Kernbohrwerkzeug für Gesteinsbohrungen

Die Erfindung betrifft ein Kernbohrwerkzeug für Gesteinsbohrungen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Bei einem aus der DE-A-29 53 873 bekannten Werkzeug ist die Kernvorrichtung über ein Universalgelenk mit dem Stator eines bohrspülungsgetriebenen Motors, der nach dem Moineau Prinzip arbeitet, verbunden. Die Kernvorrichtung ist fest eingebaut, so daß ein erbohrter Kern erst nach einem Aufholen des Werkzeugs zur Bohrplattform und nachfolgender Demontage gewonnen werden kann. Der bei diesem Werkzeug im Stator vorhandene zentrale Durchgang für Bohrspülung bildet einen Bypass zu den Arbeitskammern des Motors und dient dazu, dem Innenraum der Kernvorrichtung Bohrspüllung vor Beginn des Bohrvorganges ohne Inbetriebsetzen des Motors zuzuführen.

Aus den US-A-3,055,440 und US-A-3951 219 ist außerdem ein Kernbohrwerkzeug bekannt, das mit einer Turbine angetrieben wird und bei dem ein Kernrohreinsatz durch einen zentralen Durchgang in der Turbine mittels einer Fangvorrichtung bei ansonsten eingebautem Bohrwerkzeug zur Bohrplattform heraufgeholt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kernbohrwerkzeug zu schaffen, das bei Verwendung eines Bohrspülungsmotors mit einem schneckenförmig verzahnten Rotor und einem entsprechenden Stator nach dem Moineau-Prinzip zum Antrieb der Bohrkrone die Gewinnung von Kernen durch gesondertes Ziehen der Kernvorrichtung ermoglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Ausgestaltung des Kernbohrwerkzeugs gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch die Bemessung des zentralen Durchganges des Schaftes im Vergleich zum Aussendurchmesser der Kernvorrichtung läßt sich die Kernvorrichtung bei Bedarf durch den Schaft hindurch nach oben ziehen oder von oben nach unten in die Betriebsposition einführen. Diese Eingenschaft ermöglicht auch den Einsatz des Kernbohrwerkzeugs bei der Gewinnung mehrerer Kerne aus demselben Bohrloch einer unverrohrten Meeresgrundbohrung von einer schwimmenden Bohrplattform aus. Die Auslegung des Innendurchmessers des hohlen Stators sowie des Verbindungsgliedes unter Berücksichtigung des Außendurchmessers des Kernrohres sowie der Exzentrizität des Motors ermöglicht dem Stator, die durch die Rotor- und Statorgeometrie bedingte exzentrische Bewegung zu beschreiben, ohne dabei mit dem Kernrohr in Berührung zu kommen und dessen zentrale Lage zu beeinträchtigen. Die Rastvorrichtung gewährleistet die automatische axiale Fixierung des ringförmigen Spalts zwischend er Bohrkrone und der stirnseitigen Begrenzung des Innenrohres, nachdem dieses durch Schwerkraft oder mit zusätzlicher Unterstützung der Bohrspülungspumpen in die Betriebslage gelangt ist. Durch die Dichtungen zwischen dem Kernrohrausßenmantel und der Schaftinnenwand wird ein Spülungsdurchtritt durch den Innenraum des Stators verhindert, so daß der gesamte Bohrspülungsstrom den Weg über den Arbeitsraum des Motors zu nehmen hat.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 6. In der Nachstehenden Beschreibung ist in Verbindung mit der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel des Gegenstands der Erfindung dargestellt.

Das Kernbohrwerkzeug umfaßt einen Schaft 1, der über eine Gewindehülse 2 mit einem nichtdargestellten Bohrstrang verbindbar ist. Auf dem Schaft 1 ist mittels einer Lageranordnung 3 ein Außenrohr 4 drehbar gelagert, das am unteren Ende einen Kernbohrmeißel oder eine Kernbohrkrone 5 trägt. Der Schaft 1 weist einen zentralen Durchgang 6 mit dem Innendurchmesser d1 auf und ist am unteren Ende über eine Gewindeverbindung 7 mit einer als Verbindungsglied dienenden dünnwandigen, flexiblen Hülse 8 verbunden. An diese Hülse schließt sich über eine weitere Gewindeverbindung 9 der hohle Stator 10 eines bohrspülungsgetriebenen Motors 11 an. Der Rotor 12 dieses Motors befindet sich auf der Innenseite des Außenrohres 4. Rotor 12 und Stator 10 sind mit einer schneckenförmigen Verzahnung versehen und stehen unter Bildung eines Arbeitsraumes 47 miteinander in Eingriff. Der Motor arbeitet nach dem sogenannten Moineau-Prinzip. Wird bei einem solchen Motor einer der beiden Teile in seiner radialen Position fixiert, so vollführt der andere Teil eine exzentrische Bahn. Da im vorliegenden Fall der Rotor 12 durch die Lagerung des Aussenrohres 4 mittels der Lageranordnung 3 radial fixiert ist, muß der Stator 10 diese Bahn beschreiben. Die entsprechende radiale Verlagerung gegenüber dem Schaft 1 unter gleichzeitiger Verhinderung einer Rotationsbewegung wird durch die flexible dünnwandige Hülse 8 ermöglicht.

Der Durchmesser d2 des Stators 10 sowie der flexiblen dünnwandigen Hülse 8 ist um den Wert der Exzentrizität e des Motors 11 größer als der Durchmesser d1 des zentralen Durchganges 6 im Schaft 1. Dadurch wird erreicht, daß der Durchmesser der Einhüllenden der exzentrischen Bewegung des Stators 10 etwa den gleichen Durchmesser d3 aufweist, wie der zentrale Durchgang 6 des Schaftes 1 mit dem Durchmesser d1.

Innerhalb des zentralen Durchganges 6 des Schaftes 1 sowie des von der flexiblen Hülse 8, dem Rotor 12 und dem unteren Teil des Aussenrohrs 4 gebildeten Innenraum ist eine Kernvorrichtung 13 angeordnet. Die Kernvorrichtung 13 umfaß ein Innenrohr 14, dessen untere stirnseitige Begrenzung 15 unter Bildung eines Spalts 16 für den Durchtritt von Bohrsprülung sich an einen nach innen erstreckenden Absatz 17 der Kernbohrkrone 5 anschließt. Zur axialen Fixierung der Kernvorrichtung 13 dient eine Rastvorrichtung 18. Diese besteht aus einem im Durchmesser abgesetzten zylindrischen Körper 19, der mit seiner Stirnfläche 20 gegen eine Stirnfläche 21 eines ebenfalls im Durchmesser abgesetzten Schaftbereichs 22 des zentralen Durchgangs 6 im Schaft 1 zur Anlage kommt sowie auf dem Umfang um die Zentralachse herum gleichmäßig verteilten Rastfingern 23, die mit Ansätzen 24 in eine umlaufende Nut 25 des zentralen Durchgangs 6 eingreifen und gegen die Stirnfläche 27 der Nut zur Anlage kommen. Wird die Kernvorrichtung zum Einführen in das Kernbohrwerkzeug abgesenkt oder herabgepumpt, so werden die Rastfinger 23 durch die Wandungen des Spülungsraums im Bohrgestänge sowie des zentralen Durchgangs 6 des Kernbohrwerkzeugs solange zusammengedrückt bis die Kernvorrichtung 13 die in der Zeichnung dargestellte Position erreicht hat und die Rastfinger 23 sicht mit ihren Ansätzen 24 in die umlaufende Nut 25 aufspreizen können. An ihrem oberen Ende sind die Rastfinger 23 als segmentierter Fangdorn 27 ausgebildet und können mit einer Hülse eines Fangwerkzeugs übergriffen und durch Zusammendrücken aus der Ras in der umlaufenden Nut 25 gelöst werden. Die Kernvorrichtung 13 kann dann mittels eines Drahtseils durch den Motor 11, die flexible dünwandige Hülse 8, den Schaft 1 sowie das übrige Bohrgestänge zur Bohrplattform heraufgeholt werden.

Das Innenrohr 14 der Kernvorrichtung 13 ist mit der Rastvorrichtung 18 durch ein Drehlager 28 gekoppelt. Dieses Drehlager 28 ermöglicht eine Relativdrehung zwischen dem Innenrohr 14 gegenüber dem Schaft 1, wenn das Innenrohr 14 durch einen hineingewachsenen Kern blockiert ist, das Gestänge und damit der Schaft 1 aber mitgedreht werden soll. Eine Relativdrehung innerhalb der Rastvorrichtung 18, die zu einem vorzeitigen Verschleiß der Rastelemente führen könnte, wird dadurch vermieden.

Das Innenrohr 14 trägt am oberen Ende eine Rückschlagventilvorrichtung 29, bestehend aus einer zentralen Bohrung 30, einer zum Verschließen der zentralen Bohrung 30 dienenden Kugel 31 sowie Radialbohrungen 32. Die Rückschlagventilvorrichtung 29 führt einen Bohrspülungsausgleich zwischen dem Innenraum des Innenrohrs 14 und einem Raum herbei, der zwischen dem Innenrohr 14 und dem Innenraum der flexiblen dünnwandigen Hülse 8 sowie des Stators 10 her. Dieser Raum steht mit dem unterhalb des Motors gelegenen Ringraum 44 in Verbindung. Die Rückschlagventilvorrichtung 29 verhindert, daß Bohrsprülung ständig das Innenrohr 14 von oben nach unten durchströmt und dabei den Kern auswäscht. Umgekehrt ermöglicht es aber der von dem in das Innenrohr 14 hineinwachsenden Kern verdrängten Bohrspülung aus dem Innenrohr 14 auszutreten. Im Bereich unterhalb des Rotors 12 ist das Aussenrohr 4 mit Zentrierhülsen 33 versehen, die das Innenrohr 14 zentrieren und stabilisieren. Diese Zentrierhülsen 33 weisen axiale Bohrspülungskanäle 34 auf.

Zwischen der unteren Zentrierhülse 33 und der Kernbohrkrone 5 ist ein Flutungsventil 35 angeordnet und zwischen Distanzkörpern 36 axial verspannt. Das Flutungsventil 35 weist einen ersten unteren, sich konusförmig von unten nach oben erweiternden Bereich 37, einen zweiten mittleren zylindrischen Bereich 38, einen dritten Übergangsbereich 39 auf einem kleineren Durchmesser mit abgerundeten Übergängen von der Stirnfläche zum Mantelfläche eines sich anschließenden vierten zylindrischen Bereich 40, einen Übergang auf einen weiteren kleineren Durchmesser sowie einen fünften, sich konusförmig von unten nach oben erweiternden Bereich 41 auf. Die Bedeutung des Flutungsventils 35 besteht darin, beim Ziehen der Kernvorrichtung 13 das Bohrklein, das in der durch die Kernbohrkrone 5 in das Kernbohrwerkzeug hinein-und aufwärtsströmende Bohrspülung enthalten ist, zu verwirbeln und an der weiteren Mitnahme und einem eventuellen Eindringen in den Motor 11 zu hindern. Die Verwirbelung erfolg durch das Vorbeiströmen der Bohrspülung an den entsprechend ausgestalteten Bereichen 37 bis 41 des Flutungsventils 35.

Das erfindungsgemäße Kernbohrwerkzeug kann mit oder ohne Kernvorrichtung 13 in ein Bohrloch oder auf den Meeresgrund abgesenkt werden. Wird es ohne Kernvorrichtung 13 abgesenkt, so wird nach Erreichen der Bohrlochsohle bzw. des Meeresgrundes die Kernvorrichtung 13 in den Strang eingelassen und durch Schwerkraft oder mittels Unterstützung der Bohrspülungspumpen eingefahren. Da während dieses Vorganges die im Strömungskanal des Bohrgestänges sowie im zentralen Durchgang 6 des Schaftes 1 befindliche Bohrspülung ungehindert durch die Kernbohrkrone 5 austreten kann, wird der Motor 11 nicht in Bewegung gesetzt. Sobald die Kernvorrichtung 13 seine Betriebsstellung erreicht hat, in der die Stirnfläche 20 des zylindrischen Körpers 19 mit der Stirnfläche 21 im Rastbereich 22 des Schaftes 1 zur Anlage kommt, rasten die Ansätze 24 auf den Rastfingern 23 hinter einer Stirnfläche 26 der umlaufenden Nut 25 ein und fixieren die Kernvorrichtung 13 axial. Gleichzeitig wird mittels einer Dichtung 42 auf dem zylindrischen Körper 19 der Strömungsweg durch die flexible dünnwandige Hülse 8 und den Stator 10 unterbrochen. Die bohrspülung gelangt nunmehr über Einlaßkanäle 43 innerhalb des Schaftes in einen zwischen dem Schaft 1 und der flexiblen dünnwandigen Hülse 8 einerseits und dem Aussenrohr 4 anderer seits gebildeten Ringraum. Dieser ist im oberen Bereich durch die Lageranordnung 3 abgeschlossen und geht im unteren Bereich in den Arbeitsraum 47 des bohrspülungsgetriebenen Motors 11 über. Wird der Zufluß von Bohrspülung aufrechterhalten, so durchströmt die Bohrspülung den Arbeitsraum 47 unter Relativdrehung des Rotors 12 gegenüber dem Stator 10 und gelangt in den Ringraum 44, der zwischen dem Aussenrohr 4 und dem Innenrohr 14 des Kernrohrs 13 gebildet ist. Von dort aus fließt die Bohrspülung weiter durch axiale Bohrspülungskanäle 34 in den Zentrierhülsen 33 und durch das Flutungsventil 35 in Richtung der Kernbohrkrone 5 und tritt schließlich durch den zwischen der stirnseitigen Begrenzung 15 des Innenrohrs 14 und des Absatzes 17 der Kernbohrkrone 5 gebildeten Spalt 16 aus der Kernbohrkrone 5 aus. Mit zunehmendem Bohrfortschritt tritt der erbohrte Gesteinskern in das Innenrohr 14 ein und verdrängt die in dem Innenrohr 14 befindliche Bohrspülung, die über die Rückschlagventilvorrichtung 29 in den zwischen dem Innenrohr 14 und der flexiblen dünnwandigen Hülse 8 und dem Stator 10 gebildeten Ringraum aus.

Soll der erbohrte Kern gezogen werden, so wird über den Spülungskanal des Bohrgestänges und den zentralen Durchgang 6 des Schaftes 1 ein an einem Drahtseil befindliches Fangwerkzeug abwärts gepumpt, das bei Erreichen des Fangdorns 27 diesen unter Einwärtsdrücken der Rastfinger 23 übergreift und die Rastvorrichtung 18 löst. Wird mittels des Seils nunmehr am Kernrohr gezogen, so dringen im unteren Bereich des Innenrohrs 14 befindliche Kernfedern 45 in den erbohrten Kern ein und trennen ihn bei weiterem Ziehen von dem Gesteinssockel. Die Kernvorrichtung 13 kann nunmehr nach oben gezogen und der erbohrte Kern untersucht werden. Der Kernbohrvorgang kann danach mit einer weiteren Kernvorrichtung 13 oder nach Entnahme des Kerns mit derselben Kernvorrichtung 13 fortgesetzt werden, nachdem diese wie bereits beschrieben in das Kernbohrwerkzeug eingefügt wurde. Statt einer vollständig gleichartigen Kernvorrichtung 13 kann auch eine solche verwen der werden, bei der das Innenrohr 14 an einer gewindeverbindung 46 von dem Drehlager 28 und der Rastvorrichtung 18 abgeschraubt wurde und die letztgenannten Teile mit einem neuen Innenrohr 14 zusammegefügt wurden.