VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUM ENTNEHMEN VON KERNPROBEN AUS SEDIMENTFORMATIONEN |
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| 申请号 | EP16155791.3 | 申请日 | 2016-02-16 | 公开(公告)号 | EP3059384B1 | 公开(公告)日 | 2018-06-06 |
| 申请人 | innogy SE; | 发明人 | HERWIG, Volker; BARTMINN, Daniel; | ||||
| 摘要 | |||||||
| 权利要求 | |||||||
| 说明书全文 | Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Entnehmen von Kernproben aus Sedimentformationen mit einem Trägerwerkzeug sowie mit einem an dem Trägerwerkzeug angebrachten Probenaufnahmegehäuse, das einen Probenaufnahmeraum begrenzt und das eine Schneidgeometrie oder einen Schneidschuh an einem führenden Ende umfasst. Zur Entnahme von Bodenproben aus einem Baugrund sind sogenannte Stechzylinder bekannt, die als Trägerwerkzeug ein Gestänge und einen an dem Gestänge befestigten, dünnwandigen Stahlzylinder umfassen, der mit einem führenden Schneidschuh in den Baugrund eingetrieben wird. Dabei dringt die zu entnehmende Bodenprobe in den von dem Stahlzylinder umschlossenen Hohlraum ein. Wird der Stahlzylinder gezogen, befindet sich die sogenannte Kernprobe oder Sondenprobe in dem von dem Stahlzylinder umschlossenen Hohlraum und verbleibt dort aufgrund der Bindigkeit des gezogenen Sediments. Der Stahlzylinder ist abnehmbar an dem Trägerwerkzeug, beispielsweise an einem Gestänge, angebracht. Unmittelbar nach Entnahme der Sondenprobe aus dem Baugrund wird der Stahlzylinder von dem Trägerwerkzeug getrennt und mit einer oder mehreren Gummikappen luftdicht verschlossen. Weiterhin sind Vorrichtungen zum Entnehmen von Kernproben aus Erdformationen bekannt, die beispielsweise am führenden Ende eines Bohrgestänges befestigt werden. Eine solche Vorrichtung zum Entnehmen von Kernproben aus Erdformationen, die von einem zylindrischen Bohrloch durchteuft sind, ist beispielsweise aus der Bei der Gründung von Offshore-Windparks oder Offshore-Ölförderanlagen oder aber auch bei der Gründung von Onshore-Bauwerken, bei denen metallene Gründungsstrukturen in den Baugrund eingetrieben werden, kann es zur bakteriellen anaeroben Korrosion der im Baugrund befindlichen Metallstrukturen kommen. Bakterielle anaerobe Korrosion ist eine durch Bakterien indirekt induzierte Oxidation von Metallen. Insbesondere im feuchten Milieu und bei Anwesenheit von Schwefelbakterien im Baugrund kann es vorkommen, dass die in den Baugrund eingebrachten Strukturen sich teilweise zersetzen. Dieses Problem tritt häufig bei im Erdreich verlegten Einsenrohren, Stahlspundwänden, Öltanks oder Pfählen von Gründungsstrukturen im Meeresuntergrund auf. Für die Zwecke einer Baugrunderkundung wäre es daher sinnvoll und wünschenswert, eine luft- und druckdichte Probenentnahme durchführen zu können, sodass die entnommene Probe zuverlässig auf deren bakterielle Zusammensetzung untersucht werden kann. Eine solche druck- und luftdichte Probennahme aus Sedimentformationen ist auch aus anderen Gesichtspunkten wünschenswert und vorteilhaft. Wie eingangs bereits erwähnt, werden bislang Bodenproben mit sogenannten Stechzylindern entnommen, wobei bei der Entnahme grundsätzlich darauf geachtet wird, dass die Kernprobe hinsichtlich des entnommenen Gefüges intakt und repräsentativ ist. Auch wird durch einen Luftabschluss des Probenbehälters unmittelbar nach der Probenentnahme in der Regel sichergestellt, dass die Probe im Wesentlichen ungestört in ein Labor gelangt. Ein bekanntes Verfahren zur Bodenprobenentnahme ist beispielsweise in der DIN 4021 beschrieben. Dieses Verfahren ist allerdings mit dem Nachteil behaftet, dass eine Isolierung der Probe gemäß ihres ursprünglichen Umgebungsmilieus damit kaum möglich ist, da der luft- und druckdichte Abschluss der Probe erst nach der Entnahme aus der betreffenden Sedimentformation gewährleistet wird. Eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Entnehmen von Kernproben aus Sedimentformationen ist beispielsweise aus der Weiterer Stand der Technik ist den Dokumenten Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Entnehmen von Kernproben aus Sedimentformationen bereitzustellen, welche diesem Problem Rechnung tragen. Die Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung gemäß den nebengeordneten Vorrichtungsansprüchen sowie mit einem Verfahren gemäß Anspruch 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich jeweils aus den Unteransprüchen. Ein Gesichtspunkt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Entnehmen von Kernproben aus Sedimentformationen mit einem Trägerwerkzeug sowie mit einem an dem Trägerwerkzeug angebrachten Probenaufnahmegehäuse, das einen Probenaufnahmeraum begrenzt und das eine Schneidgeometrie oder einen Schneidschuh an einem führenden Ende umfasst, wobei das Probenaufnahmegehäuse einen Verschluss umfasst, mit welchem ein im Wesentlichen luftdichter Abschluss des Probenaufnahmeraums in situ herstellbar ist. Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, das Probenaufnahmegehäuse mit einem Verschluss derart abzuschließen, dass dieser in situ, das heißt noch innerhalb der Sedimentformation, aus welcher eine Kernprobe gezogen werden soll, verschließbar ist. Dadurch ist ein im wesentlicher luftdichter und druckdichter Abschluss der Kernprobe innerhalb des Probenaufnahmeraums möglich, bevor die Kernprobe gezogen wird. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass andernfalls beim Ziehen der Kernprobe mit einem nach unten offenen Stahlzylinder oder mit einem nach unten offenen Kernrohr unvermeidbar eine Gefügeveränderung stattfinden würde. Unter Umständen ist so auch eine Verschiebung von Schichtgrenzen und Konsistenzgrenzen des Sediments der Probe nicht zu verhindern. Mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung wird zuverlässig verhindert, dass die Kernprobe beim Ziehen einem anderen Umgebungsmilieu ausgesetzt wird, welches nicht mit dem Umgebungsmilieu der betreffenden Sedimentformation übereinstimmt. Mit einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Kernprobe beziehungsweise Sondenprobe druck- und luftdicht an der Erkundungslokation gewonnen werden. Die vorgesehene Probe kann so mit Ausnahme der Temperatur gemäß des an der Erkundungslokation vorherrschenden Umgebungsmilieus geborgen werden und anschließend entsprechend gelagert werden. Unter einem Trägerwerkzeug im Sinne der Erfindung kann ein Bohrgestänge, ein Führungsgestänge oder eine andere Art von Gestänge zu verstehen sein, über welches das Probenaufnahmegehäuse in die zu beprobende Sedimentformation verbracht werden kann. Als Probenaufnahmegehäuse im Sinne der vorliegenden Erfindung kann ein Stahlzylinder vorgesehen sein, dessen in Vorschubrichtung führendes Ende zumindest bis zum Vorschub in die zu beprobende Sedimentformation geöffnet ist. Unter einer Schneidgeometrie oder einem Schneidschub im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine umlaufende Kante oder ein umlaufender Rand einer Öffnung des Probenaufnahmegehäuses zu verstehen. Bei einer besonders zweckmäßigen Variante der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verschluss einen sphärischen, halbschalenförmigen Verschlusskörper umfasst , der zwischen einer ersten geöffneten Stellung und einer zweiten geschlossenen Stellung verlagerbar ist, der in der ersten geöffneten Stellung einen konkaven Boden des Probenaufnahmeraums bildet und der in der zweiten geschlossenen Stellung eine Kernprobe umschließt. Dieser Halbschalenverschluss oder Halbkugelverschluss kann eine einzige Halbschale umfassen, die bei einer Rotation um ein virtuelles Kugelzentrum von einer ersten geöffneten Stellung in eine zweite geschlossene Stellung verlagert wird. Alternativ kann der Verschluss zwei viertelschalenförmige Verschlusskörper umfassen, die gegensinnig zueinander verlagerbar sind und so eine Öffnungsbewegung und eine Schließbewegung vollziehen. Der Verschlusskörper ist zweckmäßigerweise als Probenlöffel ausgebildet, sodass dieser bei Verlagerung von der ersten geöffneten Stellung in die zweite geschlossene Stellung einen Teil der Kernprobe aus der Sedimentformation herausschneidet beziehungsweise herauslöst. Wenn der Verschluss zwei viertelschalenförmige Verschlusskörper umfasst, bilden diese viertelschaligen Verschlusskörper zweckmäßigerweise ebenfalls jeweils eine Art Probenlöffel. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verschlusskörper federkraftbetätigt verlagerbar ist. Beispielsweise kann der Verschlusskörper durch eine auf das Trägerelement aufgebrachte Zugkraft von der ersten geöffneten Stellung in die zweite geschlossene Stellung verlagerbar sein. Dabei kann eine auf den Verschlusskörper einwirkende Feder durch das Eintreiben des Trägerelements in den zu beprobenden Baugrund vorgespannt werden, wohingegen eine auf das Trägerelement aufgebrachte Zugkraft eine Entspannung der vorzugsweise als Druckfeder ausgebildeten Feder bewirkt, wodurch dann eine Verlagerung des Verschlusskörpers in die zweite geschlossene Stellung bewirkt wird. Bei einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass das Probenaufnahmeraumgehäuse eine federnd gelagerte Bodenplatte aufweist, die randseitig gegen eine Umfassungswad des Probenaufnahmeraums abgedichtet ist und die mit dem Verschlusskörper eine Kavität zur Umschließung der Kernprobe bildet. Bei einer alternativen Variante der Vorrichtung die nicht Gegenstand der Patentansprüche ist, umfasst der Verschluss eine Verschlussblende mit einer Vielzahl lamellenförmiger Verschlusskörper, die eine etwa kreisförmige Verschlussöffnung mit variablem Durchmesser definieren. Die Verschlusskörper bilden eine Irisblende, die durch eine Rotation von Teilen des Probenaufnahmegehäuses von einer ersten geöffneten in eine zweite geschlossene Stellung verbringbar sind. Vorzugsweise ist der Verschluss als doppelter Iris-Lamellenverschluss ausgebildet, wobei eine führende erste Stufe der Verschlussblende dazu dienen kann, die Kernprobe beziehungsweise die Sondenprobe aus der Sedimentformation herauszutrennen. Eine zweite Stufe der Verschlussblende kann ausschließlich der Abdichtung des Probenaufnahmeraums dienen. Selbstverständlich kann der Verschluss auch einstufig ausgebildet sein. Zwischen der ersten und zweiten Stufe der Verschlussblende kann ein Zwischenraum als Schleuse vorgesehen sein, der mit einer Vergussmasse verfüllbar ist. Ähnlich der Funktionsweise eines Kameraverschlusses wird in einem Abschlussdeckel des Probenaufnahmegehäuses ein Lamellenverschluss integriert. Während des Eindringvorgangs des Probenaufnahmegehäuses in den Baugrund ist die Verschlussblende geöffnet. Bevor die Kernprobe anschließend geborgen wird, wird die Verschlussblende geschlossen. Die lamellenförmigen Verschlusskörper, die beim Bergen der Kernprobe durch den Probenkörper im geschlossenen Zustand auf Druck belastet werden, stellen einen druck- und luftdichten Abschluss der Kernprobe dar. Der druck- und luftdichte Abschluss kann durch eine besondere Oberflächenstruktur und/oder Oberflächentextur der lamellenförmigen Verschlusskörper erzielt werden, beispielsweise durch ineinander greifende Lippendichtungen zwischen den lamellenförmigen Verschlusskörpern. Die Öffnungs- und Schließbewegung der Verschlussblende kann über eine Drehbewegung des Trägerwerkzeugs eingeleitet werden. Beispielsweise kann ein Abschlussdeckel des Probenaufnahmegehäuses drehbar zu einer Umfassungswand des Probenaufnahmegehäuses ausgebildet sein. Das Probenaufnahmegehäuse kann beispielsweise als Zylinder beziehungsweise zylindrisches Behältnis ausgebildet sein. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Verschluss als Klappenverschluss mit wenigstens zwei gegeneinander dichtend schließenden Verschlussklappen ausgebildet ist. Wie vorstehend bereits erwähnt, ist es zweckmäßig, wenn das Probenaufnahmegehäuse als vorzugsweise lösbar an dem Trägerwerkzeug angebrachter Probenaufnahmebehälter, beispielsweise in Form eines Zylinders, ausgebildet ist. Zweckmäßigerweise ist das Probenaufnahmegehäuse mit einem Vergussmassenanschluss versehen, der mit dem Probenaufnahmeraum kommuniziert und über den der Probenaufnahmeraum mit einer Vergussmasse versiegelbar ist. Als Vergussmasse kommt beispielsweise ein Paraffin oder eine andere zähflüssige Dichtmasse in Frage. Das Probenaufnahmegehäuse beziehungsweise der Probenaufnahmeraum ist zweckmäßigerweise an seinem in Vorschubrichtung nacheilenden Ende mit wenigstens einer Entlüftungsöffnung versehen, sodass die Luft innerhalb des Probenaufnahmeraums beim Einbringen entweichen kann. Mittels der Vergussmasse, die beispielsweise als Paraffin oder andere Dichtmasse ausgebildet sein kann, kann der Probenaufnahmeraum in situ versiegelt werden. An oder in dem Trägerwerkzeug kann ein Vergussmassenreservoir vorgesehen sein, welches an den Probenaufnahmeraum angeschlossen ist und welches beispielsweise nach dem Vortreiben des Probenaufnahmegehäuses in die zu beprobende Sedimentformation so unter Druck gesetzt werden kann, dass die Vergussmasse den Probenaufnahmeraum versiegelt beziehungsweise in diesen eindringt. Bei einer Variante der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verschluss einen Antrieb umfasst, der ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend elektrische, pneumatische, hydraulische oder mechanische Antriebe. Der Antrieb dient vorzugsweise dazu, den oder die Verschlusskörper zu verlagern. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Verschluss über ein Getriebe betätigbar ist, welches einer Vorschubbewegung des Trägerwerkzeugs in eine Verlagerungsbewegung eines Verschlusskörpers umsetzt, welches eine axiale Bewegung oder Rotationsbewegung des Trägerwerkzeugs in eine Verlagerungsbewegung eines Verschlusskörpers umsetzt. Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entnehmen von Kernproben aus Sedimentformationen mit einer Vorrichtung umfassend ein Trägerwerkzeug sowie ein an das Trägerwerkzeug angebrachtes Probenaufnahmegehäuse, das einen Probenaufnahmeraum begrenzt und das eine Schneidgeometrie oder einen Schneidschuh an einem führenden Ende umfasst, wobei der Probenaufnahmeraum mit einem Verschluss im Wesentlichen luftdicht abschließbar ist, wobei das Verfahren das Eintreiben des Probenaufnahmegehäuses in eine ungestörte Sedimentformation umfasst, derart, dass die zu entnehmende Kernprobe zumindest teilweise von dem Probenaufnahmeraum umschlossen wird, wobei in einem folgenden Verfahrensschritt der Probenaufnahmeraum in situ verschlossen und abgedichtet wird und sodann das Probenaufnahmegehäuse über das Trägerwerkzeug gezogen wird. Vorzugsweise wird der Probenaufnahmeraum, bevor die Kernprobe gezogen wird, in situ mit einer Vergussmasse abgeschlossen beziehungsweise versiegelt. Das Verfahren gemäß der Erfindung wird vorzugsweise unter Verwendung einer Vorrichtung mit einem oder mehreren der vorstehend beschriebenen Merkmale durchgeführt und idealerweise in einer Anordnung, die den geometrischen Randbedingungen der genormten und bekannten Probenahmegeräte entspricht. Insbesondere bezüglich der Durchmesser der gezogenen Probekörper ist es vorteilhaft, die bekannten Abmessungen gemäß Normung einzuhalten. Daher umfasst die Erfindung, die oben beschriebenen Vorrichtungen vorzugsweise vertikal anzuordnen. Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen:
Es wird zunächst Bezug genommen auf In allen Zeichnungen werden gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die in Innerhalb der Führungshaube 2 ist an dem führenden Ende des Trägerwerkzeugs 1 ein Stechzylinder 5 angeordnet. Der Stechzylinder 5 ist als an seiner führenden Seite offener, dünnwandiger Stahlzylinder ausgebildet. An dem von dem Stechzylinder 5 abliegenden Ende des Trägerwerkzeugs 1 beziehungsweise der Trägerstange ist ein Amboss 6 befestigt, auf welchen ein an einem Schlaggestänge 7 geführtes Fallgewicht 8 einwirken kann. Über das an dem Schlaggestänge 7 geführte Fallgewicht 8 wird das Trägerwerkzeug 1 mit dem Stechzylinder 5 in den Baugrund 4 eingetrieben. Der von dem Stechzylinder umschlossene Probenaufnahmeraum 9 wird dabei mit der Sondenprobe beziehungsweise mit der Kernprobe gefüllt. Wird der Stechzylinder 5 gezogen, befindet sich die Kernprobe in dem von dem Stechzylinder 5 umschlossenen Probenaufnahmeraum 9. Beim Ziehen des Stechzylinders 5 ist nicht sichergestellt, dass die Schichtgrenzen und die Konsistenzgrenzen der Kernprobe erhalten bleiben. In dem Probenaufnahmeraum 9 etwa eingeschlossene Luft kann über eine nicht dargestellte Entlüftungsöffnung entweichen. Es wird nunmehr Bezug genommen auf die Die Schneidgeometrie 11 ist als umlaufender, gegebenenfalls angespitzter Rand der in Vorschubrichtung der Vorrichtung weisenden Öffnung 19 des Probenaufnahmeraums 9 ausgebildet. Das Probenaufnahmegehäuse 10 umfasst weiterhin einen Verschlusskörper 12, der bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figuren 2a und 2b als Halbschalenverschluss ausgebildet ist, das heißt sphärisch, halbschalenförmig. Der Verschlusskörper 12 ist um einen gedachten Mittelpunkt, der den Radius des Verschlusskörpers 12 definiert, drehbar, und zwar von der in In der in Als Vergussmasse ist ein Paraffin vorgesehen, dass aus dem Vergussmassenreservoir 16 über die Öffnung 15 in das Gehäuse 14 eintreten kann. Der in der geöffneten Stellung befindliche Verschlusskörper 12 dichtet das Gehäuse 14 gegen den Austritt der Vergussmasse ab. Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung ist zunächst vorgesehen, das Probenaufnahmegehäuse 10 beziehungsweise das zylindrische Behältnis 14 über das Trägerwerkzeug 1 in die zu beprobenden Sedimentformation des Baugrundes 4 vorzutreiben. Dabei dringt der Baugrund 4 beziehungsweise das Sediment in die von dem Verschlusskörper 12 gebildete Kavität 13 ein. Sodann wird der Verschlusskörper 12, beispielsweise mittels eines elektrischen, pneumatischen oder hydraulischen Antriebes in die in Es wird nunmehr Bezug genommen auf das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches in den Die in den In die Abschlusskappe 17 ist eine Verschlussblende 18 als zweistufige Irisblende integriert, wobei die Verschlussblende 18 eine Vielzahl von lamellenförmigen Verschlusskörpern 12 umfasst. Im Übrigen ist das zylindrische Behältnis 14 an seiner dem Trägerwerkzeug 1 zugekehrten Seite ebenfalls mit einem Vergussmassenanschluss versehen. Innerhalb des Trägerwerkzeugs 1 ist ein Vergussmassenreservoir mit einer Vergussmasse, beispielsweise in Form eines Paraffins, vorgesehen. Ein Verdrehen der Abschlusskappe 17 relativ zu dem Gehäuse 14 bewirkt ein Öffnen und ein Schließen der Verschlussblende 18, wobei die Verschlussblende 18 eine dem Probenaufnahmeraum 9 abgekehrte ersten Stufe 20 und eine dem Probenaufnahmeraum 9 zugekehrte zweite Stufe 21 umfasst, die zwischen sich einer Schleuse 22 einschließen. Die Schleuse 22 kommuniziert über einen Kanal 23 mit einem Vergussmassenreservoir 16 innerhalb des Trägerwerkzeugs 1. Das Probenaufnahmegehäuse 10 wird an dem Trägerwerkzeug 1 mit geöffneter Verschlussblende 18 in den Baugrund 4 eingetrieben, sodass die Kernprobe von dem Gehäuse 14 beziehungsweise von dem Probenaufnahmeraum 9 umschlossen wird. Sodann wird über eine Drehbewegung des Trägerwerkzeugs die Verschlussblende 18 geschlossen, wobei einerseits der Sedimentkörper beziehungsweise die Kernprobe abgetrennt wird, andererseits der Probenaufnahmeraum 9 im wesentlichen druckdicht verschlossen wird. Sodann wird über den Kanal 23 die Vergussmasse in die Schleuse 22 eingeleitet, sodass der Probeaufnahmeraum 9 abgedichtet und versiegelt ist. Eine weitere Variante der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist in den Innerhalb des Gehäuses 14 ist ebenfalls ein Verschlusskörper 12 in Form einer sphärischen Halbschale angeordnet. Der Verschlusskörper 12 ist wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Die Bodenplatte 24 ist über eine Druckfeder 25 gegen eine von der vorderen Öffnung des Gehäuses 14 abliegende Stirnwand 26 abgestützt. Darüber hinaus ist die Bodenplatte randseitig gegen eine Umfassungswand 27 des Probenaufnahmeraums 9 abgedichtet. Beim Vorschub des Trägerwerkzeugs 1 in den Baugrund 4 dringt das Sediment in das Behältnis 14 und in die Kavität 13 des Verschlusskörpers ein und verlagert den Verschlusskörper 12 mit der Bodenplatte 24 in Richtung auf die Stirnwand 26 des Gehäuses 14, wobei die Druckfeder 25 gespannt wird. Wird sodann das Trägerwerkzeug 1 wieder gezogen, leitet die Rückstellbewegung der Druckfeder 25 eine Drehbewegung des Verschlusskörpers 12 ein, sodass der Verschlusskörper die Kernprobe umschließen kann und gegen die Bodenplatte 24 abdichten kann. Wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen kann vorgesehen sein, dass über die Öffnung 15 in der Stirnwand 26 des Behältnisses 14 eine Vergussmasse aus dem Vergussmassenreservoir 16 in das Behältnis 14 eingebracht wird und das Behältnis 14 versiegelt. Nach Entnahme des Trägerwerkzeugs 1 aus der Sedimentformation beziehungsweise aus dem Baugrund kann das Behältnis 14 von dem Trägerwerkzeug 1 gelöst werden und entsprechend deponiert werden.
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