Direktangetriebenes Kernbohrwerkzeug

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-A-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 hydraulische 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 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 hydraulische 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 zur Einstellung der resultienden Axialvorschubkraft, indem sie auf die Kernbohrbohreinrichtung 5 eine Rückhaltekraft ausübt, 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 hydraulisch erzeugten 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 hydraulisch erzeugten 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 hydraulisch erzeugten Axialvorschubkraft tragt 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 zur Einstellung der hydraulisch erzeugten Axialvorschubkraft ein Ventil 23 vorgesehen ist, 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 Verminderung der Axialvorschubkraft ein. Im stationären etrieb 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, bestehend 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), druckbeaufschlagbaren Reaktionsflächen zur hydraulischen 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) durch ein einen festen Abstand definierendes Element verbunden ist und daß zur Einstellung der resultierenden Axialvorschubkraft die Fangeinrichtung (13) vorgesehen ist, über die mittels eines durch den Bohrstrang führenden Seils (14) und einer am Bohrturm befindlichen Winde eine Rückhaltekraft aufbringbar ist.

2. Direktangetriebenes Kernbohrwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die druckbeaufschlagbaren Reaktionsflächen als Teilflächen des Motors (4) ausgebildet sind, die die Querschnittsfläche eines inneren Durchgangsbereiches (12) des Außenrohrs (1) ausfüllen.

3. Direktangetriebenes Kernbohrwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die druckbeaufschlagbaren Reaktionsflächen als Querschnittsfläche eines mit dem Motor (4) verbundenen Spülungsdorns (15) ausgebildet sind, daß zur Einstellung der hydraulisch erzeugten Axialvorschubkraft eine in dem Außenrohr (1) abgestützte und abgedichtete, mit einer Öffnung (18) versehene Hülse (17) vorgesehen ist, 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, daß die Mittel zur Einstellung der hydraulisch erzeugten Axialvorschubkraft zusätzlich einen auf dem Spülungsdorn (15) angeordneten und die Querschnittsfläche eines weiteren inneren Durchgangsbereiches (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 Durchgangsbereiches (12) des Außenrohrs (1) ausfüllen, und daß zur Einstellung der hydraulisch erzeugten Axialvorschubkraft ein durch das Rückdrehmoment des Motors (4) gesteuertes Ventil (23) vorgesehen ist, durch welches der Spülungsdurchtritt zu den die Reaktionsflächen bildenden Teilflächen des Motors (4) in Abhängigkeit des Rückdrehmoments drosselbar ist.

Claims

1. A directly driven core drilling tool consisting of an outer tube (1) which can be connected to a drill string, a core drilling means (5) disposed for rotation and axial displacement in the outer tube (1) and which in turn comprises a core tube (7) carrying a drilling bit (6) and an inner tube (8) supported to be rotatable therein, a drill mud-driven motor (4) coupled to the core drilling means (5) and secured against co-rotation in the outer tube (1), reaction surfaces subject to pressure for the hydraulic generation of an axial feed force acting on the core drilling means (5) in the direction of the bottom, and comprising catching means (13) for pulling up the motor (4) together with the core drilling means (5), characterised in that the motor (4) is connected to the core drilling means (5) to form one jointly displaceable unit (3) by an element which defines a fixed gap and in that in order to adjust the resulting axial feed force the catching means (13) is provided by which a retaining force can be applied by means of the winch disposed on the drilling rig and the cable (14) extending through the drill string.

2. A directly driven core drilling tool according to Claim 1, characterised in that the reaction surfaces to which pressure can be applied are constructed as partial surfaces of the motor (4) which fill in the cross-sectional area of an inner through-way (12) in the outer tube (1).

3. A directly driven core drilling tool according to Claim 1, characterised in that the reaction surfaces to which pressure can be applied are constructed as a cross-sectional area of a fluid discharge rod (15) connected to the motor (4) and in that in order to adjust the hydraulically generated axial feed force a sleeve (17) is provided which is sealed and carried in the outer tube (1) and which has an aperture (18) traversed in sealing-tight manner by the fluid discharge rod (15) and in that the joint cross-sectional area of the aperture (18) and of the fluid discharge rod is according to the desired axial feed force dimensioned on a basis of the drilling mud pressure present above the unit (3).

4. A directly driven core drilling tool according to Claim 3, characterised in that the means of adjusting the hydraulically generated axial feed force additionally comprise a piston (19) disposed on the fluid discharge rod (15) and filling the cross-sectional area of a further inner through-way (20) in the outer tube (1), as well as jets (21) disposed in the piston (19).

5. A directly driven core drilling tool according to Claim 1, characterised in that the reaction surfaces to which pressure can be applied are constructed as partial areas of the motor (4) which fill in the cross-sectional areas of the inner through-way (12) of the outer tube (1) and in that in order to adjust the hydraulically generated axial feed force a valve (23) is provided which is controlled by the reverse torque of the motor (4), by means of which valve the fluid discharge passage to the partial areas of the motor (4) which constitute the reaction surfaces can be throttled as a function of the reverse torque.

Revendications

1. Outil carottier à entraînement direct, comprenant un tube extérieur (1) pouvant être raccordé à un train de forage, un dispositif de carottage (5) placé de façon à être mobile en rotation et en direction axiale dans le tube extérieur (1) et comprenant lui-même un tube carottier (7) portant une couronne de forage (6) et un tube intérieur (8) monté à rotation dans le tube carottier, un moteur (4) entraîné par la boue de forage, accouplé au dispositif de carottage (5) et bloqué contre toute rotation par entraînement dans le tube extérieur (1), des surfaces de réaction pouvant être soumises à pression pour engendrer hydrauliquement une force d'avance axiale agissant en direction du fond sur le dispositif de carottage (5), ainsi qu'un dispositif de repêchage (13) pour la remontée du moteur (4) et du dispositif de carottage (5), caractérisé en ce que le moteur (4) est raccordé au dispositif de carottage (5) par un élément définissant une distance fixe dans le but de former une unité (3) mobile dans son ensemble et que, pour le réglage de la force d'avance axiale obtenue, est prévu le dispositif de repêchage (13), par l'intermédiaire duquel une force de retenue peut être exercée à l'aide d'un câble (14) traversant le train de forage et d'un treuil situé sur la tour de forage.

2. Outil carottier à entraînement direct selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces de réaction pouvant être soumises à pression sont conçues comme des surfaces partielles du moteur (4), qui remplissent l'aire de section transversale d'une zone de passage interne (12) du tube extérieur (1).

3. Outil carottier à entraînement direct selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces de réaction pouvant être soumises à pression sont conçues comme une aire de section transversale d'un mandrin à boue (15) fixé au moteur (4), qu'une douille (17) montée et adaptée de manière étanche dans le tube extérieur (1) et présentant une ouverture (18), est prévue pour le réglage de la force d'avance axiale engendrée hydrauliquement, l'ouverture (18) étant traversée par le mandrin à boue (15) d'une manière étanche et que l'aire de section transversale commune de l'ouverture (18) et du mandrin à boue (15) est dimensionnée sur la base de la pression de boue de forage agissant à travers l'unité (3) en fonction de la force d'avance axiale souhaitée.

4. Outil carottier à entraînement direct selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de réglage de la force d'avance axiale générée hydrauliquement comprennent en plus un piston (19) disposé sur le mandrin à boue (15) et remplissant une autre zone de passage interne (20) du tube extérieur (1) ainsi que des ajutages (21) disposés dans le piston (19).

5. Outil carottier à entraînement direct selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces de réaction pouvant être soumises à pression sont conçues comme des surfaces partielles du moteur (4), qui remplissent les aires de sections transversales de la zone de passage interne (12) du tube extérieur (1), et que, pour le réglage de la force d'avance axiale générée hydrauliquement, un clapet (23) commandé par le couple de réaction du moteur (4) est prévu, grâce auquel le débit de la boue de forage vers les surfaces partielles du moteur (4) constituant les surfaces de réaction peut être étranglé en fonction du couple de réaction.

Zeichnung