Direktangetriebenes Kernbohrwerkzeug

Abstract

 In einem direktangetriebenen Kernbohrwerkzeug, das aus einem mit einem Bohrstrang verbindbaren Außenrohr (1), einer in dem Außenrohr (1) dreh- und axial verschiebbar angeordne­ten Kernbohreinrichtung (5), die ihrerseits ein eine Bohr­krone (6) tragendes Kernrohr (7) und ein darin drehbar angestütztes Innenrohr (8) umfaßt, und einem mit der Kern­bohreinrichtung (5) gekoppelten und im Außenrohr (1) gegen Mitdrehen gesicherten, bohrspülungsgetriebenen Motor (4) besteht, sind druckbeaufschlagbare Reaktionsflächen zur Erzeugung einer auf die Kernbohreinrichtung (5) in Sohlen­richtung wirkenden Axialvorschubkraft, sowie eine Fangein­richtung (13) zum Heraufziehen des Motors (4) mitsamt der Kernbohreinrichtung (5) vorgesehen. Zur Erzeugung einer ausreichend großen, von der Exposition der Kernbohreinrich­tung im wesentlichen unabhängigen und in ihrer Größe wählbaren Axialvorschubkraft ist der Motor (4) mit der Kernbohrein­richtung (5) zur Bildung einer gemeinsam verschiebbaren Einheit (3) verbunden und sind Mittel zur Einstellung der Axialvorschubkraft vorgesehen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein direktangetriebenes Kernbohr­werkzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Derartige Werkzeuge können für Kernbohrarbeiten von allen üblichen Tiefbohranlagen verwendet werden. Zum Entnehmen des Kerns muß nicht der gesamte Bohrstrang ausgebaut wer­den.

[0003] Aus der US PS 4,518,050 ist ein Kernbohrwerkzeug der ein­gangs genannten Art bekannt, welches ein Ziehen der Kern­bohreinrichtung bei im Bohrloch verbleibendem Außenrohr gestattet, und bei welchem die Kernbohreinrichtung während der Kernens im Außenrohr axial verschiebbar ist. Der Motor dieses Werkzeuges bleibt während des Kernens im Außenrohr axial gesichert und ist über verschiebbare Kupplungsglieder mit der verschiebbaren Kernbohreinrich­tung drehgekoppelt. Die Kernbohreinrichtung bietet der Spülungsflüssigkeit Reaktionsflächen dar, die ihr als Folge des über ihr anstehenden Bohrspülungsdrucks in Verbindung mit der Ausdehnung der Flächen eine Axialvor­schubkraft aufprägen. Der über der Kernbohreinrichtung anstehende Bohrspülungsdruck wird durch die Drosselwirkung der Ringräume und Spalte der Kernbohreinrichtung auf die durchströmende Bohrspülung hervorgerufen. Ein erster durchströmter Raum wird zwischen einem Kernrohr und einem eine Bohrkrone tragenden Innenrohr gebildet. Ein zweiter durchströmter Raum befindet sich zwischen dem erwähnten Innenrohr und einem dieses umgebenden Mantelrohr. Während die Drosselwirkung des ersten Raumes konstant bleibt, nimmt die Drosselwirkung des zweiten Raumes mit zunehmender Exposition der Kernbohreinrichtung aus dem Mantelrohr ab. Der Bohrspülungsdruck und damit die Axialvorschubkraft sind proportional der Summe der Drosselwirkungen beider Räume. Neben der starken Abhängigkeit der Axialvorschubkraft von der Exposition der Kernbohreinrichtung ist weiter nachtei­lig, daß der maximale Wert der Axialvorschubkraft verhält­nismäßig niedrig und die Kraft zudem nicht in ihrer Größe beeinflußbar ist.

[0004] Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein direktangetriebenes Kernbohrwerkzeug so zu verbessern, daß auf die Kernbohreinrichtung eine ausreichend große, von der Exposition der Kernbohreinrichtung im wesentlichen unabhängige und in ihrer Größe wählbare Axialvorschubkraft aufprägbar ist.

[0005] Diese Aufgabe wird bei einem direktangetriebenen Kernbohr­werkzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die im kennzeichenden Teil angegebenen Merkmale gelöst.

[0006] Durch die Vereinigung der Kernbohreinrichtung mit dem Motor zu einer gemeinsam verschiebbaren Einheit läßt sich zusätzlich der über dem Motor anstehende, erheblich höhere Bohrspülungsdruck für die Erzeugung einer Axial­vorschubkraft nutzen. Da dieser Druck von der Exposition der Kernbohreinrichtung unabhängig ist, werden die expositionsabhängigen Einflüsse auf den gesamten über der Einheit anstehenden Bohrspülungsdruck vermindert. Durch die Mittel zur Einstellung der Axialvorschubkraft kann diese auch an andere Arbeitsbedingungen, wie z.B. ein anderes Spülungsgewicht oder eine andere Bohrkrone angepaßt werden. Die Erfindung ermöglicht damit die universelle Einsetzbarkeit des Werkzeugs ohne eine versehentliche Überlastung des Motors und erzielt dem­zufolge optimale Bohrfortschritte.

[0007] Weiterbildung und vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2-5 sowie der Beschreibung und der Zeichnung.

[0008] Die Zeichnung veranschaulicht Ausführungsbeispiele der Erfindung, die nachfolgend erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kernbohrwerkzeug,

Fig. 2 als Ausschnitt aus Fig. 1 eine erste Ab­wandlung der Erfindung,

Fig. 3 eine zweite Abwandlung der Erfindung und

Fig. 4 eine dritte Abwandlung der Erfindung.

[0009] Das in Fig. 1 dargestellte Kernbohrwerkzeug besitzt ein Außenrohr 1, welches mit einem nichtdargestellten Bohr­strang verbindbar ist. Am unteren Ende ist eine Rollen­bohrkrone 2 angebracht, die zum Aufbohren eines Ring­raums und Nachsetzen des Außenrohrs 1 dient, wenn der Expositionsbereich des Kernrohrs erschöpft ist. Inner­halb des Außenrohrs 1 befindet sich eine Einheit 3 aus einem Motor 4 und einer Kernbohreinrichtung 5. Diese Einheit 3 ist axial verschiebbar. Während der Motor 4 gegen Mitdrehen gesichert ist, ist die Kernbohrein­richtung 5 drehbar angeordnet. Die Kernbohreinrichtung 5 selbst besteht aus einem eine Bohrkrone 6 tragenden Kernrohr 7 und einem darin drehbar abgestützten Innen­rohr 8. Zwischen dem Motor 4 und der Kernbohreinrich­tung 5 ist ein Bohrspülungsverzweiger 9 angeordnet, der die aus dem Motor 4 austretende Bohrspülung in einen ersten Strom aufteilt, der zwischen dem Außenrohr 1 und dem Kernrohr 7 fließt und in einem weiteren Strom zwischen dem Kernrohr 7 und dem Innenrohr 8. Der zwischen dem Außenrohr 1 und dem Kernrohr 7 fließende Strom wird durch ein federbelastetes Ventil 10 so gesteuert, daß er trotz abnehmender Drosselwirkung des Strömungsweges infolge zunehmender Exposition der Kernbohreinrichtung 5 gleich bleibt.

[0010] Um eine unerwünschte Umgehung des Motors 4 durch die Bohrspülung zu verhindern, ist der Motor 4 mit einen Kragen 11, der den Ringraum zwischen seinem Gehäuse und dem Außenrohr 1 ausfüllt, versehen. Der Kragen 11 ist gegenüber dem Außenrohr 1 abgedichtet und bildet mit weiteren Gehäusebereichen des Motors 4 Teilflächen, die die Querschnittsfläche eines inneren Durchgangsbereichs 12 des Außenrohrs 1 ausfüllen. Diese Teilflächen ergeben die Reaktionsflächen des über der Einheit 3 anstehenden Bohr­spülungsdrucks und erzeugen die Axialvorschubkraft für die Einheit 3.

[0011] Im oberen Bereich des Motors 4 ist eine Fangeinrichtung 13 ausgebildet, die zum Heraufziehen der gesamten Einheit 3 nach Erbohren eines Kerns dient. Die Fangeinrichtung 13 dient bei der ersten Ausführung nach der Erfindung als Mittel zur Einstellung der Axialvorschubkraft, indem sie der Kernbohrbohreinrichtung 5 eine Rückhaltekraft entgegen­setzt, die ihr über ein durch den Bohrstrang führendes Seil 14 mittels einer am Bohrturm befindlichen Winde zugeführt wird. Je nach Höhe der Rückhaltekraft sind für die resul­tierende Axialvorschubkraft Werte zwischen einem Maximal­wert und Null einstellbar. Der Maximalwert ergibt sich dann, wenn die Axialvorschubkraft in voller Höhe durch den über der Einheit 3 anstehenden Bohrspülungsdruck in Verbindung mit den Reaktionsflächen bestimmt wird.

[0012] Bei der in Fig. 2 dargestellten abgewandelten Ausführungs­form sind die druckbeaufschlagten Reaktionsflächen als Querschnittsfläche eines mit dem Motor verbundenen Spü­lungsdorns 15 ausgebildet. Für den Spülungsdorn 15 wird hierfür der für die Fangeinrichtung 13 vorgesehene Dorn verwendet, der jedoch innen hohl ausgebildet ist und Einlauföffnungen 16 aufweist. Die Mittel zur Einstellung der Axialvorschubkraft umfassen eine Hülse 17, die im Außenrohr 1 angestützt und abgedichtet ist, eine Öffnung 18 aufweist und vom Spülungsdorn 15 durchdrungen ist.

[0013] Der Spülungsdorn 15 ist dabei gegen die Hülse 17 abge­dichtet. Die Einstellung der Axialvorschubkraft erfolgt dadurch, daß vor Einlassen der Einheit 3 in das Außen­rohr 1 eine Hülse 17 mit einem bestimmten Querschnitt der Öffnung 18 sowie ein darauf abgestimmter Dorn 15 ausgewählt und vormontiert werden.

[0014] Die in Fig. 3 dargestellte Abwandlung des erfindungs­gemäßen Kernbohrwerkzeugs baut auf der Ausführungsform nach Fig. 2 auf. Zusätzlich zu den bereits dort erwähn­ten Mitteln zur Einstellung der Axialvorschubkraft trägt der Spülungsdorn 15 einen Kolben 19, der die Quer­schnittsfläche eines weiteren Durchgangsbereichs 20 aufweist und Düsen 21 beinhaltet. Die Einlaßöffnungen 22 des Spülungsdorns 15 befinden sich unterhalb des Kolbens 19 in Form radialer Schlitze. Der Kolben 19 schafft einen zusätzlichen Anteil an der Axialvorschubkraft, indem der über den Düsen 21 anstehende Differenzdruck ausgenutzt wird. Dieser Differenzdruck beaufschlagt die von dem Kolben 19 abzüglich des Düsenquerschnitts eingenommene Querschnittsfläche des inneren Durchgangsbereichs 20 des Außenrohrs 1. Der zusätzliche Anteil an Axialvorschub­kraft ist durch die Auswahl der Düsen 21 sowie den Volumenstrom der Bohrspülung einstellbar. Der Vorteil dieser Ausführung besteht darin, daß ein Satz verschieden großer Düsen 21 weniger aufwendig als ein solcher ver­schieden großer Spülungsdorne 15 und Hülsen 17 ist, wie ihn die Ausführung nach Fig. 2 erfordert, und auch der Zeitaufwand beim Austausch geringer ist.

[0015] Fig. 4 zeigt schließlich noch eine dritte Abwandlung der Erfindung, bei der die Mittel zur Einstellung der Axial­vorschubkraft durch ein Ventil 23 gebildet werden, wel­ches durch das Rückdrehmoment des Motors 4 gesteuert ist. Dieses Ventil 23 besteht im einzelnen aus einem fest­stehenden Ventilsitz 24 und einem mit dem Motorgehäuse gekoppelten gegen eine Drehmomentfeder 25 begrenzt schwenkbaren Ventilkörper 26. Als Reaktionsflächen für die Axialvorschubkraft dienen wieder dieselben Teil­flächen, wie sie auch in der Ausführung gemäß Fig. 1 erwähnt sind.

[0016] Im unbelasteten Zustand, d.h. wenn der Motor 4 kein Rückdrehmoment aufbringt, befinden sich die Öffnungen 27, 28 von Ventilkörper 26 und Ventilsitz 24 in Flucht. Die Bohrspülung kann dann bis in den Bereich des Kragens 11 vordringen und die gesamte Teilfläche des Motors 4 druckbeaufschlagen. Wird durch die Axialvor­schubkraft die Kernbohreinrichtung 5 nun gegen das Gestein gedrückt, so muß der Motor 4 das Bohrdrehmoment der Bohrkrone 6 überwinden, wodurch er ein Rückdrehmo­ment erfährt. Dieses gegen die Kraft der Feder 25 ge­richtete Rückdrehmoment bewirkt, daß der Motor 4 und damit der Ventilkörper 26 gegenüber dem Ventilsitz 24 geschwenkt wird, wodurch die Öffnungen 27, 28 im Ven­tilkörper 26 und Ventilsitz 24 teilweise oder ganz außer Verbindung gelangen. Der Bohrspülungsdruck kann sich dann nicht mehr in voller Höhe oder gar nicht mehr bis in den Bereich des Kragens 11 fort­pflanzen und steht nur noch an im Querschnitt geringen Teilflächen des Motorgehäuses an. Dadurch tritt eine Ver­ minderung der Axialvorschubkraft ein. Im stationären Betrieb wird sich eine Winkelstellung zwischen dem Ventilkörper 26 und Ventilsitz 24 ergeben, in der das Drehmoment der Bohrkrone 6 und die damit in Ver­bindung stehende Axialvorschubkraft einen Gleichge­wichtszustand einnehmen. Die dritte Abwandlung der Erfindung bietet damit eine selbständige Einstellmög­lichkeit auch innerhalb eines großen Volumenstrom- und Druckbereiches der Bohrspülung.

Ansprüche

1. Direktangetriebenes Kernbohrwerkzeug, bestehen aus einem mit einem Bohrstrang verbindbaren Außenrohr (1), einer in dem Außenrohr (1) dreh- und axial verschiebbar angeordneten Kernbohreinrichtung (5), die ihrerseits ein eine Bohrkrone (6) tragendes Kernrohr (7) und ein darin drehbar abgestütztes Innenrohr (8) umfaßt, einem mit der Kernbohreinrichtung (5) gekoppelten und im Außenrohr (1) gegen Mitdrehen gesicherten, bohrspülungsgetriebenen Motor (4), durchbeaufschlagbaren Reaktionsflächen zur Erzeugung einer auf die Kernbohreinrichtung (5) in Sohlen­richtung wirkenden Axialvorschubkraft, sowie einer Fang­einrichtung (13) zum Heraufziehen des Motors (4) mitsamt der Kernbohreinrichtung (5), dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (4) mit der Kernbohreinrichtung (5) zur Bildung einer gemeinsam verschiebbaren Einheit (3) verbunden ist und daß Mittel zur Einstellung der Axialvorschubkraft vorgesehen sind.

2. Direktangetriebenes Kernbohrwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die druckbeaufschlagbaren Reaktionsflächen als Teilflächen des Motors (4) ausgebildet sind, die die Querschnittsfläche eines inneren Durchgangs­bereichs (12) des Außenrohrs (1) ausfüllen, und daß die Mittel zur Einstellung der Axialvorschubkraft durch die Fangeinrichtung (13) gebildet sind, über die mittels eines durch den Bohrstrang führenden Seils (14) und einer am Bohrturm befindlichen Winde eine Rückhaltekraft auf­bringbar ist.

3. Direktangetriebenes Kernbohrwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die druckbeaufschlagbaren Reaktionsflächen als Querschnittsfläche eines mit dem Motor (4) verbundenen Spülungsdorns (15) ausgebildet sind und daß die Mittel zur Einstellung der Axialvorschubkraft eine in dem Außenrohr (1) abgestützte und abgedichtete, mit einer Öffnung (18) versehene Hülse (17) umfassen, deren Öffnung (18) von dem Spülungsdorn (15) abdichtend durchdrungen ist, und daß die gemeinsame Querschnitts­fläche der Öffnung (18) und des Spülungsdorns (15) auf der Grundlage des über der Einheit (3) anstehenden Bohrspülungsdrucks nach der gewünschten Axialvorschubkraft bemessen ist.

4. Direktangetriebenes Kernbohrwerkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, das die Mittel zur Einstellung der Axialvorschubkraft zusätzlich einen auf dem Spülungs­dorn (15) angeordneten und die Querschnittsfläche eines weiteren inneren Durchgangsbereichs (20) des Außenrohrs (1) ausfüllenden Kolben (19) sowie in dem Kolben (19) angeord­nete Düsen (21) umfassen.

5. Direktangetriebenes Kernbohrwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die druckbeaufschlagbaren Reaktionsflächen als Teilflächen des Motors (4) ausgebildet sind, die die Querschnittsflächen des inneren Durchgangs­bereichs (12) des Außenrohrs (1) ausfüllen, und daß die Mittel zur Einstellung der Axialvorschubkraft ein durch das Rückdrehmoment des Motors (4) gesteuertes Ventil (23) umfassen, durch welches der Spülungsdurchtritt zu den die Reaktionsflächen bildenden Teilflächen des Motors (4) in Abhängigkeit des Rückdrehmoments drosselbar ist.

Zeichnung