einem Vorkommen eines bestimmten Bodenschatzes, etwa von Massivsulfid, Erzen oder Öl, nähert oder sich hiervon entfernt.
  • Aufgrund dieser Ausbildung muss etwa in diesem Fall die Bohrvorrichtung nicht mehr für eine Analyse der Bohrkerne aus dem Gewässer geborgen werden. Vielmehr kann die Unterwasser-Bohrvorrichtung im Gewässer verbleiben und mit dem Versorgungsschiff an eine andere Stelle gesetzt werden. Grundsätzlich kann die Sensoreinrichtung in beliebiger Art und Weise ausgebildet und angeordnet sein. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass die mindestens eine Sensoreinrichtung ringförmig und im Bereich oberhalb der Bohrlochöffnung angeordnet ist. Die Bohrlochöffnung kann dabei ein Bohrlochverschluss oder eine sonstige Anordnung zur Stabilisierung der Öffnung am Bohrloch sein. Über eine ringförmige Anordnung der Sensoreinrichtung kann eine umfassende und vorzugsweise berührungsfreie Erfassung des Bohrkernes unmittelbar bei Austritt aus dem Bohrloch erfolgen. Dabei kann die Sensoreinrichtung so ausgestaltet sein, dass eine Ermittlung berührungslos auch durch die Wandung der rohrförmigen Aufnahme erfolgt, etwa durch eine Wechselwirkung mit einem magnetischen oder elektromagnetischen Feld. So kann etwa ein erhöhter oder verringerter Anteil von Erdöl in einem Gestein dessen elektromagnetisches Resonanzverhalten und dessen Leitfähigkeit merklich verändern.
  • Grundsätzlich kann je nach der vorgesehenen Suche nach bestimmten Bodenschätzen eine geeignete Sensoreinrichtung ausgewählt werden. Es können auch optische Sensoren oder Sensoren zur Messung der Radioaktivität vorgesehen sein. Nach einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sensoreinrichtung zur Messung einer Induktivität, elektrischen Leitfähigkeit, einer Kapazität und/oder weiterer physikalischer oder chemischer Größen ausgebildet ist. Insbesondere können in einem ringförmigen Gehäuse auch verschiedene Arten von Sensoren vorgesehen sein, so dass gleichzeitig eine Überprüfung und Analyse nach verschiedenen Kenngrößen erfolgen kann.
  • Weiterhin ist es nach einer Ausführungsform vorteilhaft, dass die Aufnahme rohrförmig als ein Kernrohrfänger ausgebildet ist, welcher an seinem oberen Ende eine Verbindungseinrichtung für die Abführeinrichtung aufweist. Der Kernrohrfänger kann dabei insbesondere als ein dünnwandiges Rohr aus einem Metall oder einem Kunststoff gebildet sein, in welchem sich beim Abbohren des rohrförmigen Bohrgestänges ein innerer verbleibender Bodenbereich als Bohrkern in einen Aufnahmeraum des Kernrohrfängers hineinschiebt. Durch eine entsprechende Verschlussvorrichtung oder sonstige Halteeinrichtungen kann der Bohrkern in der rohrförmigen Aufnahme fixiert werden. Nachdem ein weiterer Bohrschritt entsprechend der Länge eines Bohrgestängeelementes erfolgt ist, kann die Aufnahme mit dem darin eingeschlossenen Bohrkern über die Abführeinrichtung aus dem Bohrgestänge gezogen und zu dem zweiten Lagerbereich gefördert werden, wobei die Aufnahme mit dem Bohrkern an einem bestimmten vorgesehenen Lagerplatz des zweiten Lagerbereiches abgesetzt wird. Nach dem Absetzen kann die Abführeinrichtung von der Aufnahme gelöst werden, so dass nach einem weiteren Bohrschritt eine weitere Aufnahme mit einem Bohrkern abgeführt werden kann.
  • Dabei ist es nach einer Weiterbildung zweckmäßig, dass die Abführeinrichtung eine Winde mit einem Hubseil aufweist, an dessen freien Ende eine Verriegelungseinrichtung angeordnet ist, welche mit einer Verbindungseinrichtung an der Aufnahme für den Bohrkern zusammenwirkt. Die Verriegelungseinrichtung kann dabei insbesondere eine Hakenanordnung sein, welche in eine etwa als Öse ausgebildete Verbindungseinrichtung an der rohrförmigen Aufnahme eingreift. Auf diese Weise kann eine formschlüssige Verbindung zum Abführen der Aufnahme mit dem Bohrkern gebildet werden. Es sind aber auch andere Verbindungsmethoden denkbar, etwa eine elektromagnetische Verbindung durch eine Anordnung entsprechender Elektromagnete.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante besteht darin, dass der Grundrahmen über eine maritime Nabelschnur mit einem Versorgungsschiff verbunden ist. Die maritime Nabelschnur kann dabei sowohl zur Versorgung mit Energie, insbesondere elektrischer Energie und Hydraulikflüssigkeit, sowie als eine Datenleitung zur Datenkommunikation vorgesehen sein. Weiterhin kann die maritime Nabelschnur auch als ein Hubseil ausgebildet sein, mit welcher neben der Versorgungsfunktion die Unterwasser-Bohrvorrichtung abgesenkt und wieder gehoben werden kann.
  • Die eingangs angeführte Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens dadurch gelöst, dass mittels mindestens einer Sensoreinrichtung, welche an dem Grundrahmen in einem Umgebungsbereich der Bohrachse angeordnet ist, mindestens eine physikalische und/oder chemische Eigenschaft des Bohrkernes ermittelt wird, und dass die dabei ermittelten Daten in einer Datenverarbeitungseinrichtung zusammen mit den Daten zu dem Lagerplatz des Bohrkernes in dem zweiten Lagerbereich abgespeichert werden. Das Verfahren kann insbesondere mit der zuvor beschriebenen Unterwasser-Bohrvorrichtung ausgeführt werden.
  • Es ergeben sich die zuvor beschriebenen Vorteile bei der Durchführung des Verfahrens.
  • Eine bevorzugte Verfahrensvariante besteht darin, dass basierend auf den ermittelten Daten zu der mindestens einen physikalischen und/oder chemischen Eigenschaft des Bohrkernes eine Entscheidung über einen Fortgang oder einen Abbruch der Bohrung getroffen wird, während die Bohrvorrichtung sich weiterhin in dem Gewässer auf dem Gewässerboden befinden. Diese Entscheidung dann dabei vorzugsweise durch die Unterwasser-Bohrvorrichtung selbst durch eine Auswerteeinheit in der Datenverarbeitungseinrichtung getroffen werden oder durch Datenfernübertragung von einer beabstandeten Zentrale, etwa auf dem Versorgungsschiff oder einer Station an Land.
  • Auf diese Weise können Fehlbohrungen frühzeitig erkannt und die Unterwasser-Bohrvorrichtung zeit- und kosteneffizient eingesetzt werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen weiter erläutert, welche schematisch in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. In den Zeichnungen zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische perspektivische Ansicht einer Unterwasser-Bohrvorrichtung nach der Erfindung;
    Fig. 2
    eine schematische Seitenansicht der Unterwasser-Bohrvorrichtung nach Fig. 1; und
    Fig. 3
    eine schematische Darstellung mit einer Vielzahl von Probebohrungen.
  • Der Aufbau und die Funktion einer Unterwasser-Bohrvorrichtung 10 werden im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 erläutert. Die Unterwasser-Bohrvorrichtung 10 umfasst einen kastenförmigen Grundrahmen 12, welcher aus Stahlträgern aufgebaut ist. In einem mittleren Bereich des Grundrahmens 12 ist eine vertikal gerichtete Bohrführung 24 vorgesehen, entlang welcher ein Bohrantrieb 20 mit einer Spanneinrichtung 22 zum Spannen von Bohrgestängeelementen 32 vertikal verfahrbar entlang einer Bohrachse 21 gelagert und angetrieben ist. Zusätzlich ist der Bohrantrieb 20 senkrecht zur Bohrachse 21 in einer horizontalen Richtung entlang einer Querschiene 23 von der Bohrachse 21 weg verschiebbar. Der Bohrantrieb 21 kann dabei als Teil einer Zuführeinrichtung 38 dienen, um in einem ersten Lagerbereich 14 des Grundrahmens 12 nicht dargestellte, gelagerte Bohrgestängeelemente 32 zu greifen und diese in die Bohrachse 21 zu führen. Die nur schematisch angedeutete Zuführeinrichtung 38 kann weitere Handhabungseinrichtungen aufweisen, um in bekannter Weise vertikal gerichtete, gelagerte Bohrgestängeelemente 32 zu greifen und zur Bohrachse 21 zu fördern.
  • Zum Bilden eines Bohrgestänges 30 wird ein neues Bohrgestängeelement 32 an ein bereits vorhandenes Bohrgestängeelement 32 mittels Schraubverbindung angeschlossen. In Fig. 1 ist lediglich ein einzelnes Bohrgestängeelemente 32 gezeigt, welches in einem ersten Bohrschritt in den Gewässerboden 5 eingebracht wurde. Bei diesem anfänglichen Bohrgestängeelement 32 ist am unteren Ende ein Bohrkopf 31 mit bodenabtragenden Schneidwerkzeugen vorgesehen. Beim Abbohren des rohrförmigen Bohrgestängeelementes 32 bildet sich ein zylindrischer Bohrkern aus dem anstehenden Bodenmaterial. Dieser Bohrkern wird in einer rohrförmigen Aufnahme 34 aufgenommen, welche im Inneren des Bohrgestänges 30 angeordnet ist.
  • Zum Abführen der rohrförmigen Aufnahme 34 mit dem darin angeordneten und gehaltenen Bohrkern wird der Bohrantrieb 20 zunächst aus der Bohrachse 21 herausgefahren. Anschließend wird über einen Schwenkhebelmechanismus 41 ein Hubseil 43 einer Abführeinrichtung 40 in den Bereich der Bohrachse 21 bewegt. Am unteren freien Ende des Hubseiles 43 ist eine hülsenförmige Verriegelungseinrichtung 44 vorgesehen. Das Hubseil 43 verläuft von einer am Grundrahmen 12 seitlich befestigten Winde 42 über eine untere Anlenkrolle 45 zu einer oberen Umlenkeinrichtung 46 der Abführeinrichtung 40. Über die Winde 42 wird das mehrfach am Rahmen umgelenkte Hubseil 43 nach unten abgelassen, wobei die Verriegelungseinrichtung 44 am Hubseil 43 mit einer Verbindungseinrichtung 36 am oberen Ende der hülsenförmigen Aufnahme 34 in Eingriff kommt. Dabei wird eine Verbindung hergestellt, so dass die Aufnahme 34 mit dem Bohrkern nach oben aus dem Bohrgestänge 30 herausgezogen werden kann. Anschließend wird die hülsenförmige Aufnahme 34 mit dem Bohrkern über die Abführeinrichtung 40 seitlich zu einem zweiten Lagerbereich 15 an dem Grundrahmen 12 gefördert und darin abgelegt. Auch hinsichtlich des zweiten Lagerbereiches 15 ist das magazinähnliche Lager aus Übersichtlichkeitsgründen nicht näher dargestellt. In dem zweiten Lagerbereich 15 werden die hülsenförmigen Aufnahmen 34 mit den darin befindlichen Bohrkernen vertikal in Halterungen gelagert, so dass die Bohrkerne zur weiteren Untersuchung zusammen mit der Unterwasser-Bohrvorrichtung 10 nach Abschluss der Bohrarbeiten zu einem nicht dargestellten Versorgungsschiff befördert werden können.
  • Für eine vorausgehende Untersuchung und Analyse der Bohrkerne ist unmittelbar oberhalb der Bohrlochöffnung 18, an welcher eine Spanneinheit 17 zum Halten des Bohrgestänges 30 angeordnet ist, konzentrisch zur Bohrachse 21 eine ringförmige Sensoreinrichtung 50 vorgesehen. Die Sensorvorrichtung 50 ist mit berührungslos arbeitenden Sensoren zur Bestimmung physikalischer und/oder chemischer Eigenschaften des Bohrkernes ausgebildet. Weiterhin ist eine Datenverarbeitungseinrichtung 52 vorgesehen, in welcher die jeweils ermittelten Daten zu einem Bohrkern abgespeichert werden können. Gleichzeitig können mit der Datenverarbeitungseinrichtung 52 auch die Positionsdaten und insbesondere der Lagerplatz gespeichert werden, an welchem der jeweilige Bohrkern im zweiten Lagerbereich 15 abgelegt wird. Dies erlaubt bei einer späteren weiteren Analyse der Bohrkerne gezielt auf die Bohrkerne zurückzugreifen, welche nach der ersten Vorortanalyse und den vorab von der Datenverarbeitungseinrichtung 52 übermittelten Daten von besonderem Interesse für eine weitere Untersuchung sind.
  • Nach diesem ersten Bohrschritt mit Sicherung eines Bohrkernes wird die Abführvorrichtung 40 wieder aus der Bohrachse 21 fortbewegt, so dass anschließend der Bohrantrieb 20 mit einem neuen Bohrgestängeelement 32 aus dem ersten Lagerbereich 14 wieder in die Bohrachse 21 bewegt werden kann. Das neue Bohrgestängeelement 32 kann sodann an das obere Bohrgestängeelement 32 des Bohrgestänges 30 angeschlossen werden. Abschließend kann dann das Bohrgestänge 30 wieder um einen Bohrschritt um die Länge eines Bohrgestängeelementes 32 in den Gewässerboden 5 abgebohrt werden. Dabei wird ein neuer Bohrkern gebildet, welcher entsprechend dem voraus beschriebenen Verfahren aus dem Bohrgestänge 30 entfernt und wieder in dem zweiten Lagerbereich 15 abgelegt werden kann. Es können dann entsprechend weitere Bohrschritte erfolgen, soweit dies gewünscht wird.
  • In Fig. 3 ist schematisch die Ermittlung eines Bodenschatzvorkommens 7 in einem Gewässerboden 5 mittels einer Unterwasser-Bohrvorrichtung 10 nach der Erfindung sowie einem erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt.
  • Die Unterwasser-Bohrvorrichtung 10 wird zunächst zum Erstellen einer ersten Bohrung 8.1 auf den Gewässerboden 5 aufgesetzt. Es erfolgt dann ein schrittweises Abbohren mit Beschaffung und Untersuchung der Bohrkerne, wie es zuvor im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 beschrieben wurde. Bei der ersten Bohrung 8.1 wurden durch die erfindungsgemäße Unterwasser-Bohrvorrichtung 10 bei der unmittelbaren Analyse der gewonnen Bohrkerne vor Ort keine Daten zu einem Bodenschatzvorkommen 7 festgestellt. Entsprechend ist die erste Bohrung 8.1 bis zur maximal erreichbaren Bohrtiefe durchgeführt, welche dargestellt ist durch das Bohrgestänge 30 mit im vorliegenden Fall vier Bohrgestängeelementen 32.
  • Nach Rückbau des Bohrgestänges 30 kann die Unterwasser-Bohrvorrichtung 10 zu einer zweiten Position versetzt werden, um eine zweite Bohrung 8.2 durchzuführen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ergibt sich bereits nach dem ersten Bohrschritt durch die Sensoreinrichtung 50 das Vorhandensein eines Bodenschatzvorkommens 7. Nach dem zweiten Bohrschritt bei der Erstellung der zweiten Bohrung 8.2 kann bei der Insitu-Untersuchung des Bohrkernes festgestellt werden, dass bei diesem Bohrungsbereich das Bodenschatzvorkommen 7 in dieser Tiefenlage wieder beendet ist. Da dies umgehend von einer Auswerteeinheit festgestellt werden kann, kann ein Fortgang der zweiten Bohrung 8.2 beendet werden. Die Unterwasser-Bohrvorrichtung 10 kann dann zur Durchführung weiterer Bohrungen 8.3, 8.4, 8.5 und 8.6 wieder versetzt werden.
  • Dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist anschaulich zu entnehmen, dass es durch eine unmittelbare Analyse der Bohrkerne durch die Unterwasser-Bohrvorrichtung 10 ermöglicht wird, Bohrungen etwa bei Verlassen eines festgestellten Bodenschatzvorkommens 7 frühzeitig zu beenden, wie dies bei den Bohrungen 8.2, 8.3, 8.4 und 8.5 erfolgt ist. So kann insgesamt ein zeit- und damit kosteneffizientes Verfahren zum Feststellen unterseeischer Bodenschatzvorkommen 7 erfolgen.

Claims (10)

  1. Unterwasser-Bohrvorrichtung (10) zum Beschaffen und Analysieren von Bodenproben eines Gewässerbodens, mit
    - einem Grundrahmen (12), welcher zum Absenken in einem Gewässer und zum Aufstellen auf dem Gewässerboden (5) ausgebildet ist,
    - einem Bohrantrieb (20) zum drehenden Antreiben eines Bohrgestänges (30), welches aus rohrförmigen Bohrgestängeelementen (32) aufgebaut ist, wobei der Bohrantrieb (20) vertikal entlang einer Bohrachse (21) verfahrbar zwischen einer unteren Bohrlochöffnung (18) und einer oberen Rückstellposition gelagert ist,
    - einem ersten Lagerbereich (14) an dem Grundrahmen (12) zum Lagern der einzelnen rohrförmigen Bohrgestängeelemente (32) zum Aufbau des Bohrgestänges (30), wobei in den Bohrgestängeelementen (32) jeweils eine Aufnahme (34) für einen Bohrkern lösbar gehalten ist, und
    - einem zweiten Lagerbereich (15) an dem Grundrahmen (12) zum Lagern der Aufnahmen (34) mit den gewonnenen Bohrkernen als Bodenprobe,
    - einer Zuführeinrichtung (38), mit welcher einzelne Bohrgestängeelemente (32) von dem ersten Lagerbereich (14) zu der Bohrachse (21) zum Bilden des Bohrgestänges (30) zuführbar sind, und
    - einer Abführeinrichtung (40) zum Abführen einer Aufnahme (34) mit Bohrkern aus dem Bohrgestänge (30) und Ablegen an einem bestimmten Lagerplatz in dem zweiten Lagerbereich, dadurch gekennzeichnet,
    - dass mindestens eine Sensoreinrichtung (50) vorgesehen ist, welche zum Ermitteln zumindest einer physikalischen und/oder chemischen Eigenschaft des Bohrkerns ausgebildet ist, und
    - dass eine Datenverarbeitungseinrichtung (52) vorgesehen ist, welche zum Abspeichern von ermittelten Daten zu der mindestens einen physikalischen und/oder chemischen Eigenschaft des Bohrkernes und von Daten zu dem Lagerplatz des Bohrkernes in dem zweiten Lagerbereich (15) ausgebildet ist.
  2. Unterwasser-Bohrvorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass eine Datenübertragungseinheit vorgesehen ist, mit welcher die ermittelten Daten zu einer beabstandeten Zentrale übertragbar sind.
  3. Unterwasser-Bohrvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Datenverarbeitungseinrichtung (52) eine Auswerteeinheit aufweist, in welcher Entscheidungskriterien gespeichert sind und welche ausgelegt ist, basierend auf den abgespeicherten Entscheidungskriterien eine Entscheidung über einen Fortgang oder einen Abbruch der Bohrung zu treffen.
  4. Unterwasser-Bohrvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die mindestens eine Sensoreinrichtung (50) ringförmig und im Bereich oberhalb der Bohrlochöffnung (18) angeordnet ist.
  5. Unterwasser-Bohrvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Sensoreinrichtung (50) zur Messung einer Induktivität, elektrischen Leitfähigkeit, einer Kapazität und/oder weiterer physikalischer oder chemischer Größen ausgebildet ist.
  6. Unterwasser-Bohrvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Aufnahme (34) rohrförmig als ein Kernrohrfänger ausgebildet ist, welcher an seinem oberen Ende eine Verbindungseinrichtung (36) für die Abführeinrichtung (40) aufweist.
  7. Unterwasser-Bohrvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Abführeinrichtung (40) eine Winde (42) mit einem Hubseil (43) aufweist, an dessen freiem Ende eine Verriegelungseinrichtung (44) angeordnet ist, welche mit einer Verbindungseinrichtung (36) an der Aufnahme (34) für den Bohrkern zusammenwirkt.
  8. Unterwasser-Bohrvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Grundrahmen (12) über eine maritime Nabelschnur mit einem Versorgungsschiff verbunden ist.
  9. Verfahren zum Beschaffen und Analysieren von Bodenproben eines Gewässerbodens, insbesondere mit einer Unterwasser-Bohrvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welchem
    - eine Unterwasser-Bohrvorrichtung (10) mit einem Grundrahmen (12) in einem Gewässer abgesenkt und auf einem Gewässerboden (5) abgesetzt wird,
    - mit einem Bohrantrieb (20), welcher vertikal verfahrbar an dem Grundrahmen (12) gelagert ist, ein Bohrgestänge (30) bestehend aus mindestens einem rohrförmigen Bohrgestängeelement (32) in den Gewässerboden (5) in einem ersten Bohrschritt abgebohrt wird, wobei in einer Aufnahme (34) in dem rohrförmigen Bohrgestängeelement (32) ein Bohrkern gebildet und aufgenommen wird,
    - die Aufnahme (34) mit dem Bohrkern mittels einer Abführeinrichtung (40) aus dem Bohrgestänge (30) abgeführt und an einem Lagerplatz eines zweiten Lagerbereiches (15) an dem Grundrahmen (12) abgelegt wird, und
    - anschließend mindestens ein weiterer Bohrschritt durchgeführt wird, wobei mittels einer Zuführeinrichtung (38) ein weiteres Bohrgestängeelement (32) mit einer Aufnahme (34) für einen Bohrkern aus einem ersten Lagerbereich (14) dem Bohrgestänge (30) zugeführt und mit dem Bohrantrieb (20) ein weiteres Abbohren des Bohrgestänges (30) erfolgt,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass mittels mindestens einer Sensoreinrichtung (50) mindestens eine physikalische und/oder chemische Eigenschaft des Bohrkernes ermittelt wird, und
    - dass die dabei ermittelten Daten in einer Datenverarbeitungseinrichtung (52) zusammen mit den Daten zu dem Lagerplatz des Bohrkernes in dem zweiten Lagerbereich (15) abgespeichert werden.
  10. Verfahren nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass basierend auf den ermittelten Daten zu der mindestens einen physikalischen und/oder chemischen Eigenschaft des Bohrkernes eine Entscheidung über einen Fortgang oder einen Abbruch der Bohrung getroffen wird, während die Unterwasser-Bohrvorrichtung (10) sich weiterhin in dem Gewässer auf dem Gewässerboden (5) befindet.
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