Verfahren und Kernbohrwerkzeug zum Abteufen von Bohrungen in unterirdische Gesteinsformationen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein kern­bohrwerkzeug zum Abteufen von Bohrungen in unterirdische Gesteinsformationen unter Gewinnung von Bohrkernen als Gesteinsproben gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 8.

Bei bekannten Verfahren dieser Art (US-A-4 518 050, DE-­C-37 01 914), die auf einen optimalen Kerngewinn ausgerich­tet sind, folgen die Hauptbohrlochabschnitte in ihrem Ver­lauf den als Pilotbohrung vorausgebohrten Kernbohrlochab­schnitten, wobei der jeweilige Kernbohrlochabschnitt durch das als Drehbohrkrone ausgebildete Hauptbohrwerkzeug auf den Nenndurchmesser des Hauptbohrwerkzeugs aufgebohrt wird. Hat das Hauptbohrwerkzeug im Zuge dieses Aufbohrens die Sohle des Kernbohrlochabschnitts erreicht, wird das Haupt­bohrwerkzeug stillgesetzt und ein nächster Kernbohrlochab­schnitt unter Kerngewinnung erbohrt, wobei sich die Länge des Kernbohrlochabschnitts nach den Möglichkeiten der je­weils zum Einsatz kommenden Werkzeugkonstruktion richtet und bei einer Ausbildung nach der DE-U-88 10 844 sehr be­trächtlich sein kann.

Die Kernbohreinheit ist im Außengehäuse des Kernbohrwerk­zeugs mittels einer Drehsicherungs- und Führungsvorrichtung koaxial geführt mit der Folge, daß beim Bohren eines Kern­ bohrlochabschnitts das Kernrohr der Kernbohreinheit koaxial aus dem Außengehäuse austritt. Das Außengehäuse des Kern­bohrwerkzeugs gibt dementsprechend die Vorschubrichtung für das Kernrohr vor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Kernbohrwerkzeug der eingangs genannten Art zu schaffen, durch die ein erweiterter Aufschluß über Boden­formationen durch Gewinnung von Bohrkernen als Gesteins­proben möglich ist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und durch ein Kernbohrwerkzeug gemäß Anspruch 8. Hinsichtlich wesentlicher weiterer Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf die Ansprüche 2 bis 7 und des erfindungsgemäßen Kernbohrwerkzeugs auf die An­sprüche 9 bis 20 verwiesen.

Die Erfindung schafft ein Richtkernbohrverfahren und ein Richtkernbohrwerkzeug, durch die einer Kernbohrung ein vorbestimmter Richtungsverlauf vorgegeben werden kann, der gezielt von einem in der Regel annähernd senkrechten Verlauf herkömmlicher Kernbohrungen abweicht. Außer der Vorgabe eines durch Ablenkungen vorbestimmten Verlaufs einer Kernbohrung ist es erfindungsgemäß auch möglich, von einer Sohle eines Hauptbohrlochabschnitts in verschie­dene Richtungen ausgehende Kernbohrlochabschnitte zu er­bohren und dementsprechend eine Mehrzahl von Kernen zu gewinnen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung des erfindungsge­mäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Kernbohrwerk­zeugs, das in mehreren Ausführungen beispielsweise in der Zeichnung schematisch näher veranschaulicht ist. In der Zeichnung zeigen:

• Fig. 1 einen abgebrochenen Vertikalschnitt durch das Außengehäuse eines auf der Sohle eines Haupt­bohrlochabschnitts angeordneten Kernbohrwerkzeugs mit in Ausgangsstellung für einen Kernbohrvorgang befindlicher Kernbohreinheit,
• Fig. 2 eine Darstellung ähnlich Fig. 1 zur Veranschau­lichung des Kernbohrwerkzeugs mit einem in diesem anstelle der Kernbohreinheit angeordneten Führungsdorn,
• Fig. 3 eine Darstellung ähnlich Fig. 2 zur Veranschaulichung des Kernbohrwerkzeugs mit einem in diesem anstelle der Kernbohreinheit angeordneten Volldrehbohrwerkzeug,
• Fig. 4 eine Schnittdarstellung ähnlich Fig. 1 zur Veranschaulichung einer abgewandelten Ausführung eines Kernbohrwerkzeugs nach der Erfindung, und
• Fig. 5 eine Darstellung des Kernbohrwerkzeugs nach Fig. 4 beim Nachbohren eines Hauptbohrlochab­schnitts unter Führung durch das in einem voraus­gebohrten Kernbohrlochabschnitt befindliche Kernrohr der Kernbohreinheit.

Das in Fig. 1 und 2 in vereinfachter Ausführung veranschau­lichte Kernbohrwerkzeug umfaßt im einzelnen ein Außengehäuse 1, das mit seinem nicht näher veranschaulichten oberen Ende mit einem Bohrrohrstrang verbindbar ist und an seinem unteren Ende eine Bohrkrone 2 als Hauptbohrwerkzeug trägt. Ferner umfaßt das Kernbohrwerkzeug eine im Außengehäuse 1 abgestützte, mit einem Tieflochmotor 3 versehene Kernbohr­einheit 4, die als Ganzes mittels eines Seils 5 aufzieh­und einfahrbar ist und einen oberen Teil 6 aufweist, der im Außengehäuse 1 mittels einer von einem axialen Vielkeil­profilteil gebildeten Drehsicherungs- und Führungsvorrich­tung 7 axial verschiebbar geführt und gegen Verdrehen ge­sichert ist. Dabei ist der obere Teil 6 der Kernbohreinheit mit Reaktionsflächen 8 zur Erzeugung einer axial abwärts gerichteten Vorschubkraft versehen. Für die nähere Ausge­staltung eines derartigen Kernbohrwerkzeugs kann auf die DE-C-37 01 914 verwiesen werden.

Die Kernbohreinheit 4 umfaßt einen unteren Teil, der ein vom Tieflochmotor 3 angetriebenes Kernrohr 10 mit einer an dessen unteren Ende angeordneten Kernbohrkrone 11 als Kernbohrwerkzeug sowie ein im Kernrohr 10 mittels einer Lagervorrichtung 12 frei drehbar angeordnetes Innenrohr 13 zur Aufnahme eines erbohrten Kerns aufweist. Mit der Abtriebswelle 14 des Tieflochmotors 3 ist das Kernrohr 10 an seinem oberen Ende über ein rohrförmiges flexibles Verbindungsteil 15 verbunden, an dessen Stelle auch eine Gelenkwelle od.dgl. Verbindungsvorrichtung vorgesehen werden kann.

Im unteren Bereich des Außengehäuses 1 ist ein Führungskör­per 16 mit einer Führungsfläche 17 für das Kernrohr 10 vorgesehen, die eine Führungsachse 18 definiert, die mit der Hauptachse 19 des Außengehäuses 1 einen spitzen Winkel 20 einschließt. Der Führungskörper 16 ist bei der Ausführung nach den Fig. 1 bis 3 als außenseitigzylindrischer Rohrkör­per ausgebildet und als Einbauteil im Außengehäuse 1 ver­drehfest angeordnet, z.B. mittels einer nicht dargestellten Paßfeder gesichert. Statt dessen kann der Führungskörper, wie das bei dem Führungskörper 22 der Ausführung nach Fig. 4 und 5 der Fall ist, als außenseitigzylindrischer Rohrab­schnitt ausgeführt sein und Bestandteil der Wandung des Außengehäuses 1 bilden. Der Führungskörper 16 kann als aufzieh- und in das Außengehäuse 1 einfahrbarer, lediglich in Betriebsstellung gegen Verdrehen im Außengehäuse 1 ge­sicherter Einbauteil ausgebildet sein, so daß die Möglich­keit zu einer unterschiedlichen Orientierung relativ zum Außengehäuse 1 und zum Austausch eines Führungskörpers gegen einen anderen mit unterschiedlicher Winkelausrichtung der Führungsachse 18, die in Grenzfall auch parallel zur Hauptachse 19 des Außengehäuses 1 verlaufen kann, gegeben ist. Dabei können der Führungskörper 16 und die Führungs­und Drehsicherungsvorrichtung 7 für den oberen Teil 6 der Kernbohreinheit 4 zu einer aufzieh- und in die Betriebs­stellung im Außengehäuse 1 einfahrbaren Baueinheit zusam­mengefaßt sein, z.B. über nicht näher veranschaulichte axiale Distanzstücke. In der Regel wird jedoch ein als Einbauteil ausgebildeter Führungskörper 16 im Außengehäuse 1 ein nicht nur gegen Verdrehen, sondern auch gegen verti­kale Verlagerungen gesichertes Teil bilden.

Der Führungskörper 16 bzw. 22 weist eine geneigt zylin­drische, von einer durchgehenden, geneigt angeordneten Führungsbohrung gebildete Führungsfläche 17 auf und kann mit einem oberen trichterförmigen Einlauf 23 zur Führungs­fläche 17 versehen sein.

Die Kernbohreinheit 4 nimmt, wie das Fig. 1 veranschaulicht, in ihrer Ausgangsstellung eine Lage ein, in der sich das Kernrohr 10 in die Führungsbohrung des Führungskörpers 16 hineinerstreckt und eine entsprechende Schrägneigung erhält. Zum Bohren eines Kernbohrlochabschnitts wird aus­gehend von der Stellung nach Fig. 1 nunmehr die Kernbohrein­heit 4 unter Führung entlang der Drehsicherungsund Führungs­vorrichtung 7 im Außengehäuse 1 abgesenkt und ein von der Sohle 24 eines Hauptbohrlochabschnitts ausgehender Kernbohr­lochabschnitt 26 erbohrt, der eine dem Winkel 20 entsprech­ende Richtungsvorgabe gegenüber der Ausrichtung des Außen­gehäuses 1 des Kernbohrwerkzeugs hat. Bei lediglich zur Orientationsänderung verdrehter Stellung des Außengehäuses 1 im Hauptbohrlochabschnitt 25 können von ein und derselben Bohrlochsohle 24 aus mehrere, in unterschiedliche Richtungen verlaufende Kernbohrlochabschnitte 26 erbohrt werden, um das Formationsumfeld zu erkunden.

Im Anschluß an das Bohren eines Kernbohrlochabschnitts 26 unter Gewinnung eines Kerns im Innenrohr 13 wird die Kernbohreinheit 4 am Seil 5 aufgezogen und der Kern ober­tägig entnommen. Zum Nachbohren des Hauptbohrlochabschnitts 25 entlang dem vorausgebohrten Kernbohrlochabschnitt 26 kann nun ein seinerseits mittels eines Seils 27 aufzieh­und in eine Betriebsstellung im Außengehäuse 1 einfahrbarer Führungsdorn 28 im Außengehäuse 1 abgesetzt werden, der einen oberen, in die Drehsicherungs und Führungsvorrichtung 7 des Außengehäuses 1 einsetzbaren Stützteil 29 sowie einen durch den Führungskörper 16 hindurch abwärts vor­stehenden Dornteil 30 mit Pilotspitze 31 aufweist. Beide Teile 29,30 sind dabei durch einen flexiblen Zwischenverbin­dungsteil 32 verbunden, der dem Dornteil 30 den Eintritt in den Führungskörper 16 und die schräg geneigte Ausrichtung in diesem ermöglicht. Nach Einführen des Führungsdorns 28 in seine in Fig. 2 veranschaulichte Betriebsstellung, in der er gegen Verdrehen gesichert ist, wird das Außenge­häuse 1 mit Hauptbohrwerkzeug 2 über den Bohrrohrstrang von Übertage her in Umdrehung versetzt und ein Hauptbohr­lochabschnitt 25 entlang dem vorausgebohrten Kernbohrloch­abschnitt 26 gebohrt, wobei der Kernbohrlochabschnitt 26 in dem nachfolgenden Hauptbohrlochabschnitt 25 aufgeht. Sobald der Hauptbohrlochabschnitt 25 fertiggebohrt ist, wird der Führungsdorn 28 wieder aufgezogen und im Außenge­häuse 1 die Kernbohreinheit 4 abgesetzt, wonach ein er­neuter Kernbohrabschnitt 26 erbohrt werden kann. Durch Verdrehen des Außengehäuses 1 bei Vorliegen einer ge­wünschten Ausrichtung der Achse 18 des Führungskörpers 16 bzw. 22 wird die Richtung des nachfolgend zu erbohrenden Kernbohrlochabschnitts vorgegeben.

Anstelle der Verwendung eines Führungsdorns 28 kann für das Nachbohren eines Hauptbohrlochabschnitts 25 auch ein aufzieh- und in eine Betriebstellung im Außengehäuse 1 einfahrbares Vollbohrwerkzeug 33 im Außengehäuse 1 abgesetzt werden, das einen oberen, in Betriebsstellung mit der Dreh­sicherungs- und Führungsvorrichtung 7 des Außengehäuses 1 in Eingriff stehenden, rohrförmigen Stützgehäuseteil 34 mit darin angeordnetem Tieflochmotor sowie einen unteren, in den Führungskörper 16 eingreifenden Lagergehäuseteil 35 umfaßt, in dem eine Meißelwelle 37 gelagert ist, die auf ihrem aus dem Lagergehäuseteil 35 vorstehenden und aus dem Führungskörper 16 sowie dem Außengehäuse 1 vorsprin­genden Ende ein Volldrehbohrwerkzeug 36 trägt. Dabei ist zwischen dem Stützgehäuseteil 34 und dem Lagergehäuseteil 35 ein flexibler Zwischengehäuseteil 38 vorgesehen, der dem Lagergehäuseteil 35 die dargestellte schräggeneigte Ausrichtung durch den Führungskörper 16 ermöglicht. Das Vollbohrwerkzeug 36 ist über eine Fangvorrichtung 39 am oberen Ende des Stützteils 34 handhabbar und kann irgend­einen geeigneten Volldrehbohrmeißel 36 aufweisen, der zum einen eine seitliche Führung im vorgebohrten Kernbohrlochab­schnitt 26 erhält, zum anderen jedoch auch ein Nachbohren des Kernbohrlochabschnitts 26 ermöglicht.

Die Ausführung nach Fig. 4 und 5 entspricht prinzipiell der nach Fig. 1, jedoch mit dem Unterschied, daß der Führungskörper 22 als rohrförmiger Bestandteil der Wandung des Außengehäuses 1 ausgebildet ist. Anstelle einer einheit­lichen Drehsicherungs- und Führungsvorrichtung 7 ist eine zweigeteilte Ausführung vorgesehen, und das Außengehäuse 1 umfaßt einen Drehsicherungsabschnitt 40 und einen Führungsabschnitt 41. Der obere Teil 6 der Kern­bohreinheit 4 umfaßt ein oben offenes, aus antimagnetischem Material bestehendes rohrförmiges Gehäuse 42, das in seiner Betriebsstellung mit dem Drehsicherungsabschnitt 40 der zweigeteilten Drehsicherungs und Führungsvorrichtung 40,41 in Eingriff steht und als Aufnahme für ein absetzbares Orientierungssteuergerät 43 ausgebildet ist. Das Orientie­rungssteuergerät 43 ist dabei mittels eines Seils 44 geson­dert aufzieh- und einfahrbar. In seiner Betriebsstellung nimmt es innerhalb des Gehäuses 42 eine beispielsweise durch eine Paßfeder verdrehgesicherte Ausrichtung ein, die von übertage her abgefragt werden kann und Aufschluß über die Ausrichtung der Führungsachse 18 des Führungskör­pers 22 des Außengehäuses 1 vermittelt. Auf diese Weise kann von übertage her über den Bohrrohrstrang das Außenge­häuse 1 so verdreht werden, daß die Ausrichtung der Führungsachse 18 die gewünschte Richtung für das Kernbohr­einheit 4 vorgibt. Das Gehäuse 42 des oberen Teils 6 der Kernbohreinheit 4 setzt sich nach unten hin in einem Träger­abschnitt fort, der aus einem Lagerteil 45, einem innenlie­genden Stator 46 des Tieflochmotors 3 und einem flexiblen Verbindungsteil 47 besteht, auf dessen unteren Zapfenteil 48 das Innenrohr 13 der Kernbohreinheit 4 festgelegt ist. Das Kernrohr 10 ist über einen rohrförmigen flexiblen Zwischenteil 49 mit dem Rotor 50 des Tieflochmotors 3 ver­bunden, der mit einer rohrförmigen oberen Verlängerung 51 über eine Lagervorrichtung 52 auf dem Lagerteil 45 frei drehbar gelagert ist.

Das mit dem Kernbohrwerkzeug nach Fig. 4 und 5 durchführbare Richtbohrverfahren entspricht dem, wie es in Verbindung mit dem Kernbohrwerkzeug nach Fig. 1 bis 3 beschrieben wurde. Nachdem durch Verdrehen und Festsetzen von Übertage her dem Außengehäuse 1 eine für die Richtung des zu bohren­den Kernbohrlochabschnitts 26 entsprechende Ausrichtung erteilt wurde, wird das Orientierungssteuergerät 43 aufge­zogen und der Kernbohrvorgang durchgeführt. Zum Nachbohren eines Hauptbohrlochabschnitts 25 wird dann entlang der als Führungsmittel dienenden Kernbohreinheit 4 das Außenge­häuse 1 mit seinem Hauptbohrwerkzeug 2 unter Antrieb durch den Bohrrohrstrang abwärts vorgetrieben. Damit das Kernbohr­werkzeug 11 durch das Hauptbohrwerkzeug 2 nicht versehent­lich überbohrt wird, kann im Außengehäuse 1 ein gesondert aufzieh- und in eine Betriebsstellung absetzbarer Ventilkör­per 53 vorgesehen sein, der bei relativer Abwärtsbewegung des Außengehäuses 1 zum Gehäuse 42 des oberen Teils 6 der Kernbohreinheit 4 mit diesem in Dichtungseingriff gelangt und den Bohrspülungsstrom durch das Gehäuse 42 sperrt. Dadurch tritt eine Druckerhöhung ein, die obertägig gemessen und als Anzeichen dafür verwendet werden kann, daß das Hauptbohrwerkzeug 2 einen vorgegebenen Abstand zum Kernbohr­werkzeug 11 erreicht hat.