DE1220357B - Abriebskontrolle durch radioaktive Markierung - Google Patents

Description

• Abriebskontrolle durch radioaktive Markierung Die Erfindung bezieht sich auf die Markierung von Werkzeugen und Geräten für Tiefbohrungen mit radioaktiven Leitsubstanzen zur Anzeige des kritischen Abriebs.
• Bei den für geologische und technische Tiefbohrungen verwendeten Bohrwerkzeugen wie Rollen- und Diamantmeißeln, Bohrturbinen, Bohrkronen, Nachräumern ist es notwendig, mit einem hohen Grad an Sicherheit zu erkennen, wann der Abrieb an diesen hochbeanspruchten Werkzeugen und Geräten einen bestimmten, höchstzulässigen Wert erreicht hat. So führt beispielsweise bei Rollenmeißeln ein übermäßiger Verschleiß der Rollenlager, die einer sehr hohen abrasiven Belastung ausgesetzt sind, zum Schlagen der Rollen, was schließlich zur Zerstörung des Bohrkopfes führen kann. Umfangreiche und kostspielige Such- und Fangarbeiten sind die Folge. Übermäßiger Verschleiß der Nachräumer und Glätter ergibt schlecht kalibrierte Bohrlöcher und erfordert damit zeitraubende Nacharbeit.
• Bei der Beurteilung der höchstzulässigen Standzeiten solcher Werkzeuge und Geräte ist man heute auf Erfahrung und Gefühl angewiesen. Daher stellt es sich fast stets beim Aufholen der Werkzeuge, was besonders bei sehr tiefen Bohrungen einen beträchtlichen Zeit- und damit Kostenaufwand bedingt, heraus, daß entweder das Werkzeug noch viel länger hätte eingesetzt bleiben können oder aber daß das Werkzeug wegen des gefährlich fortgeschrittenen Verschleißes schon längst hätte ersetzt werden müssen.
• Es ist schon vorgeschlagen worden, Bohrwerkzeuge für Tiefbohrungen zum Erkennen des höchstzulässigen Abriebs mit Bohrungen zu versehen, in die eine radioaktive Leitsubstanz eingebracht wird, und die Bohrungen so zu verschließen, daß sie angeschnitten werden, sobald der höchstzulässige Materialabtrag erreicht ist, worauf die radioaktive Leitsubstanz in die umlaufende Spülung gelangt, mit ihr an die Oberfläche getragen wird und hier ein Meß- und Anzeigegerät zum Ansprechen bringt. Es wurde ferner schon vorgeschlagen, zusätzlich zur Leitsubstanz in die hierfür vorgesehenen Bohrungen ein Treibmittel einzubringen, das sich bei Berührung mit der Spülflüssigkeit unter Gasentwicklung zersetzt und die Leitsubstanz aus der Bohrung austreibt. Ebenso wurde vorgeschlagen, das Treibmittel selbst radioaktiv zu markieren, beispielsweise als Treibmittel Natriumamid mit Stickstoff-13 oder Tritium, Alanate oder Boranate mit Tritium, Kohlendioxyd mit Kohlenstoff 14 oder Carbide mit Kohlenstoff-14 zu verwenden. Auch die Verwendung Wasserlöslicher radioaktiver Leitsubstanzen wurde schon angeregt, beispielsweise von Chloriden mit Chlor-36 oder auch mit radioaktiven Kationen-42, Natrium-24 und Caesium-134.
• Für den praktischen Bohrbetrieb konnten sich die bisher bekannten Verfahren nicht durchsetzen. Die Verwendung löslicher Leitsubstanzen verbietet sich wegen der damit verbundenen Kontamination der Spülflüssigkeit, die auf alle Fälle vermieden werden muß. Ionogene Leitsubstanzen belasten die Verfahren mit einem großen Unsicherheitsfaktor, da sie durch Ionenaustauch und andere Abfangwirkungen bereits im Bohrloch zurückgehalten werden können. Bei einer großen Zahl der für die Markierung vorgeschlagenen Leitsubstanzen handelt es sich im übrigen um y-Strahler, die auf keinen Fall ins Bohrloch gelangen dürfen, da sie die während der Bohrung vorzunehmende Messung der natürlichen Radioaktivität sehr erschweren.
• Soweit die bisher vorgeschlagenen ß-Strahler für die Markierung von Bohrwerkzeugen nicht schon aus einem der vorstehend angeführten Gründe ausscheiden, wie beispielsweise das ionogene Chlor-36, handelt es sich hierbei entweder um schwer zugängliche Stoffe wie Kohlenstoff 14, die für den praktischen Einsatz zu teuer sind, oder um Stoffe mit zu kurzer Halbwertszeit wie Stickstoff-13, oder aber um sehr weiche ß-Strahler, wie Tritium, deren Nachweis einen großen Aufwand an empfindlichen Meßgeräten verlangt, die dem rauhen Betrieb auf Bohrstellen nicht gewachsen sind.
• Es wurde nun gefunden, daß eine zuverlässige Anzeige des Erreichens des kritischen Abriebs mittels radioaktiver Markierung bei Tiefbohrwerkzeugen möglich ist, wenn als radioaktive Leitsubstanz gemäß der Erfindung Krypton-85 verwendet Wird. Es ist zweckmäßig, diese Leitsubstanz in Form einer Einschlußverbindung einzusetzen. -Mit besonderem -Vorteil, wird Krypton-85 in Form seines Chlathräts mit Üydrochinon verwendet.
• Die Leitsubstanz wird in bekannter Weise in Bohrungen eingebracht, die so in das Werkstück gelegt sind, daß sie beim Erreichen des kritischen Abriebs angeschnitten werden.
• Bei Bohrlöchern von größerer Tiefe als etwa 300 m genügt der Eigendruck des aus der Einschlußverbindung freigesetzten Gases im allgemeinen nicht mehr, um dieses gegen den Druck der überstehenden Flüssigkeitssäule aus der Markierungsbohrung auszutreiben. Wird das Gas als solches in die Bohrung eingebracht, so kann der Druck ebenfalls nicht beliebig erhöht werden, da dem durch zunehmende Dichtungsschwierigkeiten Grenzen gesetzt sind.
• In diesem Fall ist es zweckmäßig, in der Markierungsbohrung außer der Leitsubstanz ein Treibmittel vorzusehen, das bei Berührung mit der Spülflüssigkeit unter Gasentwicklung zersetzt wird. Hierfür eignen sich beispielsweise Gemische aus wasserlöslichen Säuren und Carbonaten, Ferner können Alkalimetalle wie Natrium oder Kalium verwendet werden. Mit besonderem Vorteil werden Hydride, insbesondere Lithium- und Calciumhydrid, verwendet; da diese, bezogen auf das eingebrachte Feststöffvolumen, eine besonders hohe Gasausbeute ergeben.
• Die Figuren. zeigen Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung.
• F i g. 1 zeigt einen Horizontalschnitt durch einen erfindungsgemäß markierten Glätter; F i g. 2 zeigt zwei Ausführungsmöglichkeiten der Markierung an einem Rollenmeißel. DieMarkierungsbohrung l enthält die Leitsubstanz2 und gegebenenfalls das Treibmittel 3. Sie ist durch einen geeigneten Verschluß 5, beispielsweise eine vernietete Schraube oder einen Schrumpfverschluß, gasdicht verschlossen. Mit 4 sind die abriebgefährdeten Flächen des markierten Werkzeugs bezeichnet. Die stehenbleibende Materialstärke zwischen der Bohrung 1 und der abriebgefährdeten Fläche 4 ist entsprechend dem höchstzulässigen Abrieb bemessen. Sobald durch den Abtrag der Fläche 4 so viel Material abgetragen ist, daß die Bohrung 1 angeschnitten wird, dringt die Spülflüssigkeit in die Bohrung 1 ein, und die Leitsubstanz 2 tritt aus, wird von der Spülflüssigkeit an die Oberfläche getragen und kann hier mit bekannten Zählgeräten festgestellt werden, wobei über das Zählgerät durch Verbindung mit bekannten Einrichtungen eine Anzeige, ein Alarm oder ein Ausschalter betätigt werden kann.
• Bei hohem Außendruck, wie er bei Bohrungen in großer Tiefe stets herrscht, wird der Austritt der Leitsubstanz 2 durch das Treibmittel 3 unterstützt, das durch Reaktion mit der eingedrungenen Spülflüssigkeit Gas entwickelt, welches die Leitsubstanz 2 aus der Bohrung 1 preßt.
• Bei Geräten und Werkzeugen, an denen für die Markierungsbohrung viel Material zur Verfügung steht, beispielsweise bei Glättern, kann die Leitsubstanz gegebenenfalls zusammen mit dem Treibmittel auch in einer größeren Kapsel verschlossen in die Bohrung eingesetzt werden. In diesem Fall braucht die Markierung nicht vom Hersteller vorgenommen zu werden. Es genügt, an dem zu markierenden Teil die Bohrung vorzusehen, in die die Kapsel unmittelbar vor dem Gebrauch eingesetzt wird. . Bäispiel ' Die praktische -Erprobung des erfindüngsgemäßei Verfahrens fand auf einer B6histelle in einer Versuchs reihe statt. Die Ergebnisse eines typischen Versuchs sinc im folgenden beschrieben.
• 1. Daten der Bohrung Kernbohrung mit Diamantkrone. Teufe: 2345,3 bis 2363,3 m. Vetrohrung bis 2250 m.
• Lochdurchmesser in der Versuchsteufe : 216 mm, Gebirge: Übergang von Zechstein zu Carbon (Sandstein- und Tonschieferschichten). Spülung: - Ton-Salzspülung; -Gesamtmenge 80 m3. Umlaufgeschwindigkeit der Spülung: 82 Minuten pro Umlauf.
• Durchfiußmenge der Spülung: - 1 m3 pro Minute. Bohrlast auf Sohle: 5 bis 7 t.
• Drehzahl des Bohrgestänges: 120 U/min. Anordnung des Bohrgestänges von: unten nach oben: Diamantkrone, Kernrohr, Glätter, zwölf Schwerstangen, der Rest normale Bohrstangen. 2. Versuchsausführung In die drei Rippen des Glätters wurden Messingkapseln in geeignete Sacklöcher so eingesetzt, daß sich die oberen Kapselspitzen 1 mm unter der Rippenoberfläche befanden. Innen ausge@ bohrte Schrauben nahmen den Oberteil der Kapseln auf und hielten sie im Sackloch fest. Die über die Rippenoberflächen hervorstehenden Schraubenteile wurden bündig mit der Qberfläche abgefeilt. Die Messingkapseln besaßen eine Wandstärke von 1 mm, eine Gesamtlänge von 30 mm und im vorderen, 20 mm langen Teil einen Durchmesser von 5,6 mm, im hinteren als Verschluß ausgebildeten Teil einen Durchmesser von 9 mm. Im vorderen zur Rippenoberfläche gerichteten Teil enthielt die Kapsel etwa 100 mCi Krpyton-85 als Hydrochinonclathrat (= 40 mg), darunter befanden sich 150 mg LiH, die bei völligem Umsatz mit Wasser genügten, um in dem 0,5 cm3 großen Kapselvolumen bei 100°C einen Druck von 1100 atm zu erzeugen. Die Kapsel war am Ende verschlossen mit einem konischen Bleipfropfen, der durch eine Madenschraube in die Kapsel hineingepreßt wurde. Kalt härtender Kunststoff füllte den Schraubensitz, so daß beim Eindrehen der Schraube die Gewindegänge gegen Gasaustritt abgedichtet wurden. Nachdem sich die Glätterippen während des Bohrbetriebes um 1,5 bis 2 mm abgerieben hatten und dadurch auch die Kapselspitze geöffnet worden war, drang Spülung in das Kapselinnere ein, löste das Clathrat und erzeugte mit dem Treibmittel zusammen Wasserstoff, der das Krypton-85 in die nach oben steigende Spülung verdrängte. In dieser verteilte es sich so, d'aß ein Drittel der Gesamtkrpytonmenge im ersten Kubikmeter, der Rest mit abnehmender Konzentration in den übrigen 9 m3 von insgesamt 10 m3 enthalten war. Unmittelbar hinter dem Spültrichter befand sich ein auf einem Schwimmer montiertes Großflächenzählrohr von 260 cm2. Der Nulleffekt der Meßanordnung aus Zählrohr, Kathodenfolger, Kabel und Ratemeter betrug 600 Impulse pro Minute. Ergebnis Nach der Perforierung der ersten Kapsel durch den Abrieb im Gebirge erfolgte eine erste Anzeige von 3,4 - 104 Impulsen pro Minute. Nach dem ersten Umlauf (82 Minuten) ging die Anzeige auf 4 - 103, nach dem zweiten Umlauf auf 1,2 - 10$ Impulse pro Minute zurück, wobei keine wesentliche Ausweitung der Vermischung mit der Spülung beobachtet wurde. Der Versuch zeigt, daß zu einer Alarmauslösung schon 10 mCi ausreichen, entsprechend einer Anzeige vom 5fachen Nulleffekt. Außerdem ist zu erkennen, daß die Aktivität nach weiteren drei bis vier Umläufen sicher unter 10/0 des ersten Anzeigewertes abgesunken ist, weitere Anzeigen also nicht gestört werden.

Claims (4)

1. Patentansprüche: 1. Verwendung von Krypton-85 als radioaktive Leitsubstanz zur Anzeige des höchstzulässigen Abriebs an Werkzeugen und Geräten für Tiefbohrungen.
2. 2. Ausführungsform nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Krypton-85 in Form einer Einschlußverbindung verwendet wird.
3. 3. Ausführungsform nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Krypton-85 als Clathrat mit Hydrochinon verwendet wird.
4. 4. Ausführungsform nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Treibmittel Lithiumhydrid verwendet wird.