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Die
Erfindung betrifft eine Bohrlochkernbohrvorrichtung, die in einen
Bohrstrang eingesetzt werden kann und die einen Kopfabschnitt, einen
Motor und eine Kerntrommel beinhaltet, welche eine mit dem Motor
verbundene äußere Trommel
und eine in die äußere Trommel
eingesetzte innere Trommel aufweist.
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Eine
derartige Kernbohrvorrichtung wird verwendet, um eine Bodenformationsmaterialprobe
zu erhalten.
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Bekannte
Gestaltungen (siehe beispielsweise
US
5,038,873 und WO 99/09294) verwenden eine Reihe von Rohren,
die als Bohrstrang bezeichnet werden, um ein Loch in eine Formation
zu bohren. Das untere Ende des Bohrstrangs ist mit einem Schneidmechanismus
versehen, der als Bohrkrone bezeichnet wird und der ein vertikales
mittiges Loch aufweist. Wenn eine Materialprobe der Formation benötigt wird,
wird der Bohrvorgang unterbrochen und eine einen Motor beinhaltende
Kernbohrvorrichtung wird im Inneren des Bohrstrangs abgesenkt und
am unteren Ende befestigt. Durch Hinunterpumpen von Fluid in den
Bohrstrang wird der Motor aktiviert und der Kernbohrvorgang durchgeführt.
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Kernbohrvorrichtungen
bestehen aus einer äußeren Trommel
mit einer am unteren Ende befindlichen Bohrkrone, die beim Rotieren
ein ringförmiges Loch
in die Formation schneidet. Die entstehende Gesteinssäule tritt
in ein inneres Rohr ein. Am Ende des Kernbohrvorgangs wird die aus äußerer und
innerer Trommel bestehende Baugruppe angehoben, um die Säule von
der Formation abzubrechen und sie zur Oberfläche anzuheben.
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Bei
einem ersten Aspekt der Erfindung weist der Motor der Kernbohrvorrichtung
einen mit der äußeren Trommel
verbundenen Rotor und einen mit dem Kopfabschnitt verbundenen Stator
auf, wobei der Rotor und der Stator bezüglich einander in Längsrichtung
des Bohrstrangs beweglich sind. Auf diese Weise kann sowohl eine
Drehbewegung als auch eine Bewegung in Längsrichtung bezüglich des Bohrstrangs
durchgeführt
werden, wodurch auf elegante Art und Weise die benötigte Schubkraft
geliefert wird, wobei dabei Platz eingespart wird, der andernfalls
für eine
separate Schuberzeugungseinrichtung benötigt würde.
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Eine
besonders nützliche
Weise zur Realisierung eines derartigen Motors besteht darin, einen Motor
vom Helixschraubentyp zu wählen,
der ein Gehäuse
und eine im Gehäuse
positionierte helixförmige
Achse aufweist, wobei die Achse in Längsrichtung bezüglich des
Gehäuses
bewegbar ist.
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Es
gibt mehrere Ausführungsformen,
die für die
Konstruktion der Kernbohrvorrichtung, die mit einem Motor vom Helixschraubentyp
versehen ist, geeignet sind, welche jeweils ihre eigene Funktion,
Vorteil und Nutzen haben. Diese Ausführungsformen werden nachfolgend
mit Bezug auf 6 erläutert.
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Vorzugsweise
ist die Bohrlochkernbohrvorrichtung der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass
ein Wälzlager
die innere Trommel mit der äußeren Trommel
verbindet, und dass die innere Trommel gleitend verschiebbar mit
einer Stange verbunden ist, die am Kopfabschnitt befestigt ist,
wobei die Stange mit einem in der inneren Trommel befindlichen Durchgangskanal
zusammenarbeitet, und die Stange und der Durchgangskanal so geformt
sind, dass verhindert wird, dass sich die innere Trommel dreht. Dies
schützt
in effektiver Weise den Kern, der nach und nach geschnitten wird.
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Bei
einem weiteren Aspekt der Erfindung ist auf der Oberseite der Kerntrommel
eine Kammer vorgesehen, welche die innere Trommel aufnimmt, wobei
die Kammer mit einem Ventil verschließbar ist. Dies bietet den Vorteil,
dass die Material probe, die in die innere Trommel aufgenommen wurde,
geschützt werden
kann und in der Kammer von der Umgebung sicher getrennt werden kann.
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Erneut
wird, um Platz einzusparen, bevorzugt, dass in der vollständig geöffneten
Position das Ventil sich hinter einer Schutzmuffe befindet, die
sich in einer anfänglichen
Position befindet. Das Ventil braucht nicht viel Platz zu belegen,
insbesondere bei der Ausführungsform,
bei der das Ventil eine gekrümmte
Platte mit einer Umfangsdichtung ist. Die Krümmung der Platte entspricht
dann der Krümmung der
Trommel und der Schutzmuffe, zwischen denen die Platte in der vollständig geöffneten
Position positioniert ist.
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Das
Ventil kann zuverlässig
betätigt
werden, wenn die Muffe mit Anhebekugeln versehen ist, so dass die
innere Trommel einen sich nach außen erstreckenden Rand aufweist,
der geeignet ist, mit den Kugeln zusammenzuarbeiten, um die Muffe
anzuheben, wenn die innere Trommel in die Kammer bewegt wird. Wenn
die Muffe weit genug angehoben wurde, wird ein Schließen des
Ventils nicht mehr verhindert, und dieses bewegt sich aus seiner
zur Wand der Trommel benachbarten geöffneten Position, d.h. vertikal,
in eine geschlossene horizontale Position. Diese Bewegung aus einer
vertikalen in eine horizontale Position kann durch eine Federwirkung
effektiv unterstützt
werden.
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Es
ist weiter erwünscht,
dass die Kammer mit einer Nut versehen ist, um die Anhebekugeln
aufzunehmen, sobald die Muffe in einer angehobenen Position platziert
ist, um der inneren Trommel zu ermöglichen, ihre Anhebebewegung
fortzusetzen, wobei dabei die Muffe freigegeben wird, so dass sie
in ihre anfängliche
Position zurückkehrt.
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Bei
noch einem weiteren Aspekt der Erfindung wird das Anheben der inneren
Trommel dadurch unterstützt,
dass die Stange mit einem Kolben versehen ist, der innerhalb der
inneren Trommel positioniert ist, und dass benachbart zum Kolben
die Stange einen Nutabschnitt aufweist, der die Wälzlagerkugeln
aufnimmt, die ein Teil des Wälzlagers
bilden, das die innere Trommel mit der äußeren Trommel ver bindet. Dieser
Aufbau erleichtert, dass sich, sobald eine vollständige Materialprobe
von der inneren Trommel aufgenommen wurde, der Kolben an der obersten
Position innerhalb der inneren Trommel befindet, derart, dass es
den Wälzlagerkugeln
des Wälzlagers,
das die innere Trommel mit der äußeren Trommel
verbindet, gestattet wird, ihre Verbindungsposition zu verlassen.
Dies ermöglicht
der inneren Trommel, sich in Längsrichtung
bezüglich
der äußeren Trommel
zu bewegen, so dass die innere Trommel schließlich die zuvor erwähnte Kammer
erreichen kann, in der die Materialprobe sicher geschützt werden
kann.
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Die
Erfindung betrifft weiter ein Kernbohrsystem, das wie zuvor erwähnt einen
Bohrstrang und eine Bohrlochkernbohrvorrichtung aufweist, wobei der
Bohrstrang von einem auf dem Meer schwimmenden Schiff herabhängt. Ein
derartiges System soll dazu dienen, Materialproben von Positionen
unterhalb des Meeresbodens zu nehmen.
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Das
Problem bei derartigen System besteht in der Notwendigkeit, auf
dem Meer schwimmende Schiffe zu nutzen, die sich demzufolge zusammen mit
der Tide und den Wellen auf und ab bewegen. Dies kann die Qualität der entnommenen
Materialprobe nachteilig beeinflussen, und um diese nachteiligen
Folgen zu verhindern, ist das Kernbohrsystem gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet,
dass ein Rahmen auf dem Meeresboden positioniert und fixiert ist,
der mit einer Rohrklemme für
den Bohrstrang versehen ist. Auf diese Weise kann der Bohrstrang
in effektiver Weise auf einer stabilen vertikalen Position ohne
eine Auf- und Abbewegung gehalten werden, die durch Bewegungen des
Schiffes bedingt ist, von dem der Bohrstrang herabhängt. Dieser Bohrstrang
kann auf diese Weise dadurch effektiver festgehalten werden, dass
der Rahmen durch Schwerkraft fixiert wird.
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Es
wird bevorzugt, dass die Rohrklemme durch hydraulische Stempel betätigbar ist,
die am Rahmen montiert sind und eine weitere bevorzugte Ausführungsform
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrklemme drehbare Klemmblöcke aufweist, die
zum Bohrstrang hin und von diesem weg bewegt werden können. Dies
ermöglicht, dass
der Bohrstrang gedreht werden kann, während seine Vertikalposition
auf dem gleichen Niveau gehalten wird.
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In
einigen Fällen
ist es erwünscht, über die Möglichkeit
zu verfügen,
den Bohrstrang absichtlich auf und ab zu bewegen. Zu diesem Zweck
wird bevorzugt, dass der Rahmen ein vertikales Hubsystem aufweist,
um die Rohrklemme in vertikaler Richtung zu bewegen.
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Die
Erfindung und ihre Aspekte werden nun weiter mit Bezug auf die Zeichnungen
erläutert,
welche nicht einschränkende
Ausführungsformen
des Systems und eine Bohrlochkernbohrvorrichtung gemäß der Erfindung
zeigt.
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In
den Zeichnungen sind:
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1 ein
schematisches Diagramm des Offshore-Kernbohrsystems;
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2 ein
am Meeresboden montiertes Stabilisierungssystem;
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3 die
Bohrlochkernbohrvorrichtung;
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4 Details
der Kernbohrvorrichtung zur Entnahme von druckbeaufschlagten Kernen;
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5 Details
des Systems, um den Kern unter Druck zu halten;
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6 einige Ausführungsformen des Motors und
der Schubeinrichtungskonfiguration der Kernbohrvorrichtung.
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1 zeigt
ein System, um ein Bohren von Bohrlöchern auf dem Meer durchzuführen. Das
Bohren wird von einem Schiff 1 aus durchgeführt, dass sich
bedingt durch die Wellen auf und ab bewegt. Ein Bohrstrang 2 sitzt
auf dem Boden 3 des gebohrten Loches 4 auf und
wird am oberen Ende durch ein auf dem Schiff befindliches Hebezeug
unter Zug gesetzt, das eine Konstantzugvorrichtung 5 beinhaltet,
die als Stampfschwingungskompensator bezeichnet wird.
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In
der Praxis ist der vom Stampfschwingungskompensator ausgeübte Zug
nicht konstant, und als Ergebnis ändert sich die Kraft, die durch
die Bohrkrone 6 auf die unterhalb des Lochbodens befindlichen
Sedimente ausgeübt
wird. Wenn in weiche oder bröcklige
Formationen gebohrt wird, überschreitet
die durch die Bohrkrone ausgeübte
Kraft häufig die
Tragfähigkeit
der Bodenformation. Als Ergebnis ist die Position der Bohrkrone
nicht stabil. Falls Werkzeuge, die in den Bohrstrang abgesenkt werden,
im Bohrloch betrieben werden, um Materialproben vom Boden des Loches
zu entnehmen, wird der Materialprobeentnahmeprozess durch den potentiellen
Mangel an Stabilität
der Bohrkrone gefährdet
und die Qualität
der Materialprobe wird negativ beeinflusst.
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Die
Erfindung stellt ein System bereit, um den Bohrstrang zu stabilisieren,
dadurch, dass dieser auf Meeresbodenniveau während dieser Bohrlochoperationen,
die eine vertikal stabilisierte Bohrkrone erfordern, festgeklemmt
wird. Zu diesem Zweck wird mit bekannten Einrichtungen ein Rahmen 7 am
Meeresboden platziert. Eine Rohrklemme 8 ist mit dem Rahmen
starr verbunden. Die Klemmeinrichtung wird vor der Bohrlochoperation
wie in 2 dargestellt durch hydraulische Stempel 11 aktiviert,
und danach erneut deaktiviert, um ein weiteres Bohren zu ermöglichen.
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Falls
der Bohrstrang während
der beabsichtigten Bohrlochoperation gedreht werden muss, wird die
in 2 dargestellte Ausführungsform des Rahmens 7 verwendet.
Die auf dem Meeresboden befindliche Bohrstrang-Klemmeinrichtung 8 ist
mit Drehklemmblöcken 10 versehen.
Falls auch der Bohrstrang auf und ab bewegt werden muss, um die Position
der Bohrkrone bezüglich
des Lochbodens anzupassen, wird ein vertikales Hubsystem zwischen der
Klemmeinrichtung 8 und dem Rahmen 7 platziert.
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Für den gleichen
Zweck können
alternative Klemm- und Hubsysteme verwendet werden.
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3 stellt
eine Übersichtsansicht
einer Kernbohrvorrichtung gemäß der Erfindung
dar, nachdem diese zum unteren Ende eines Bohrstrangs 2 abgesenkt
wurde.
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Übereinstimmend
zum Stand der Technik besteht die Kernbohrvorrichtung aus einem
Kopfabschnitt 19, einem Motor 17, einem Gleitverschiebungsmechanismus 18 und
einer Kerntrommel 20. Bei der Erfindung weist die Kerntrommel 20 eine äußere Trommel 21 auf,
die nach der Aktivierung des Motors gedreht wird, und eine innere
Trommel 22, die mit der äußeren Trommel mittels eines
Wälzlagers 24 verbunden
ist. Während
des Kernbohrprozesses schneidet die Bohrkrone 25 einen
Kern 23, der fortschreitend in die innere Trommel eintritt.
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Der
obere Kopfabschnitt 19 der Kernbohrvorrichtung weist einen
vergrößerten Abschnitt 13 auf,
der nach erfolgtem Aufsitzen auf der Aufsitzschulter 14 ruht,
die auf der Innenseite des Bohrstrangs 2 vorgesehen ist.
Nach dem Aufsitzen werden Klauen 15 in die im Bohrstrang
vorgesehenen vertikalen Nuten 16 hinein ausgefahren, um
eine Rotation des Kopfes der Kernbohrvorrichtung zu verhindern,
wenn das untere Ende durch einen Motor 17 gedreht wird.
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Der
Motor 17 wird verwendet, um die äußere Kerntrommel zu rotieren,
und der Gleichverschiebungsmechanismus 18 wird verwendet,
um die Kerntrommel während
des Kernbohrprozesses nach unten zu bewegen. Diese Abschnitte werden
später noch
erläutert.
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Bei
der praktischen Durchführung
des Kernbohrens ist es erforderlich, dass sich während des Kernbohrprozesses
die innere Trommel nicht dreht, um den Kern, der in die innere Trommel
eintritt, zu schützen.
Zu diesem Zweck ist die innere Trommel 22 mit der äußeren Trommel 21 durch
Verwendung eines Wälzlagers 24 verbunden.
Wenn die äußere Trommel 21 gedreht
wird, ermöglicht
das Wälzlager 24,
dass sich die innere Trommel 22 nicht dreht. Das Wälzlager 24 gewährleistet
auch, dass sich die innere Trommel 22 in Einheit mit der äußeren Trommel 21 nach
unten bewegt.
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Vor
und während
des Kernbohrprozesses wird das Innere der inneren Trommel 22 mit
Wasser gefüllt.
Um ein Eintreten des Kerns in die innere Trommel 22 zu
ermöglichen,
muss das Wasser verdrängt
werden. Während
des Kernbohrvorgangs wird Bohrfluid von der Oberfläche her
durch den Bohrstrang 2 hindurchgepumpt. Ein Teil dieses
Fluids wird zum Kreisringraum zwischen der äußeren Trommel 21 und
der inneren Trommel 22 gelenkt, um die Bohrkrone 25 zu
kühlen
und das ausgebohrte Material zu entfernen. Dieser Strömungsweg
erlaubt nicht immer ein unbehindertes Strömen, und das Fluid oberhalb der
inneren Trommel 22 kann dann mit einem oberhalb des Umgebungsdrucks
liegenden Druck ankommen. Dieser höhere Druck macht das Abführen von oberhalb
des Kerns befindlichem Wasser schwierig, und in extremen Fällen wird
das Wasser dazu gezwungen, durch den Kern hindurch in die Formation zu
strömen,
was einen korrekten Kernbohrvorgang verhindert.
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Der
Kernbohrprozess kann auch durch Trümmer oder Geröll vereitelt
werden, die auf dem Boden des Loches vorhanden sein können. Auch während des
Absenkens der in 3 dargestellten Kernbohrvorrichtung
durch den Bohrstrang 2 ist das Innere der inneren Trommel 22 zur
Umgebung hin offen und kann durch Fremdmaterial verunreinigt werden,
das in dem im Bohrstrang 2 befindlichen Fluid schwimmen
kann.
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Die
Vorrichtung der Erfindung verhindert eine Rotation der inneren Trommel 22,
hält einen übermäßigen Fluiddruck
entfernt von der Oberseite des Kerns und gewährleistet, dass das Innere
der inneren Trommel während
ihres Absenkens auf den Boden des Loches nicht verunreinigt wird.
Zu diesem Zweck ist die Kernbohrvorrichtung mit einer mittigen Stange
oder einem Rohr 30 versehen, die/das mit dem Kopfabschnitt
der Vorrichtung 19 verbunden ist. Das untere Ende 31 der
Stange ist mit einem Vieleckquerschnitt versehen, der durch eine
eine Gegenform bildende Öffnung 32 in
der Oberseite der inneren Trommel 22 eingesetzt ist. Es
sind weitere Konstruktionen möglich,
welche die innere Trommel in einer gleitend verschieblichen Weise
mit der mittigen Stange verbinden, um eine Rotation der inneren Trommel 22 formschlüssig zu
verhindern.
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Nachfolgend
wird Bezug genommen auf 4. Die Stange 30 ist
mit einem Kolben 33 ausgerüstet, der gegen das Innere
des inneren Kolbens 33 hin abdichtet. Dies gewährleistet,
dass der Kern jeglichem im Gebiet oberhalb des Kolbens 33 befind lichen
Fluid oder Druck nicht ausgesetzt ist. Vor dem Kernbohrprozess befindet
sich der Kolben 33 am unteren Ende 31 der inneren
Trommel 22 und schiebt während des Aufsetzens des Werkzeuges
Trümmer oder
Geröll,
die sich am Boden des Bohrloches befinden, zur Seite.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Bewahrung des Bohrloch-Fluiddruckes um den
Kern herum während
dessen Anheben zur Oberfläche.
Bei normalen Kernbohroperationen wird der Kern so zur Oberfläche gebracht,
dass der Druck um den Kern herum vom Druck im Bohrloch zu dem an
der Oberfläche
vorhandenen Atmosphärendruck
hin abnimmt. Dadurch bedingt ändern
sich verschiedene Eigenschaften des Kerns, was bestimmte Untersuchungen vereitelt.
Um den Bohrlochdruck aufrechtzuerhalten, ist es üblich, eine so genannte Druck-Kerntrommel zu verwenden.
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In
bestehenden Druck-Kerntrommeln wird ein dichtes Einschließen der
inneren Kerntrommel durch die Verwendung eines Kugelventils bewerkstelligt.
Dieses Ventil befindet sich am unteren Ende der äußeren Kerntrommel. Eine Folge
dieser Konstruktion besteht darin, dass die Gesamtwanddicke der
Kerntrommel groß ist
und es erforderlich macht, viel mehr Sedimentmaterial als bei einer
Kerntrommel wegzuschneiden, die kein Ventil am unteren Ende enthält. Dies
beeinflusst die Qualität
des herausgeschnittenen Kerns negativ.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung ist, um die Qualität des Kerns zu gewährleisten,
eine Kammer 34 oberhalb der Kerntrommel vorgesehen. Am unteren
Ende ist ein Ventil 35 positioniert. Zum Schutz ist das
Ventil 35 hinter einer Schutzmuffe 36 mit Anhebekugeln 41 am
unteren Ende platziert. Diese Muffe ist von einer Feder 37 umgeben.
Die Mittelstange ist an ihrem oberen Ende mit dem Einzugkopf 26 verbunden.
Der Einzugkopf ist mit einem System zur vorübergehenden Verriegelung am
Kopfabschnitt 19 gemäß bekannter
Technik versehen, um seine Position während des Kernbohrprozesses
zu gewährleisten.
Wenn mit einer Einzugvorrichtung bekannter Gestaltung eine nach
aufwärts
gerichtete Kraft auf den Einzugkopf aus geübt wird, wird die Verriegelung gelöst und die
Mittelstange 30 kann angehoben werden.
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Die
Mittelstange 30 beinhaltet eine Nut 38, deren
Position, nachdem ein vollständiger
Kernbohrhub erreicht wurde, mit dem Niveau der Wälzlagerkugeln 39 übereinstimmt,
welche die äußere Trommel 21 und
die innere Trommel 22 verbinden. Die innere Trommel ist
an ihrem unteren Ende mit einem Rand 42 versehen. Die Kammer 34 ist
mit einer Nut 40 versehen, welche Raum für die Anhebekugeln 41 bietet.
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Beim
Ventil 35 kann es sich beispielsweise um ein Kugelventil
oder um eine rotierbare ebene kreisförmige Platte handeln. Bei einer
in 5 dargestellten bevorzugten Ausführungsform
ist die Platte eine der Krümmung
der Kerntrommel folgende gekrümmte
Platte 44 mit einer Umfangsdichtung 45, die nach
dem Schließen
mit einem konischen Sitz zusammenarbeitet.
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Die
Funktionsweise ist wie folgt. Nachdem das Schneiden des Kerns erfolgt
ist, wird der Oberteil der inneren Trommel 22 derart positioniert,
dass die Lagerkugeln 39 in die an der Mittelstange 30 befindliche
Nut 38 zurückweichen
können,
wodurch die Verbindung zwischen der inneren 22 und der äußeren Trommel 21 gelöst wird.
Wenn nun die Mittelstange 30 durch eine aufwärts gerichtete
Zugkraft auf den Einzugkopf 26 angehoben wird, erfolgt
eine Aufwärtsbewegung
der inneren Trommel 22 bis der Rand 42 mit den
Anhebekugeln 41 zusammenarbeitet. Durch eine weitere Aufwärtsbewegung
wird die Schutzmuffe 36 angehoben, wodurch die Ventilplatte 35 freigegeben
wird, die sich dann schließen
kann. Um die Schließbewegung
zu unterstützen,
ist das Ventil an der Rückseite
mit einer Feder 47 versehen (siehe 5). Nachdem
ein weiteres Anheben der Muffe 36 erfolgt ist, können die
Kugeln 41, welche die Muffe 36 mit der sich bewegenden
inneren Trommel 22 verbinden, in eine Nut 40 zurückweichen,
und die Muffe 36 behält
ihre Position bei. Nachdem die untere Kante der inneren Trommel 22 bis über die
Position der Anhebekugeln 41 angehoben wurde, bewegt sich
die Muffe 36, unterstützt
durch die Wirkung der Feder 37, nach unten, derart, dass
sie auf der Rückseite
der Ventilplat te 35 zur Auflage kommt und dazu beiträgt, diese
in der geschlossenen Position zu halten.
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Es
können
alternative Verfahren zum Anheben der inneren Stange verwendet werden,
wie beispielsweise hydraulische Stellantriebe.
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Der
Vorteil dieses Aufbaus besteht darin, dass das Ventil 35 nicht
in der tatsächlichen
Kerntrommel platziert wird, sondern oberhalb dieser Trommel, und
nicht in die tatsächlich
einem Kernbohrvorgang unterzogene Formation eingebettet werden braucht.
Außerdem
besteht das Ventil 35 aus einer gekrümmten Platte, so dass der durch
das Ventil 35 in der geöffneten
Position eingenommene Raum minimiert wird, derart, dass das Verhältnis zwischen
dem Durchmesser des Kerns und dem Außendurchmesser des Werkzeugs
größer als
bei bestehenden Werkzeugen ist.
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Nachfolgend
Bezug nehmend auf 3 sei angemerkt, dass bei Kernbohrvorrichtungen
die Rotation durch einen Motor 17 bewirkt wird, der auf
der Oberseite der Kerntrommel platziert ist und der durch ein Fluid
angetrieben wird, das von der Oberfläche her durch den Bohrstrang 2 gepumpt
wird. Die Reaktionskraft zu dem durch den Motor 17 erzeugten Drehmoment
wird durch Verriegeln des stationären Teils des Motors am Bohrstrang 2 bereitgestellt.
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Bestehende
Kernbohrvorrichtungen verwenden einen Bohrlochmotor 17,
in dem der Rotor und der Stator mittels Axial- und Radiallagern
axial verbunden sind. Um eine Abwärtsbewegung der Kerntrommel 20 während des
Kernbohrprozesses zu ermöglichen,
wird eine separate Gleitverschiebungsmechanismuseinheit 18 zwischen
dem Motor 17 und der Kerntrommel 20, oder zwischen
dem Motor 17 und dem Kopf 19 der Kernbohrvorrichtung
platziert. Ein weiteres erforderliches Merkmal ist ein Mechanismus
zum Ausüben
einer abwärts
gerichteten Schubkraft auf die Kernbohrkrone. Der Druck der durch
den Gleitverschiebungs-/Schubkraftmechanismus strömenden Fluide
bewirkt eine nach unten gerichtete Schubkraft auf die Kernbohrkrone 25,
die benötigt wird,
um die Schneidwirkung zu bewerkstelligen.
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Beim
Stand der Technik führen
die Montage des Motors, der Gleitverschiebungs- und des Schuberzeugungsmechanismus
zu einer komplizierten Montage. Die Erfindung vereinfacht diese
Dinge.
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Bei
der Erfindung ist es dem Rotor und dem Stator gestattet, sich in
Längsrichtung
zueinander zu bewegen.
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Weiter
sind bei der Erfindung der Motor 17 und der Gleitverschiebungs/Schuberzeugungsmechanismus
kombiniert, wie mit Bezug auf 6 erläutert.
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6.1 zeigt eine erste Ausführungsform. Der Motor ist ein
Motor vom Helixschraubentyp, der sich dreht, wenn ein Fluid durch
die Öffnung
zwischen dem äußeren Motorgehäuse und
dem inneren Motorteil getrieben wird. Bei dieser Ausführungsform können sich
der äußere 100 und
der innere Motorteil 101 axial bezüglich zueinander bewegen. Das äußere Motorgehäuse 100 ist
mit der äußeren Kerntrommel 21 verbunden
und verfügt über eine
Abdichtung 103 gegen die Innenseite des Strangrohrs. Das
innere Motorteil ist mit dem Kopf der Vorrichtung verbunden, derart,
dass dessen Rotation durch die Verriegelungsklauen 15 verhindert
wird. Die Verbindung zwischen dem inneren Motorteil 101 und
dem Kopf 19 beinhaltet einen flexiblen Schaft 104 bekannter
Konstruktion, der ermöglicht,
dass sich das innere Motorteil im inneren des äußeren Gehäuses dreht, wie dies bei einem
Helixschraubenmotor erforderlich ist.
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Wenn
ein Fluid den Bohrstrang hinabgepumpt wird, wird es dazu gezwungen,
durch den Motor hindurchzuströmen,
was eine Drehwirkung zur Folge hat. Der Strom tritt aus dem Motor
durch ein Loch 105 in den nicht unter Druck stehenden Raum im
Bohrstrang aus. Bedingt durch den Aufbau des Motors ist der Druck
am Auslass des Motors beträchtlich
niedriger als an der Oberseite des Motors. Der Fluiddruck oberhalb
des äußeren Gehäuses übt eine
nach unten gerichtete Schubkraft auf die Oberseite des äußeren Gehäuses aus,
wodurch das äußere Gehäuse und
die mit die sem verbundene äußere Kerntrommel
nach unten getrieben wird, wodurch eine Schubkraft auf die Kernbohrkrone
erzeugt wird.
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Um
die Schubbewegung aus dem äußeren Gehäuse heraus
zu begrenzen, kann das Kolbensystem wie dargestellt in 3 oder
eine andere Verlängerung
am inneren Motorteil oder der Mittelstange verwendet werden. Während des
Absenk- und Aufsetzvorgangs kann das äußere Motorgehäuse mit dem
Kopf 19 unter Verwendung von druckbetätigten Freigabemechanismen
des Standes der Technik verbunden werden.
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6.2 zeigt eine zweite Ausführungsform, bei der das äußere Gehäuse 110 mit
dem Kopf 19 verbunden ist und das innere Motorteil 111 mit
der äußeren Kerntrommel 21 mittels
eines flexiblen Schaftes 104 verbunden ist. Das äußere Gehäuse verfügt über eine
Abdichtung 113 gegen die Innenseite des Strangrohrs.
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Für gewisse
Gesteinsformationen ist eine Regelung der Abwärtsschubkraft in Abhängigkeit vom
Formationstyp erforderlich, sowie auch des zum Drehen der Kernbohrkrone
erforderlichen Drehmoments. Für
gewisse Formationen muss die Abwärtsschubkraft,
die durch den Fluiddruck auf das axial bewegliche Teil erzeugt wird,
abgeschwächt
werden. Bei anderen Formationen ist es vorteilhaft, wenn die abwärts gerichtete
Schubkraft in umgekehrter Beziehung zum Drehmoment steht. Dafür kann eine
weitere Ausführungsform
wie dargestellt in 6.3 oder 6.4 oder 6.5 verwendet werden.
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6.3 zeigt eine Weiterentwicklung des in 6.1 dargestellten Motors. Das Motorgehäuse 110 erstreckt
sich mit einem zylindrischen Rohr 120 nach oben. Die Verbindung
zwischen dem Kopf 19 und dem inneren Motorteil 101 ist
mit einem zylindrischen Teil 121 verlängert. Das Teil 121 ist
mit einem Abdichtungselement 122 an seinem oberen Ende versehen,
derart, dass eine verschlossene Kammer 124 ausgebildet
wird. Das Strangrohr ist an der Position des Kopfes 19 dicht
verschlossen und Fluid wird durch im Kopf befindliche Kanäle 123 zu
dieser Kammer 124 geführt.
Wenn Fluid zugeführt
wird, wirkt dessen Druck nach unten gegen das Mo torteil, was eine
abwärts
gerichtete Schubkraft erzeugt, und wirkt nach oben gegen das Abdichtungselement 122,
wodurch ein Teil oder die Gesamtheit der Abwärtsschubkraft aufgehoben wird.
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Bei
der in 6.4 dargestellten Ausführungsform
ist das äußere Gehäuse des
Motors 110 an seinem oberen Teil mit dem Kopf 19 der
Vorrichtung verbunden. Das innere Motorteil 111 ist an
seinem unteren Ende mit der Kerntrommel 101 über einen
flexiblen Schaft 104 verbunden. Das äußere Gehäuse weist ein Loch 114 am
oberen Ende auf und beinhaltet eine Dichtung 113, die gegen
die Innenseite des Bohrstrangs abdichtet. Zwischen dem flexiblen
Schaft 104 und der äußeren Trommel 102 wird eine
Kammer 135 durch einen an der Verlängerungswelle 131 angebrachten
Kolben 130 und den Verlängerungszylinder 133 des äußeren Gehäuses mit
einem Zylinderkopfstück 134 an
dessen unterem Ende erzeugt. Fluid wird aus der Kammer 125 durch
das Innere des inneren Motorteils geleitet und tritt in die zuvor
erwähnte
Kammer 135 aus. Die Kammer 135 ist mit einem nach
außen
führenden
Loch 136 versehen. Dieses Loch wirkt als Drossel, die der
Strömung in
Beziehung zur Geschwindigkeit der Abwärtsbewegung des Kolbens 130 bezüglich des
Zylinders 133 einen Widerstand bietet, was einen erhöhten Druck
in der Kammer 135 bewirkt. Dieser Druck bewirkt eine Aufwärtsschubkraft
auf den Kolben 130. Auf diese Weise wirkt die Baugruppe 130 bis 136 als
Umkehrschubeinrichtung.
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In
einigen Fällen
ist es vorteilhaft, dass die Umkehrschubeinrichtung lediglich in
Aktion tritt, nachdem ein Schwellendruck in der Kammer 135 erreicht
wurde. Zu diesem Zweck ist ein Druckabsenkungsventil 137 in
dem von der Kammer 125 zur Kammer 135 führenden
Kanal angeordnet.
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Durch
Auswahl der geeigneten Spezifikationen für das Druckabsenkungsventil 137 und
die Öffnung 136 kann
der Druck in der Pufferkammer 135 in Abhängigkeit
vom Druck oberhalb des Motors und der Vorschubgeschwindigkeit der
Kerntrommel verändert
werden, derart, dass der Schubkraft, die durch die über den
Motor bestehende Druckdifferenz erzeugt wird, durch die in der Pufferkammer
erzeugte Kraft entgegengewirkt wird.
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6.5 zeigt noch ein weiteres Verfahren einer Erzeugung
einer Umkehrschubkraft als Weiterentwicklung der in 6.2 dargestellten Ausführungsform. Zu diesem Zweck
ist das äußere Gehäuse mit
einem Zylinderrohr 140 verlängert. Das innere Motorteil
erstreckt sich mit einer Stange 141 mit einem Kolbenkopf 12 an
seinem Oberteil nach oben. Dieser Kolben bewirkt eine Abdichtung
gegen die Verlängerung 140,
wodurch eine geschlossene Kammer 143 erzeugt wird. Ein
den Motor antreibender Fluiddruck übt auf das innere Teil einen
abwärts
gerichteten Schub aus, der dann durch die Aufwärtsschubkraft gegen den Kolben 142 teilweise
oder vollständig
aufgehoben wird.
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Die
in den 6.3 bis 6.5 dargestellten Ausführungsformen
können
separat oder in Kombination verwendet werden. Durch Auswählen der
korrekten Abmessungen der Pufferkammern, der Druckabsenkungsventile
und der Drosseleinrichtungen kann eine beliebige Beziehung zwischen
Schubkraft, Motordrehmoment und Vorschubgeschwindigkeit erzeugt
werden.
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Weitere
Fluidkanäle
sind vorgesehen, um das Fluid durch die Mittelstange 115 zu
leiten, um für ein
Spülen
der Kernbohrkrone zu sorgen. Auch kann das Fluid durch den Kreisringraum
zwischen dem inneren Motorteil und der Mittelstange zu dem zuvor
erläuterten
Zweck fließen.