DE69423471T2

DE69423471T2 - Auswechselbares Schneidmittelsegment für einen Bohrmeissel

Info

Publication number: DE69423471T2
Application number: DE1994623471
Authority: DE
Inventors: Matthew Vance Egan; Gavin Thomas Mcleod
Original assignee: Downhole Technologies Pty Ltd
Current assignee: Downhole Technologies Pty Ltd
Priority date: 1993-06-16
Filing date: 1994-06-15
Publication date: 2000-11-23
Anticipated expiration: 2014-06-16
Also published as: DE69423340D1; ATE190380T1; DE69423102D1; DE69423471D1; ATE190693T1; ATE189912T1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein System für einen In-Situ-Austausch einer Schneideeinrichtung für einen Erdbohrer und insbesondere auf ein Segment einer solchen Schneideeinrichtung.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Beim Erdbohren ist es üblich, eine Bohrerspitze abnehmbar an einem unteren Ende einer Bohrerstange eines Erdbohrers zu befestigen und die Bohrerstange zu drehen, um das Bohren eines Lochs in der Erde durch die Bohrerspitze zu bewirken. Eine Räumahle ist üblicherweise zwischen dem unteren Ende der Bohrerstange und der Bohrerspitze angeordnet, um die Umfangswand eines Lochs, das gebohrt wird, zu räumen. Die Bohrerstange ist gebildet, indem einzelne Bohrstäbe miteinander verschraubt sind. Bohrstäbe existieren üblicherweise in festen Längen von 1,5, 3 und 6 Metern. Während das Bohren in die Erde fortschreitet, werden zusätzliche Bohrstäbe in das obere Ende der Bohrerstange geschraubt.
Während des Bohrens wird es notwendig, die Bohrerspitze und die Räumahle zu ersetzen, entweder als ein Ergebnis eines Stumpfwerdens der Bohrerspitze oder aufgrund von Änderungen des Untergrunds. Die Bohrerspitze muß häufiger ersetzt werden als die Räumahle (üblicherweise zumindest sechsmal häufiger).
Um eine Bohrerspitze oder eine Räumahle zu ersetzen, muß die gesamte Bohrerstange Stab für Stab aus der Erde herausgezogen werden, die Bohrerspitze ersetzt werden und die Bohrerstange Stab für Stab wieder zusammengesetzt werden, während dieselbe wieder in die Erde abgesenkt wird, um das Bohren fortzusetzen. Der Bedarf danach, die Bohrerstange vollständig herauszuziehen, auseinanderzunehmen und wieder zusammenzusetzen, wenn die Bohrerspitze/die Räumahle gewechselt wird, ist eine langsame und kostspielige Übung, wobei die Kosten zunehmen, wenn die Lochtiefe zunimmt und die Bohrerstange länger wird.
Mehrere Versuche wurden bisher unternommen, um dieses Problem zu lösen, zumindest soweit Bohrerspitzen betroffen sind, indem zurückziehbare Bohrerspitzen verwendet werden, die mit dem unteren Ende der Bohrerstange lösbar Eingriff nehmen und für einen Wechsel gelöst und durch die Bohrerstange zurückgezogen werden können, während die Bohrerstange in situ verbleibt, wodurch der Bedarf danach, die Bohrerstange aus dem Loch herauszuziehen, vermieden wird. Jedoch haben sich diese Versuche aus verschiedenen Gründen nicht als kommerziell erfolgreich erwiesen, die folgende einschließen: dieselben sind hinsichtlich des Entwurfs oder der Anwendung extrem kompliziert, was eine große Anzahl von Auswahlarten zur Folge hat, und/oder sind zu kostspielig bei der Herstellung oder beim Halten derselben in einem betriebsfähigen Zustand; dieselben sind anfällig für eine Verschmutzung aufgrund von Rohrflüssigkeit und Verunreinigungen, die Segmente der Bohrerspitze entgraten oder blockieren; eine Fehlausrichtung von Bohrerspitzensegmenten auf die Ineingriffnahme mit der Bohrerstange hin; eine Reduzierung des Durchmessers der Kernprobe aufgrund der Befestigung der Bohrerspitze an einer inneren Röhre der Bohrerstange; eine Reduzierung der Einbringungsrate; und ein Brechen einzelner Segmente der Bohrerspitze.
Die DE-A-28 39 868 offenbart eine hydraulisch betätigte Vollflächen-Bohrerspitze.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schneideeinrichtungssegment für eine Verwendung in einem System für einen In-Situ-Austausch von Bohrerspitzen und/oder Räumahlen eines Erdbohrers zu schaffen, das versucht, zumindest einen der oben beschriebenen Nachteile des Stands der Technik zu überwinden.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Segment einer Kernbohrerspitze, die für ein Zurückhalten in einem Erdbohrer angepaßt ist, wobei das Segment eines einer Mehrzahl getrennter und identischer Segmente ist, die zusammen die Kernbohrerspitze aufweist, um eine Kernprobe aus der Erde zu schneiden, wobei jedes Segment eine Schneidefläche aufweist, um die Erde in Eingriff zu nehmen und zu schneiden, wenn das Segment in einer Schneidestellung in den Erdbohrer eingesetzt ist, wobei das Segment durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist: einen Schaft, der sich von der Schneidefläche erstreckt und der eine Seite aufweist, die angepaßt ist, um in der Schneidestellung einer inneren Umfangswand des Erdbohrers zugewandt zu sein und gegen dieselbe anzuliegen, wobei die Seite eine Reihe von Oberflächen aufweist, die konfiguriert und benachbart zueinander angeordnet sind, derart, daß in der Schneidestellung das Segment ansprechend darauf, daß der Erdbohrer von dem Boden eines Lochs, das durch den Erdbohrer gebohrt wird, angehoben und auf denselben abgesenkt wird, relativ zu dem Erdbohrer gleiten kann.
Vorzugsweise ist die Reihe von Oberflächen ferner derart konfiguriert und benachbart zueinander angeordnet, daß sich ein unteres Ende des Segments in einer radialen Richtung von einer longitudinalen Achse des Erdbohrers weg biegen kann, wenn der Erdbohrer als ein Kernprobenbohrer verwendet wird und von dem Boden des Lochs angehoben wird, um eine Kernprobe zu gewinnen.
Vorzugsweise umfaßt jedes Segment eine Krone, auf der die Schneidefläche gebildet ist, wobei sich der Schaft von einer Seite der Krone, die der Schneidefläche gegenüberliegt, erstreckt, wobei die Krone und ein benachbarter Abschnitt des Schafts konfiguriert sind, um mit einer unteren Endoberfläche des Erdbohrers zusammen zu passen, wenn der Erdbohrer zum Bohren eines Lochs in Verwendung ist, wodurch Kräfte, die radial nach innen auf die Bohrerspitzenkrone wirken, durch das Segment zu dem Erdbohrer übertragen werden.
Vorzugsweise ist die Reihe von Oberflächen ferner derart konfiguriert und benachbart zueinander angeordnet, daß sich ein oberes Endes des Segments radial nach innen bewegen kann, um gegen einen Einsatz, der in dem Erdbohrer enthalten ist, zu klemmen, um das Segment in der Schneidestellung zu halten.
Vorzugsweise weist die Reihe von Oberflächen eine erste Oberfläche benachbart zu der zweiten Fläche der Krone auf, wobei sich die erste Oberfläche zu der longitudinalen Achse des Erdbohrers hin in einer Aufwärtsrichtung verjüngt (neigt).
Vorzugsweise umfaßt die Reihe von Oberflächen eine zweite Oberfläche benachbart zu der ersten Oberfläche, wobei sich die zweite Oberfläche parallel zu der longitudinalen Achse erstreckt.
Vorzugsweise umfaßt die Reihe von Oberflächen eine dritte Oberfläche benachbart zu der zweiten Oberfläche, wobei sich die dritte Oberfläche von der Achse weg in einer Aufwärtsrichtung verjüngt.
Vorzugsweise umfaßt die Reihe von Oberflächen eine vierte Oberfläche benachbart zu der dritten Oberfläche, wobei sich die vierte Oberfläche zu der longitudinalen Achse hin in einer Aufwärtsrichtung verjüngt.
Vorzugsweise umfaßt die Reihe von Oberflächen eine fünfte Oberfläche benachbart zu der vierten Oberfläche, wobei sich die fünfte Oberfläche parallel zu der longitudinalen Achse erstreckt.
Vorzugsweise umfaßt die Reihe von Oberflächen eine sechste Oberfläche benachbart zu der fünften Oberfläche, wobei sich die sechste Oberfläche von der longitudinalen Achse weg in einer Aufwärtsrichtung verjüngt.
Vorzugsweise umfaßt die Reihe von Oberflächen eine siebte Oberfläche, wobei die siebte Oberfläche benachbart zu der sechsten Oberfläche ist und sich zu der longitudinalen Achse hin in der Aufwärtsrichtung verjüngt.
Vorzugsweise umfaßt die Reihe von Oberflächen eine achte Oberfläche, wobei die achte Oberfläche benachbart zu der siebten Oberfläche ist und sich parallel zu der longitudinalen Achse erstreckt.
Vorzugsweise umfaßt das Segment ferner eine Stufe, die benachbart zu der achten Oberfläche angeordnet ist, um mit dem Erdbohrer Eingriff zu nehmen und eine Abwärtsbewegung des Segments zu begrenzen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nun lediglich anhand eines Beispiels bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen Seitenaufriß eines ersten Ausführungsbeispiels des Systems, das in einem Erdbohrer angeordnet ist;
Fig. 2 einen Seitenaufriß eines Werkzeugs, das bei dem System, das in Fig. 1 gezeigt ist, verwendet wird;
Fig. 3 eine Längsschnittansicht des Werkzeugs, das in Fig. 2 gezeigt ist;
Fig. 4a einen Seitenaufriß einer Auswahleinrichtungshülse des Werkzeugs, das in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist;
Fig. 4b eine Seitenansicht der Hülse, die in Fig. 4a gezeigt ist;
Fig. 4f eine Teilansicht des Schnitts A-A, der in Fig. 4b gezeigt ist;
Fig. 4g eine Ansicht des Schnitts D-D, der in Fig. 4a gezeigt ist;
Fig. 5a einen Seitenaufriß eines Einsatzes, der bei dem System, das in Fig. 1 gezeigt ist, verwendet ist;
Fig. 5b eine Ansicht eines Endes des Einsatzes, der in Fig. 5a gezeigt ist;
Fig. 5c eine Ansicht eines gegenüberliegenden Endes des Einsatzes, der in Fig. 5a gezeigt ist;
Fig. 6a eine Längsschnittansicht eines Bauglieds, das bei dem System, das in Fig. 1 gezeigt ist, verwendet ist;
Fig. 6b eine Ansicht von einem Ende des Bauglieds, das in Fig. 6a gezeigt ist;
Fig. 6c eine Ansicht eines gegenüberliegenden Endes des Bauglieds, das in Fig. 6a gezeigt ist;
Fig. 6d eine Ansicht eines unteren Abschnitts des Bauglieds, das in Fig. 6a gezeigt ist;
Fig. 7a eine Seitenansicht eines Spitzensegments, das bei dem System, das in Fig. 1 gezeigt ist, verwendet ist;
Fig. 7b eine Draufsicht des Spitzensegments, das in Fig. 6a gezeigt ist;
Fig. 7c eine Seitenansicht des Spitzensegments, das in den Fig. 7a und 7b gezeigt ist;
Fig. 8a eine Draufsicht einer Verriegelungsklammer, die bei dem System, das in Fig. 1 gezeigt ist, verwendet ist;
Fig. 8b eine Seitenansicht der Verriegelungsklammer, die in Fig. 6a gezeigt ist;
Fig. 9 eine vergrößerte Teilschnittansicht eines unteren Endes des Systems;
Fig. 10 eine Schnittansicht eines Endes des Bohrers in einem Bohrmodus, wobei Spitzensegmente durch den Einsatz in einer Schneidestellung verriegelt sind;
Fig. 11 eine Ansicht der Bohrerstange, die in Fig. 10 gezeigt ist, wobei jedoch die Bohrerstange von einem Boden eines Lochs, das gebohrt wird, nach oben gezogen ist;
Fig. 12 eine Schnittansicht eines Werkzeugs, das bei einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet ist;
Fig. 13 eine Draufsicht eines Räumahlensegments, das bei dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet ist;
Fig. 14 eine Teilschnittansicht des zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei der die Räumahlensegmente in einer Schneidestellung gehalten sind;
Fig. 15 eine Seitenansicht einer Transporthülse für das System, das in Fig. 1 gezeigt ist; und
Fig. 16 eine Seitenansicht eines Transporthülsen-Eigengewichts für das System, das in Fig. 1 gezeigt ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Systems 10 für den In-Situ-Austausch einer Schneideeinrichtung in der Form einer Bohrerspitze eines Erdbohrers 12. Der Bohrer 12 besteht aus einer Mehrzahl von miteinander verbundenen Bohrerstangen 14, die zusammen einen Bohrerstrang bilden. Eine Standardräumahle 16 zum Räumen der Umfangswand eines Lochs, das gebohrt wird, ist an das freie Ende der untersten Stange 14 geschraubt.
Das System 10 umfaßt eine Anzahl getrennter, jedoch miteinander in Wechselwirkung stehender Komponenten, die ein röhrenförmiges Bauglied, das die Form eines Antriebselements 18 besitzt, das für eine Verbindung mit einem unteren Ende des Bohrers 12 angepaßt ist, ein Installations- und Wiedergewinnungs-Werkzeug 20, das dimensioniert ist, um sich durch den Bohrer 12 zu bewegen, um Bohrerspitzensegmente 22 (siehe Fig. 7a, 7b und 9) zu dem Antriebselement 18 und von demselben weg zu führen, und einen im wesentlichen zylindrischen Einsatz 24 umfassen, der zwischen einer Einbaustellung, in der der Einsatz die Spitzensegmente 22 in dem Antriebselement 18 zurückhält, und einer Wiedergewinnungsstellung, in der der Einsatz 24 zurückgezogen ist, um zu ermöglichen, daß die Spitzensegmente 22 für eine Entfernung aus dem Bohrer 12 auf das Werkzeug 20 zusammenfallen, gleitfähig in dem Bauglied 18 gehalten ist.
In den Fig. 6a und 6d ist zu sehen, daß die innere Umfangswand 26 an einem unteren Ende 28 des Antriebselements 18 mit einer Sitzeinrichtung 30 zum Einsetzen der Spitzensegmente 22 versehen ist. Die Sitzeinrichtung 30 umfaßt einen Steg 32, der sich umfangsmäßig um die innere Oberfläche 26 erstreckt, in der Stromabwärtsrichtung gefolgt von einer Reihe von verjüngten und flachen Oberflächen und einer Ausnehmung 58, die auf der untersten dieser Oberflächen gebildet ist. Spezieller folgt dem Steg 32 die folgende Abfolge von Oberflächen in der Stromabwärtsrichtung: eine Oberfläche 34, die sich von einer mittleren Längsachse 36 des Antriebselements 18 weg verjüngt; eine Oberfläche 38, die sich parallel zu der Achse 36 erstreckt; eine Oberfläche 40, die sich zu der Achse 36 hin verjüngt; eine Oberfläche 42, die sich von der Achse 36 weg verjüngt; eine Oberfläche 44, die sich parallel zu der Achse 36 erstreckt; eine Oberfläche 46, die sich zu der Achse 36 hin verjüngt; und eine Oberfläche 48, die sich von der Achse 36 weg verjüngt und sich zu dem äußeren longitudinalen Ende 50 des Antriebselements 18 erstreckt. Mit der Oberfläche 48 hängt eine Oberfläche 52 zusammen, die sich sowohl von der Achse 36 als auch dem äußeren Ende 50 weg verjüngt und zu der äußeren Umfangsoberfläche 54 des Antriebselements 18 führt.
Eine Mehrzahl von Antriebsnasen 56 ist auf der Oberfläche 46 vorgesehen. Benachbarte Antriebsnasen 56 definieren die Ausnehmungen 58, in denen ein unteres Ende der Spitzensegmente 22 während eines Bohrens gehalten ist. Wie sich am besten aus Fig. 6b zeigt, nimmt die Breite der Antriebsnasen 56 in der radialen Richtung zu der Achse 36 hin ab. Ein Paar von gegenüberliegenden Schlitzen 60, die sich parallel zu der Achse 36 erstrecken, ist in einer Wand 26 von den Enden des Antriebselements 18 nach innen gerichtet gefertigt. Eine Verriegelungsklammer 62 (siehe Fig. 8a und 8b) ist in ein oberes Ende 64 jedes Schlitzes 60 eingebracht. Ein unteres Ende jeder Verriegelungsklammer ist mit einer Oberfläche 65 ausgebildet, die sich zu der inneren Wand 26 hin verjüngt, wobei eine Federklammer 66 in der Nähe eines oberen Endes der Klammer auf einer Oberfläche, die der inneren Wand 26 gegenüberliegt, angebracht ist.
Wie bezugnehmend auf die Fig. 7a und 7b erklärt wird, sind die Spitzensegmente 22 konfiguriert, um mit der Sitzeinrichtung 30 des Antriebselements 18 zusammen zu passen. Die Spitzensegmente umfassen einen Schaft 68 und eine Krone 70, die an einem unteren Ende des Schafts 68 gebildet ist, um mit der Erde Eingriff zu nehmen und dieselbe zu schneiden. Die Krone 70 umfaßt typischerweise eine Matrix aus Diamanten und Metall. Wenn bei der Verwendung Erde, die mit der Fläche 72 der Krone Eingriff nimmt, eine Abnutzung erzeugt, werden frische Diamanten freigelegt, um ein Schneiden zu erleichtern.
Eine Seite 74 (siehe in Fig. 7b ganz oben) der Spitzensegmente 22 liegt der inneren Oberfläche 26 des Antriebselements 18 gegenüber. Die Seite 74 des Schafts 68 umfaßt die folgende Abfolge von Oberflächen beginnend von der Krone 70 (die Achse 36 ist für eine bequeme Bezugnahme in Fig. 7a in gestrichelten Linien gezeigt): eine Oberfläche 76, die sich zu der Achse 36 hin verjüngt; eine Oberfläche 77, die sich parallel zu der Achse 36 erstreckt; eine Oberfläche 78, die sich von der Achse 36 weg verjüngt; eine Oberfläche 80, die sich zu der Achse 36 hin verjüngt; eine ebene Oberfläche 82, die sich parallel zu der Achse 36 erstreckt; eine Oberfläche 84, die sich von der Achse 36 weg verjüngt; eine Oberfläche 86, die sich zu der Achse 36 hin verjüngt; eine Oberfläche 80, die sich parallel zu der Achse 36 erstreckt. Der Oberfläche 80 folgt eine abrupte Stufe 90, die zu einer Oberfläche 92 führt, die sich zu der Achse 36 hin verjüngt und sich zu dem äußeren Ende 94 des Schafts 68 erstreckt.
Die gegenüberliegende Seite 96 des Schafts 68 weist die folgende Abfolge von Oberflächen in der Richtung von dem äußeren Ende 94 zu der Krone 70 auf: eine Oberfläche 98, die sich zu der Achse 36 hin verjüngt; eine ebene Oberfläche 100, die sich parallel zu der Achse 36 erstreckt; eine Oberfläche 102, die sich zu der Achse 36 hin verjüngt; und eine ebene Oberfläche 104, die sich parallel zu der Achse 36 erstreckt.
Wie am deutlichsten in Fig. 7c gezeigt ist, besitzt die Krone 70 die Form eines Kreisringsektors und ist mit inneren und äußeren bogenförmigen Flächen 106 bzw. 108 ausgebildet, wobei die Länge der Fläche 108 größer ist als die der Fläche 106. Die Fläche der Krone 70, die der Schneidefläche 72 gegenüberliegt, ist mit der folgenden Abfolge von Oberflächen in der Richtung von der äußeren Fläche 108 zu der inneren Fläche 106 versehen: eine Oberfläche 110, die sich parallel zu der Schneidefläche 72 erstreckt; eine Oberfläche 112, die zu der Schneidefläche 72 hin geneigt ist und die benachbarte Oberfläche 76 des Schafts 68 abschließt; und eine Oberfläche 114, die sich von der Schneidefläche 72 weg verjüngt und an der bogenförmigen Fläche 106 endet. Die Oberflächen 112 und 76 bilden eine V-förmige Ausnehmung 116, die mit den Oberflächen 48 und 52 des Antriebselements 18 Eingriff nehmen können (wie in Fig. 10 zu sehen ist).
Wie in den Fig. 2 bis 4f gezeigt ist, umfaßt das Werkzeug 20 einen Hauptkörperabschnitt 118, auf dem eine Auswahleinrichtungshülse 120 verschiebbar und drehbar zurückgehalten ist. Ein oberes Ende 122 des Körpers 118 ist mit einem Schraubengewinde versehen, um einen Standarddrahtleitungsadapter 124 zu befestigen. Ein Paar von gegenüberliegenden länglichen Rillen (nicht gezeigt) ist an dem Ende 122 in dem Körper 118 für ein verschiebbares Zurückhalten eines Rings 126 gefertigt. Der Ring ist auf seiner inneren Umfangsoberfläche mit einem Paar von Vorsprüngen (nicht gezeigt) versehen, die in den Rillen laufen, um zu ermöglichen, daß der Ring 126 bezüglich des Körpers 118 längs verschoben wird. Eine Feder 128, die zwischen dem Drahtleitungsadapter 124 und dem Ring 126 gehalten ist, ist wirksam, um den Ring 126 und die Hülse 120 von dem Ende 122 weg vorzuspannen. Ein Vorsprung 130 ist auf einem Ende des Rings 126 benachbart zu der Hülse 120 für eine Ineingriffnahme mit einer der zwei Modus-Auswahleinrichtungs-Ausnehmungen 132, 134, die in ein benachbartes Ende der Hülse 120 geschnitten sind, ausgebildet.
Der Körper 118 ist mit einem inneren Hohlraum 136 versehen, der ein Paar von Einbauverriegelungsnasen 138 häust. Ein Stift 140 erstreckt sich durch ein Ende beider Verriegelungsnasen 138 und koppelt den Körper 118 mit der Hülse 120. Der Stift 140 befindet sich in einem Längsschlitz (nicht gezeigt), der in dem Körper 118 gebildet ist, und einem sich transversal erstreckenden Schlitz 142, der in der Hülse 120 gebildet ist. Jedes Ende des Stifts 140 sitzt auf einer Lippe 143, die um die Peripherie der Schlitze 142 gebildet ist. Dies liefert eine Verbindung zwischen dem Körper 118 und der Hülse 120, wobei die Hülse sich relativ zu dem Körper 118 längs bewegen und drehen kann.
Ein zweiter Stift 144 erstreckt sich parallel zu dem Stift 140 und befindet sich in einem Längsschlitz 148, der in dem Körper 118 gebildet ist. Eine Feder 150 verbindet gegenüberliegende Enden der Verriegelungsnasen 138 mit dem Stift 140. Die Feder 150 spannt die Verriegelungsnasen 138 vor, um sich lateral bezüglich des Körpers 118 und durch Öffnungen oder Schlitze 139 (siehe Fig. 4a, 4d), die in die Hülse 120 geschnitten sind, zu erstrecken. Jede Verriegelungsnase 138 ist mit einer Lagerfläche 152 für ein Widerlager mit dem Einsatz 24 versehen.
Ein Paar von Wiedergewinnungs-Verriegelungsnasen 154, die ähnlich zu den Einbringungs-Verriegelungsnasen 138 sind, ist auf einer Seite der Verriegelungsnasen 138 gegenüber dem Ende 122 ebenfalls in dem Werkzeug 20 vorgesehen. Jedoch befinden sich die Wiedergewinnungs-Verriegelungsnasen 154 in einer Ebene, die senkrecht zu der angeordnet ist, die die Einbringungs-Verriegelungsnasen 138 enthält. Überdies sind die Wiedergewinnungs-Verriegelungsnasen in einem entgegengesetzten Sinn zu den Einbringungs-Verriegelungsnasen 138 ausgerichtet. Das heißt, daß Enden 156 der Wiedergewinnungs-Verriegelungsnasen 154 durch eine Feder (nicht gezeigt) vorgespannt sind, um sich bezüglich des Körpers 118 lateral und durch Öffnungen oder Schlitze 155 (siehe Fig. 4a, 4e), die in die Hülse 120 geschnitten sind, zu er strecken, wobei gegenüberliegende Enden 158 durch einen Stift 160, der sich durch den Körper 118 erstreckt, gehalten sind. Lagerflächen 162 sind an Enden 156 der Wiedergewinnungs-Verriegelungsnasen 154 gebildet, um mit dem Einsatz 24 Eingriff zu nehmen.
Wie am besten aus den Fig. 4d und 4e zu sehen ist, sind die Einbau-Verriegelungsnasen-Schlitze 139 weiter als die Wiedergewinnungs-Verriegelungsnasen-Schlitze 155.
Ein rechteckiger Hohlraum 164 ist in dem Körper 118 benachbart zu den Wiedergewinnungs-Verriegelungsnasen 154 gebildet. Ein Loch 168 erstreckt sich longitudinal bezüglich eines Endes 166 des Hohlraums 164 und ist mit einer zylindrischen Ausnehmung 170 in Verbindung. Die Ausnehmung 170 erstreckt sich durch ein kegelstumpfförmiges Ende 172 des Körpers 118. Der Hohlraum 164, das Loch 168 und die Ausnehmung 170 bilden zusammen eine Führungsbahn 174 für einen Schlitten 176, auf dem die Spitzensegmente 22 angebracht sind.
Der Schlitten 176 besitzt einen mittleren Balken 178, von dem sich koaxial an einem Ende ein Gewindezapfen 180 erstreckt und an einem gegenüberliegenden Ende in einem Anschlag 182 endet. Der Zapfen 180 erstreckt sich durch die Ausnehmung 170 und das Loch 168 in den Hohlraum 164. Das Ende des Balkens 178 benachbart zu dem Zapfen 180 ist verschiebbar in die Ausnehmung 170 aufgenommen. Eine Feder 184 ist zwischen einer Spannungseinstellungsmutter 186, die auf den Zapfen 180 geschraubt ist, und dem Ende 166 des Hohlraums 164 auf dem Zapfen 180 gehalten. Gegenüberliegende Enden 188 und 190 der Mutter 186 sind verjüngt oder abgeschrägt, um die Dicke radial von dem Mittelpunkt der Mutter 186 weg zu reduzieren.
Ein Paar von Verriegelungsstiften (nicht gezeigt) befindet sich in jeweiligen Ausnehmungen 192, die in dem Körper 118 gebildet sind. Die Stifte sind durch die Hülse 120 in ihren jeweiligen Ausnehmungen 192 zurückgehalten und weisen ein Ende auf, das durch eine Relativbewegung der Hülse 120 selektiv in die Ausnehmung 164 eingebracht oder aus derselben zurückgezogen werden kann. Wie in Fig. 4f gezeigt ist, ist eine innere Umfangswand 194 der Hülse 120 mit einer Umfangsrille 196 versehen. Wenn die Hülse 120 derart positioniert ist, daß die Rille 196 über den Ausnehmungen 192 liegt, können die Enden der Stifte in denselben von dem Hohlraum 164 zurückgezogen sein, um eine Ausdehnung der Feder 184 zu ermöglichen. Jedoch sind die Enden der Stifte durch ein Anstoßen der Stifte an die Wand 194, wenn die Hülse 120 derart positioniert ist, daß die Rille 196 nicht über den Ausnehmungen 192 liegt, gehalten, um sich in den Hohlraum 164 zu erstrecken. In diesem Zustand stoßen die Stifte gegen die Mutter 186 an, was die Feder 184 komprimiert hält.
Wenn das Werkzeug 20 beladen wird, um Spitzensegmente 22 einzubauen, werden die Segmente radial um den Balken 178 angeordnet, wobei die Kronen 70 an den Anschlag 182 anstoßen. Die Oberfläche 98 jedes Spitzensegments 22 ruht auf dem großen Durchmessers des kegelstumpfförmigen Endes 172 für den Körper 118. Ein elastisches Band 198 umgibt die Spitzensegmente 22 um jeweilige Oberflächen 82, um die Spitzensegmente auf dem Schlitten 176 zu halten.
Eine Mehrzahl von Rippen 200 ist auf der äußeren Oberfläche der Hülse 120 vorgesehen, die sich parallel zu der Länge der Hülse 120 erstrecken. Die Rippen 200 sind gleichmäßig beabstandet, wobei benachbarte Rippen flache Kanäle 202 definieren, durch die ein Fluid fließen kann, wenn das Werkzeug 20 durch den Bohrer 12 abgesenkt wird.
Der Einsatz 24 (siehe Fig. 5a bis 5c) ist in dem System 10 vorgesehen, um die Spitzensegmente 22 gegen die Vorspannung des elastischen Bands 198 auseinander zu drücken und die Spitzensegmente 22 in einer Schneide- oder Bohr-Stellung gegen die innere Oberfläche des Antriebselements 18 zu positionieren.
Der Einsatz 24 besitzt die Form einer zylindrischen Röhre mit einem Paar von gegenüberliegenden Spitzen 206, die sich von einem stromaufwärtigen Ende 204 erstrecken. Die Seiten jeder Spitze neigen sich in der stromabwärtigen Richtung scharf und führen zu Flachstellen 208, die die Spitzen 206 trennen. Ein Paar von sich longitudinal erstreckenden Schienen 210 steht von der äußeren Umfangsoberfläche 212 des Einsatzes 24 vor. Die Schienen 210 laufen in den Schlitzen 60 in dem Antriebselement 18. Ein Paar von gegenüberliegenden Arretierungen in der Form von sich longitudinal erstreckenden Schlitzen 214 (nur einer ist gezeigt) ist in den Einsatz 24 geschnitten, um mit den Wiedergewinnungs-Verriegelungsnasen 154 Eingriff zu nehmen. Ein stromaufwärtiges Ende jedes Schlitzes 214 ist abgeschrägt, um sich zu einer inneren Oberfläche des Einsatzes 214 in der stromaufwärtigen Richtung hin zu neigen. Das Ende der Hülse 120 gegenüber den Spitzen 206 ist mit einer Mehrzahl von sich longitudinal erstreckenden Keilnuten 218 versehen. Benachbarte Keilnuten 218 sind durch Nasen 220 beabstandet. Kanäle 222 sind entlang der Länge der inneren Oberfläche des Einsatzes 24 gefertigt. Die Kanäle liefern einen Flußweg für Wasser, das zur Spitzenkühlung, Schmierung und Spülung verwendet wird.
Ein Werkzeug 20' (siehe Fig. 12) zum Austauschen von Räumahlensegmenten (siehe Fig. 13 und 14) ist strukturell und funktionsmäßig äquivalent zu dem Werkzeug 20, das zum Austausch von Bohrerspitzensegmenten 22 verwendet ist. Folglich werden die Bezugszeichen, die bezüglich der Beschreibung des Werkzeugs 20 verwendet sind, auch verwendet, um gleichartige Merkmale des Werkzeugs 20' zu bezeichnen. Ein Drahtleitungsadapter 124' ist auf ein oberes Ende 122 des Werkzeugs 20' geschraubt. Eine Feder 128 ist zwischen dem Drahtleitungsadapter 124' und einem Ring 126' angeordnet. Wie bei dem Werkzeug 20 ist der Ring 126' in der Lage, längs bezüglich des Werkzeugs 20' zu gleiten, das mit einem Vorsprung 130 versehen ist, um mit Ausnehmungen (nicht gezeigt), die in ein oberes Ende der Hülse 120' geschnitten sind, Eingriff zu nehmen. Einbau- und Wiedergewinnungs-Verriegelungsnasen 138' und 154' sind identisch zu denen des Werkzeugs 20. Die wesentlichen Unterschiede zwischen dem Werkzeug 20' und dem Werkzeug 20 bestehen darin, daß der Schlitten 176' eine Mehrzahl von Ausschnitten 227 aufweist, die radial um ein unteres Ende des Körpers 118' gebildet sind. Ein oberes Ende jedes Ausschnitts ist mit einer Rampe 228 versehen, die zu der äußeren Oberfläche des Körpers 118' führt. Zusätzlich ist die Hülse 120' mit einer Mehrzahl von Öffnungen 230 versehen, die über den Ausschnitten 227 liegen. Eine radial nach innen gerichtete Lippe 232 ist an dem unteren Ende jeder Öffnung 230 vorgesehen.
Ein weiterer Unterschied zwischen den Werkzeugen 20 und 224 ist die Länge der Schlitze, in denen die Stifte der Einbau- und Wiedergewinnungs-Verriegelungsnasen zurückgehalten sind. Speziell sind die Schlitze in dem Werkzeug 20' (siehe beispielsweise den Schlitz 148') viel länger als die entsprechenden Schlitze in dem Werkzeug 20.
Eine Standard-Overshot-Befestigung 234 ist mit dem unteren Ende des Werkzeugs 224 für eine Verbindung mit dem Drahtleitungsadapter 124 des Werkzeugs 20 verbunden. Diese Verbindung ermöglicht, daß sich die Werkzeuge 20 und 20' relativ zueinander drehen.
Räumahlensegmente 226 sind in den Ausschnitten 227 zurückgehalten, wenn dieselben in den Bohrer 12 eingebaut oder aus demselben wiedergewonnen werden. Die Räumahlensegmente 226 besitzen die Form eines rechteckigen Prismas mit geneigten Seiten. Jedes Segment 226 ist auf einer rechteckigen Platte 236 befestigt. Hochstehende Lippen 238 und 240 erstrecken sich über die stromaufwärtigen bzw. stromabwärtigen Enden der Platte 236. Sowohl die Lippe 240 als auch das stromaufwärtige Ende der Platte 236 sind abgeschrägt, um in der stromaufwärtigen Richtung aufeinander zu zu konvergieren.
Die Segmente 226 sind durch Gummibänder 242 und 244, die die Platten 236 benachbart zu den Enden der entsprechenden Seg mente 226 umgeben, in den Ausschnitten 227 zurückgehalten.
Ein röhrenförmiges Bauglied in der Form eines Hilfsantriebselements 18' ist auf den Bohrer geschraubt, um die Räumahlensegmente 226 in einer Schneidestellung zu halten. Das Hilfsantriebselement 18' ist mit einer Sitzeinrichtung versehen, die einen Steg 32', der von einer inneren Umfangswand des Antriebselements 18' nach innen vorsteht, und Ausschnitte 246 (nur einer gezeigt) mit abgeschrägten Kanten 248 zum Einsetzen der Spitzensegmente 226 aufweist. Eine Ausnehmung 250 ist in die innere Oberfläche des Antriebselements 18' benachbart zu dem stromabwärtigen Ende jedes Ausschnitts 246 zum Aufnehmen der Lippen 238 geschnitten.
Ein Hilfseinsatz 24' ist in dem Hilfsantriebselement 18' gehalten, um die Segmente 226 selektiv in einer Schneidestellung zu halten und die Segmente 226 für einen Austausch zu lösen. Der Einsatz 24' ist im wesentlichen der gleiche wie der Einsatz 24 mit der Ausnahme, daß derselbe nicht die Keilnute 218 und die Nasen 220 des Einsatzes 24 aufweist. Das Werkzeug 20' wird verwendet, um den Einsatz 24' zwischen einer Einbaustellung, in der der Einsatz 24' die Segmente 226 in der Schneidestellung positioniert und hält, und einer Wiedergewinnungsstellung, in der der Einsatz 24' zurückgezogen ist, um die Segmente zu lösen, so daß dieselben durch eine Wirkung der elastischen Bänder 242 und 244 auf das Werkzeug 20' zurück zusammenfallen können, zu verschieben.
Bezugnehmend wiederum auf Fig. 1 ist bei diesem Ausführungsbeispiel der Erdbohrer 12 ein Kernprobenentnahmebohrer, beispielsweise von dem Typ, der von LONGYEAR hergestellt wird. Kernprobenentnahmebohrer umfassen typischerweise einen Anschlagring 252, der in einem unteren Ende des Bohrers 12 gehalten ist. Der Anschlagring 252 wird verwendet, um den Durchtritt eines herkömmlichen Kernprobenbehälters 254 (Fasses) (siehe Fig. 10 und 11) zu versperren. Die Oberseite des Kernprobenbehälters 254 ruht auf dem Anschlagring 252, was verhindert, daß der Kernprobenbehälter 254 aus dem Bohrer 12 fällt. Der Kernprobenbehälter 254 wird verwendet, um eine Kernprobe der Erde, die gebohrt wird, zu sammeln und zurückzuhalten. Sobald der Kernprobenbehälter gefüllt ist, wird das Bohren beendet, der Bohrer von dem Boden des Lochs, das gebohrt wird, angehoben, um die Kernprobe zu gewinnen, und nachfolgend der Kernprobenbehälter durch den Bohrer 12 mittels einer Drahtleitung 256 angehoben.
Wenn das System 10 für einen In-Situ-Austausch lediglich einer Bohrerspitze verwendet wird, wird die herkömmliche Kernprobenentnahme-Bohrerspitze (nicht gezeigt) durch das Antriebselement 18, das mit der Räumahle 16 gewindemäßig Eingriff nimmt, ersetzt. Falls das System 10 auch verwendet werden soll, um einen In-Situ-Austausch der Räumahle zu ermöglichen, wird auch die Standardräumahle 16 entfernt und durch das Antriebselement 18' ersetzt. Die Einsätze 24 und/oder 24' sind stets in den entsprechenden Antriebselementen 18 und 18' gehalten. Die Werkzeuge 20 und 20' werden für einen Einbau bzw. ein Wiedergewinnen der Spitzensegmente 22 und 226 in den Bohrer 12 abgesenkt und aus demselben wiedergewonnen. Wenn die Werkzeuge 20 und 20' beseitigt werden, kann ein Standardkernprobengefäß 254 in den Bohrer 12 abgesenkt werden, der durch die Einsätze 24 und 24' gelangt, um einen Kernprobe aufzunehmen.
Das Betriebsverfahren des Systems 10 wird nun in Verbindung mit dem Austausch von Bohrerspitzensegmenten beschrieben.
Das Antriebselement 18 wird auf die Räumahle 16 eines Standardkernprobenentnahmebohrers geschraubt. Das Werkzeug 20 wird in den Einbaumodus eingestellt, indem die Hülse 120 relativ zu dem Ring 126 derart gedreht wird, daß der Vorsprung 130 mit der Einbaumodusauswahleinrichtungsausnehmung 132 Eingriff nimmt. Der Schlitten 176 wird von dem Körper 118 gezogen, was die Feder 184 komprimiert, die durch Verriegelungsstifte (nicht gezeigt), deren Enden sich in den Hohlraum 164 erstrecken, komprimiert gehalten wird. Bei dieser Konfiguration erstrecken sich die Einbau-Verriegelungsnasen 138 lateral von den Schlitzen 139 in die Hülse 120. Jedoch sind die Wiedergewinnungs-Verriegelungsnasen 154 nicht mit den Schlitzen 155 ausgerichtet und sind daher in einem komprimierten Zustand in den Rändern der Hülse 120 gehalten. Spitzensegmente 22 werden in den Schlitten 176 geladen und durch das elastische Band 198 in Position gehalten, das die Oberfläche 82 jedes Spitzensegments 22 berührt. Die Krone 70 jedes Spitzensegments stößt an den Anschlag 182 an. Der Einsatz 24 ist in dem Antriebselement 18 angeordnet und durch eine Klammer 62 über der Sitzeinrichtung 30 gehalten. Der Einsatz 24 ist derart ausgerichtet, daß Spitzen 206 in die Aufwärtsrichtung zeigen. Die Schienen 210 des Einsatzes 24 gleiten in Schlitzen 60, um zu ermöglichen, daß der Einsatz 24 entlang der Innenseite des Antriebselements 18 gleitet.
Das Werkzeug 20 ist über den Drahtleitungsadapter 124 mit einem Standarddrahtleitungs-Overshot verbunden und in die Transporthülse 260 (die in Fig. 15 gezeigt ist) eingebracht, die die Einbau-Verriegelungsnasen 138 zusammendrückt. Die Transporthülse 260 zusammen mit dem Werkzeug 20 wird dann durch die Mitte des Bohrers 12 abgesenkt. Das Transporthülseneigengewicht 262 (siehe Fig. 16) kann an einem oberen Ende der Hülse 260 angebracht sein, um die Absenkungsrate des Werkzeugs 20 zu erhöhen. Das Absenken der Transporthülse 260 wird durch einen Anschlag mit dem Anschlagring 252 gestoppt. Jedoch setzt das Werkzeug 20, dessen äußerer Durchmesser kleiner ist als der innere Durchmesser des Rings 252, sein Absenken fort. Während das Werkzeug 20 durch den Anschlagring 252 gelangt, werden die Einbau-Verriegelungsnasen 138 durch die Feder 150 vorgespannt, um sich von den Schlitzen 139, die in der Hülse 120 gebildet sind, zu erstrecken. Die Lagerflächen 152 der Verriegelungsnasen 138 berühren die Spitzen 206, was bewirkt, daß sich das Werkzeug 20 dreht, bis eine Stellung erreicht ist, in der die Lagerflächen 152 auf Flachstellen 208, die die Spitzen 206 trennen, ruhen. Die Drehung des Werkzeugs 20 stellt eine richtige Ausrichtung der Spitzensegmente 22 mit Ausnehmungen 56 des Antriebselements 18 und Keilnuten 218 des Einsatzes 24 sicher.
Die Verriegelungsnasen 138 werden auf den Zusammenprall mit Spitzen 206 hin um eine kurze Entfernung rückwärts getrieben, was eine entsprechende Bewegung in der Hülse 120 bewirkt. Diese Aktion hat zur Folge, daß die Rille 196 über den Ausnehmungen 192 angeordnet wird, so daß die Stifte (nicht gezeigt), die sich in derselben befinden, von dem Hohlraum 164 zurückgezogen werden, was ermöglicht, daß sich die Feder 184 ausdehnt. Dies wiederum bewirkt, daß der Schlitten 176 in den Körper 118 zurückgezogen wird. Die Oberfläche 98 jedes Spitzensegments gleitet entlang des kegelstumpfförmigen Endes 172, um sich lateral bezüglich des Körpers 118 auszudehnen und die innere Wand 22 zu berühren (siehe Fig. 9). Während das Werkzeug 120 sein Absinken fortsetzt, nimmt die Stufe 90 der Schäfte 68 mit dem Steg 32 auf dem Antriebselement 18 Eingriff.
Die fortgesetzte Abwärtsbewegung des Werkzeugs 120 zieht ferner den Einsatz 24 durch die Einbau-Verriegelungsnasen 138, die auf den Flachstellen 208 aufliegen, abwärts. Wenn die Stufe 90 jeder Spitze mit dem Steg 32 Eingriff nimmt, ist eine weitere Abwärtsbewegung der Spitzensegmente 22 verhindert. Der Einsatz 24 sammelt die Rückseite der Spitzensegmente und ist wirksam, um die Spitzensegmente 22 gegen die Vorspannung des elastischen Bandes 198, das die Spitzensegmente in getrennten Ausnehmungen 58 positioniert, nach außen in der radialen Richtung auszudehnen. Der Einsatz 24 setzt seine Abwärtsbewegung fort, bis derselbe die Einbaustellung erreicht, in der seine Keilnuten 218 über die Spitzensegmente 22 gleiten, um die Spitzensegmente zwischen dem Antriebselement 18 zu halten. Das elastische Band 198 befindet sich in einem Hohlraum, der zwischen der Oberfläche 44 des Antriebselements 18 und der Oberfläche 82 der Spitzensegmente 22 gebildet ist.
Das Werkzeug 20 kann dann über die Drahtleitung 256 zu dem Anschlagring 252 herausgezogen werden, woraufhin die Einbau-Verriegelungsnasen 138 zusammengedrückt werden, indem dieselben durch den Ring 252 rückwärts gezogen werden. Das Werkzeug 20 betritt dann wieder die Transporthülse 260 und beide werden vollständig aus dem Bohrer 12 herausgezogen.
Die Spitzensegmente 22, die um das Antriebselement 18 verriegelt sind, bilden eine Bohrerspitze zum Schneiden der Erde. Ein Standardkernprobengefäß 254 kann dann über eine Drahtleitung 256 in den Bohrer 12 abgesenkt werden, um eine Kernprobe der Erde, die gebohrt wird, zu halten. Der Einsatz 24 ist dimensioniert, um zu ermöglichen, daß der Kernprobenbehälter 254 (siehe Fig. 10 und 11) durch denselben gelangt.
Wenn die Spitzensegmente 22 zwischen dem Antriebselement 18 und dem Einsatz 24 zurückgehalten sind, um eine Bohrerspitze zu bilden, wird der Bohrer 12 zu dem Boden des Bohrlochs, das gebohrt wird, abgesenkt und gedreht, um das Bohren zu beginnen. Bezugnehmend auf Fig. 10 werden, wenn die Spitzenkronen 70 den Boden des Lochs berühren, die Spitzensegmente 22 angetrieben, um rückwärts zu gleiten, wobei die Oberflächen 34, 48 und 52 des Antriebselements gegen die Oberflächen 86, 112 bzw. 114 der Spitzensegmente gelagert sind. In diesem Modus (Bohrmodus) sind die Stufen 90 über dem Steg 32 beabstandet. Die Gleitbewegung der Spitzensegmente ist durch die Oberflächen 77 und 88 der Spitzensegmente und die Oberfläche 38 des Antriebselements, die sich alle parallel zu der Achse 36 erstrecken, erleichtert.
Die Anordnung von Oberflächen auf den Spitzensegmenten 22 und dem Antriebselement 18 überträgt das Spitzengewicht und innere/äußere Rotationskräfte, die während des Bohrens erzeugt werden, auf das Antriebselement 18. Ferner verriegelt diese Aktion den Einsatz 24 mittels einer Klemmwirkung in Position, da die oberste innere Kante jedes Spitzensegments leicht nach innen gedrückt wird, gegen die äußere Umfangswand 212 des Einsatzes 24.
Die Übertragung von Kräften während eines Bohrens zwischen den Spitzensegmenten 22 und dem Antriebselement 18 ist eben falls in Fig. 10 gezeigt und wird hierin nachfolgend beschrieben. Ein Pfeil A zeigt die Richtung der Übertragung eines Abschnitts des Stranggewichts von der Spitzenkrone 70 zu dem Antriebselement 18 während eines Bohrens. Diese Kraft ist in die Längsrichtung des Antriebselements 18 gerichtet und wird auf die Oberflächen 48 und 52 ausgeübt. Der Rest des Stranggewichts wird durch die Oberfläche 86 jedes Spitzensegments zu der Oberfläche 34 jeder Keilnut übertragen, wie durch einen Pfeil F in Fig. 10 gezeigt ist. Diese Kraft bewirkt ferner, daß sich die Spitzensegmente 22 radial nach innen bewegen, um die Klemmwirkung gegen den Einsatz 24, die während des Bohrens erforderlich ist, zu liefern.
Äußere Radialkräfte, die auf die Fläche 108 der Kronen 70 wirken, werden durch die Oberfläche 52 auf das Antriebselement übertragen, wie durch einen Pfeil B gezeigt ist. Diese Kräfte werden ebenfalls durch Oberflächen 52 und 48 des Antriebselements 18 getragen. Innere radiale Kräfte auf die Spitzenkrone 70 und die Antriebsnasen 56 werden über die Oberfläche 48 zu dem Antriebselement übertragen, wie durch einen Pfeil C gezeigt ist.
Während einer Kerngewinnung (die in Fig. 11 gezeigt ist) gleiten die Spitzensegmente, wenn der Bohrer 12 von dem Boden des Bohrlochs angehoben wird, relativ zu dem Antriebselement 18, bis die Stufen 90 an den Steg 32 anstoßen, wobei die Oberflächen 40 und 46 des Antriebselements an den Oberflächen 84 bzw. 78 der Spitzensegmente anliegen. Das Kernprobengefäß 254 übt ebenfalls eine Kraft gegen die Oberfläche 102 der Spitzensegmente 22 aus. Diese Kraft wird in einer Diagonalrichtung, die zu dem Boden des Bohrlochs hin geneigt ist, von den Spitzensegmenten 22 zu dem Antriebselement 18 zwischen jeweiligen Oberflächenpaaren 77 und 46 und 84 und 40 übertragen, wie durch Pfeile D, E und G gezeigt ist.
Ein Raum oder Zwischenraum zwischen den Oberflächen 78 und 46 auf den Spitzensegmenten 22 bzw. dem Antriebselement 18 (in Fig. 10 gezeigt) ermöglicht, daß sich die Spitzensegmente 22 radial nach außen biegen, wenn das Kernprobengefäß 254 während einer Kerngewinnung eine Kraft auf die Spitzensegmente 22 ausübt. Dies verteilt die Spitzensegmente während einer Kerngewinnung von der Achse 36 weg und ermöglicht, daß die Kernprobe aus der Gesteinsformation, die gebohrt wird, auf die herkömmliche Art und Weise über eine Kernprobengefäßhebevorrichtung (nicht gezeigt) gewonnen (gebrochen) wird.
Während des Bohrens verriegelt, wie oben erklärt wurde, der Einsatz 24 die Spitzensegmente 22 durch eine Klemmwirkung in Position, da die obere innerste Kante jedes Spitzensegments gegen die äußere Umfangswand 212 des Einsatzes 24 leicht nach innen gedrückt wird.
Ein Rotationsantrieb wird von dem Antriebselement 18 über Antriebsnasen 56 zu den Spitzensegmenten 22 übertragen (rotiert).
Eine Spitzen-Schmierung und -Kühlung wird auf die herkömmliche Art und Weise geliefert, wobei ein Fluid in den Bohrer 12 gepumpt und über innere Kanäle 222 des Einsatzes 24 geleitet wird, was ermöglicht, daß das Fluid die Spitzenkrone 70 erreicht. Jedoch unterscheidet sich das Kühlen an der Spitzenkrone 70 wesentlich von dem, das mit herkömmlichen Bohrerspitzen erreicht wird. Extrem breite Kanäle sind gemäß dem vorliegenden System 10 durch die Zwischenräume, die zwischen benachbarten Spitzensegmenten 22 gebildet sind, automatisch vorgesehen.
Bei herkömmlichen Bohrerspitzen sind relativ schmale Kanäle oder Rillen in die Krone geschnitten, um den Durchtritt von Schmier- und Kühl-Fluid zu ermöglichen. Die Zwischenräume zwischen den Spitzensegmenten 22 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel stellen eine Zunahme von zwischen 300% bis 600% der Kanalbreite im Vergleich zu herkömmlichen Bohrerspitzen dar. Umgekehrt existiert eine wesentliche Reduzie rung des Oberflächenbereichs der Spitzenkrone 70. Dies ist gegenläufig zu der herkömmlichen Praxis des Spitzenmatrixentwurfs. Es wird angenommen, daß die vorliegende Anordnung von Bohrerspitzensegmenten ein effizienteres Schneiden liefert, da eine Kühlung, eine Spülung von Verunreinigungen und eine Schmierung effizienter und mit geringeren Pumpdrücken erreicht wird. Der Kronenentwurf bietet ferner eine erhöhte Durchdringungsrate durch die Konzentration des Bohrergewichts auf eine kleinere Schneidefläche. Die extra breiten Kanäle zwischen benachbarten Spitzensegmenten verhindern ferner das Problem einer Spitzenkanalblockierung und einer verlorenen Zirkulation, die durch ein Abgraten der Spitzenkrone oder eine Verunreinigung durch Bohrerabfälle bewirkt werden.
Um Spitzensegmente 22 wiederzugewinnen und auszutauschen, wird der Bohrer 12 anfänglich um eine kurze Entfernung von dem Boden des Lochs angehoben, um eine Kernprobe aus der Gesteinsformation 264 zu brechen (zu gewinnen). Der Kernprobenbehälter 254 wird dann durch die Verwendung einer Drahtleitung 256 auf die herkömmliche Art und Weise von dem Bohrer entfernt.
Das Werkzeug 20 wird durch eine Gegendrehung der Hülse 120, derart, daß die Wiedergewinnungsausnehmung 134 mit dem Vorsprung 130 Eingriff nimmt, in den Wiedergewinnungsmodus gebracht. Dies hat zur Folge, daß die Schlitze 155 mit den Wiedergewinnungs-Verriegelungsnasen 154 ausgerichtet werden, die vollständig ausgedehnt werden und sich über die Oberfläche der Hülse 120 hinaus erstrecken. Das Werkzeug 20 wird in die Transporthülse 260 eingebracht und durch den Bohrer 12 abgesenkt. Auf das Erreichen des Anschlagrings 252 hin wird das Absenken der Hülse 260 gestoppt, wobei sich jedoch das Werkzeug 20 durch den Anschlagring 252 weiterbewegt, was die Wiedergewinnungs- und Einbau-Verriegelungsnasen 138, 154 freilegt, die die innere Umfangswand des Bohrers 12 berühren.
Das Werkzeug 20 betritt dann den Einsatz 24 und bewirkt dadurch, daß die Wiedergewinnungs-Verriegelungsnasen durch eine Berührung mit der inneren Umfangswand des Einsatzes 24 zusammengedrückt werden. Die Einbau-Verriegelungsnasen 138 berühren die Spitzen 206, was das Werkzeug in eine richtige Ausrichtung in dem Antriebselement 18 dreht. Wenn die Einbau-Verriegelungsnasen 138 auf den Flachstellen 208 zu liegen kommen, dehnen sich die Wiedergewinnungs-Verriegelungsnasen 154 in die Schlitze 214 aus, die in dem Einsatz 24 vorgesehen sind. Der Schlitten 176 ist in einer ausgedehnten Stellung, wobei die Feder 184 komprimiert ist und die Mutter 186 durch die Verriegelungsstifte (nicht gezeigt), die sich in den Ausnehmungen 192 befinden, gegen eine Linearbewegung verriegelt ist. Der Schlitten 176 ist bezüglich der Spitzensegmente 22 mittig angeordnet, wobei sich der Anschlag 182 über die Spitzenkronen 70 hinaus erstreckt. Während nun das Werkzeug 20 um eine kurze Entfernung durch eine Drahtleitung 256 angehoben wird, ziehen die Wiedergewinnungs-Verriegelungsnasen 154 den Einsatz 24 zurück, welcher entlang der Schlitze 60 in dem Antriebselement 18 gleitet. Gleichzeitig werden die Spitzensegmente 22 losgelassen und fallen durch eine Kontraktion des elastischen Bandes 198 auf dem Schlitten 176 zusammen. Auf ein weiteres Aufwärtsziehen des Werkzeugs 20 hin werden die Wiedergewinnungs-Verriegelungsnasen 154 automatisch von dem Einsatz 24 gelöst, indem dieselben durch die verjüngten Oberflächen 65 auf der Klammer 62 zusammengedrückt werden.
Während das Werkzeug seine Aufwärtsbewegung fortsetzt, verläßt es den Einsatz 24, wobei sowohl die Wiedergewinnungs- Verriegelungsnasen als auch die Einbau-Verriegelungsnasen die innere Umfangswand des Bohrers 12 berühren. Beim Erreichen des Anschlagrings 252 werden die Einbau-Verriegelungsnasen gegen die Vorspannung der Feder 150 zusammengedrückt, um durch den Ring 252 zu gelangen. Um die Wiedergewinnungs- Verriegelungsnasen 154 zusammenzudrücken, sind die Flächen 162 zusammen mit der unteren Endfläche des Anschlagrings 252 mit Abschrägungen oder Verjüngungen versehen, so daß bei einem Auftreffen der Wiedergewinnungs-Verriegelungsnasen auf dem Anschlagring das Ausüben einer Aufwärtskraft zur Folge hat, daß die Wiedergewinnungs-Verriegelungsnasen zusammengedrückt werden, um durch den Anschlagring 252 zu gelangen.
Das Werkzeug 20 betritt dann erneut die Transporthülse 260 und wird zusammen mit derselben zu der Oberfläche gezogen. Die Spitzensegmente 22 können dann von dem Schlitten 176 entfernt werden, wobei neue Bohrerspitzen für einen Einbau auf dem Antriebselement 18 an demselben befestigt werden können.
Der In-Situ-Austausch der Räumahlensegmente 226 durch eine Wechselwirkung des Räumahlenwerkzeugs 20', des Hilfsantriebselements 18' und des Hilfseinsatzes 24' ist im wesentlichen identisch zu dem oben bezugnehmend auf die Spitzensegmente 22 beschriebenen. Der einzige wesentliche Unterschied zwischen den beiden ist die Operation des Schlittens 176'. Bezugnehmend auf Fig. 2 werden die Räumahlensegmente 226 in den Ausnehmungen 227 des Schlittens 176 plaziert. Wenn die Einbau-Verriegelungsnasen 138 auf die Spitzen des Einsatzes 24' treffen, wird die Hülse 120' rückwärts getrieben, d. h. in die stromaufwärtige Richtung. Folglich stoßen die Lippen 232 auf der Hülse 120' auf die Lippen 238 der Platte 236. Dies bewirkt, daß die Räumahlensegmente 226 entlang der Rampen 228 gleiten, so daß sich die Lippe 240 lateral bezüglich der äußeren Oberfläche der Hülse 120' ausdehnt. Auf diese Weise kann die Lippe 240 dann den Steg 32' berühren, um eine weitere Abwärtsbewegung der Räumahlensegmente 226 zu stoppen. Eine Wiedergewinnung der Räumahlensegmente wird auf die gleiche Art und Weise wie für die Spitzensegmente erreicht.
Wenn es erwünscht ist, austauschbare Räumahlensegmente in den Bohrer 12 aufzunehmen, wird die Standardräumahle 16 durch das Antriebselement 18' ersetzt. Die Räumahlensegmente 226 werden typischerweise gleichzeitig mit den Bohrerspitzensegmenten 22 gewechselt, indem der Drahtleitungs-Overshot 234 des Werkzeugs 20' mit dem Drahtleitungsadapter 124 des Werkzeugs 20 verbunden wird. Dies ermöglicht eine Relativdrehung der Werkzeuge 20 und 20'. Obwohl ein Räumahlensegment- und Spitzensegment-Austausch gleichzeitig stattfinden würde, werden die Räumahlensegmente nicht so häufig ersetzt wie die Spitzensegmente. Wenn die Räumahlensegmente nicht ersetzt werden, wird das Werkzeug 20' in dem Einbaumodus belassen und keine Räumahlensegmente 226 werden auf den Schlitten 176' geladen.
Aus der obigen Beschreibung ist es offensichtlich, daß die vorliegende Erfindung zahlreiche Vorteile und Nutzen gegenüber dem Stand der Technik aufweist. Am wichtigsten ist, daß dieselbe einen einfachen und sehr schnellen Austausch der Bohrerspitze und der Räumahle ermöglicht, ohne den Bedarf danach, den Strang aus dem Loch herauszuziehen, wodurch die Stillstandszeit reduziert wird, die Produktivität erhöht wird und die Bohrkosten reduziert werden. Die Leichtigkeit und Einfachheit des Wechsels der Bohrerspitze unterstützt ferner das Wechseln von Bohrerspitzen in Verbindung mit Änderungen des Untergrunds, um die Spitzen-Härte und -Charakteristika entsprechend dem angetroffenen Untergrund zu optimieren. Diesbezüglich ist es bekannt, daß Bohrerspitzen vollständig abgenutzt werden, wenn dieselben durch einen Untergrund einer Tiefe von weniger als einem Meter bohren, wenn die Bohrerspitze nicht speziell für den angetroffenen Untergrund entworfen ist. Zusätzlich liefern die einzigartige Form und die Konfiguration der Bohrerspitzen in Verbindung den Keilnuten des Antriebselements und der Konfiguration des Einsatzes folgende Hauptfunktionen:
1. Die verjüngten Oberflächen auf den Spitzensegmenten und dem Antriebselement übertragen die Belastungskräfte, die auf die Spitzenkrone ausgeübt werden, während eines Anhebens des Bohrerstrangs, um die Kernprobe zu brechen und wiederzugewinnen, gleichmäßig über das gesamte Antriebselement 18, wodurch die Möglichkeit eines Abspringens der Spitzensegmente 22 vermieden wird.
2. Die Oberflächen auf der Seite 74 der Spitzensegmente 22 in Verbindung mit den Antriebsnasen 56 und dem Einsatz 24 übertragen das Stranggewicht und das Rotationsdrehmoment, die während eines Bohrens ausgeübt werden, gleichmäßig über die gesamte Antriebselementanordnung. 3. Die Oberflächen des Antriebselements 18 und der Spitzensegmente ermöglichen, daß die Spitzensegmente zwischen dem Antriebselement 18 und dem Einsatz 24 gleiten, wenn sich die Bohroperation von dem Bohrmodus in den Kerngewinnungsmodus ändert, was eine einfache Einschnappverriegelung und Entriegelung der Spitzensegmente während eines Einbaus und einer Wiedergewinnung liefert.
4. Die Oberflächen des Antriebselements 18 und der Basis der Spitzenkrone 70 sind ferner wirksam, um den inneren/äußeren Radialkräften, denen die Spitzenkrone während einer Bohrdrehung ausgesetzt ist, entgegen zu wirken.
5. Die gleitende und nicht-festsitzende Befestigung der Spitzensegmente in dem Antriebselement ermöglicht eine Leichtigkeit des Einbringens und des Zurückziehens. Dieselbe verhindert ferner Probleme, die einer Verunreinigung von Teilen mit Bohrfluid oder Bohrabfällen zugeordnet sind.
6. Die Verwendung von zusammenpassenden verjüngten Oberflächen anstelle von Gewinden ermöglicht eine maximale Entwurfsfestigkeit entlang der vollständigen Länge jedes Spitzensegments 22, um einen sehr robusten und einfachen Spitzensegmententwurf zu erhalten.
7. Die Rückwärts- und Vorwärts-Bewegung, die bei dem Entwurf des Antriebselements 18 geliefert wird, und die auftritt, wenn der Bohrer von dem Boden des Bohrlochs angehoben wird oder mit dem Boden des Bohrlochs Eingriff nimmt, reinigt automatisch die Spitzensegmente. Dieselbe wird ferner automatisch jegliche Blockierung von Spitzensegmenten, die durch eine Verunreinigung oder dergleichen, die beim Bohren bestimmter Formationen auftreten kann, bewirkt wird, korrigieren.
8. Die Wechselwirkung zwischen den Oberflächen des Spitzensegments und den Keilnuten verriegelt ferner automatisch den Einsatz 24 in dem Bohrmodus, sobald die Spitzenkrone 70 den Boden des Bohrlochs berührt, und löst den Einsatz, sobald der Bohrerstrang von dem Boden des Bohrlochs angehoben wird.

Claims

1. Ein Segment (22) einer Kernbohrerspitze, die zum Zurückhalten in einem Erdbohrer (12) angepaßt ist, wobei das Segment (22) eines einer Mehrzahl getrennter und identischer Segmente (22) ist, die zusammen die Kernbohrerspitze aufweist, um eine Kernprobe (264) aus der Erde zu schneiden, wobei jedes Segment (22) eine Schneidefläche (72) aufweist, um die Erde in Eingriff zu nehmen und zu schneiden, wenn das Segment in einer Schneidestellung in den Erdbohrer (12) eingesetzt ist, wobei das Segment (22) durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist: einen Schaft (68), der sich von der Schneidefläche (72) erstreckt und der eine Seite (74) aufweist, die angepaßt ist, um in der Schneidestellung einer inneren Umfangswand (26) des Erdbohrers (12) zugewandt zu sein und gegen dieselbe anzuliegen, wobei die Seite (74) eine Reihe von Oberflächen (76, 77, 78, 80, 82, 84, 86, 88) aufweist, die konfiguriert und benachbart zueinander angeordnet sind, derart, daß in der Schneidestellung das Segment (22) ansprechend darauf, daß der Erdbohrer von dem Boden eines Lochs, das durch den Erdbohrer (12) gebohrt wird, angehoben oder auf denselben abgesenkt wird, relativ zu dem Erdbohrer (12) gleiten kann.

2. Ein Segment nach Anspruch 1, bei dem die Reihe von Oberflächen (76, 77, 78, 80, 82, 84, 86, 88) ferner derart konfiguriert und benachbart zueinander angeordnet ist, daß sich ein unteres Ende des Segments (22) in einer radialen Richtung von einer longitudinalen Achse (36) des Erdbohrers (12) weg biegen kann, wenn der Erdbohrer (12) von dem Boden des Lochs angehoben wird, um die Kernprobe (264) zu gewinnen.

3. Ein Segment nach Anspruch 2, bei dem jedes Segment (22) eine Krone (70) aufweist, auf der die Schneidefläche (72) gebildet ist, und bei dem sich der Schaft (68) von einer Seite der Krone (70), die der Schneidefläche (72) gegenüber liegt, erstreckt, wobei die Krone (70) und ein benachbarter Abschnitt des Schafts (68) konfiguriert sind, um mit einer unteren Endoberfläche (52) des Erdbohrers (12) zusammenzupassen, wenn der Erdbohrer (12) ein Loch bohrt, wodurch Kräfte (B), die radial nach innen auf die Bohrerspitzenkrone (70) wirken, durch das Segment (22) zu dem Erdbohrer (12) übertragen werden.

4. Ein Segment nach Anspruch 3, bei dem die Reihe von Oberflächen (76-88) ferner derart konfiguriert und benachbart zueinander angeordnet sind, daß sich ein oberes Ende des Segments (22) radial nach innen bewegen kann, um gegen einen Einsatz (18), der in dem Erdbohrer (12) gehalten ist, zu klemmen, um das Segment (22) in der Schneidestellung zu halten.

5. Ein Segment nach Anspruch 4, bei dem die Reihe von Oberflächen (76-88) eine erste Oberfläche (76) benachbart zu der Seite der Krone (70), die der Schneidefläche (72) gegenüberliegt, aufweist, wobei sich die erste Oberfläche (76) zu der longitudinalen Achse (36) des Erdbohrers (12) hin in einer Aufwärtsrichtung verjüngt.

6. Ein Segment nach Anspruch 5, bei dem die Reihe von Oberflächen (76-88) eine zweite Oberfläche (77) benachbart zu der ersten Oberfläche (76) aufweist, wobei sich die zweite Oberfläche (77) parallel zu der longitudinalen Achse (36) erstreckt.

7. Ein Segment nach Anspruch 6, bei dem die Reihe von Oberflächen (76-88) eine dritte Oberfläche (78) benachbart zu der zweiten Oberfläche (77) aufweist, wobei sich die dritte Oberfläche (78) von der Achse (36) weg in einer Aufwärtsrichtung verjüngt.

8. Ein Segment nach Anspruch 7, bei dem die Reihe von Oberflächen (76-88) eine vierte Oberfläche (80) benachbart zu der dritten Oberfläche (78) aufweist, wobei sich die vierte Oberfläche (80) zu der longitudinalen Achse (36) hin in einer Aufwärtsrichtung verjüngt.

9. Ein Segment nach Anspruch 8, bei dem die Reihe von Oberflächen (76-88) eine fünfte Oberfläche (82) benachbart zu der vierten Oberfläche (80) aufweist, wobei sich die fünfte Oberfläche (82) parallel zu der longitudinalen Achse (36) erstreckt.

10. Ein Segment nach Anspruch 9, bei dem die Reihe von Oberflächen (76-88) eine sechste Oberfläche (84) benachbart zu der fünften Oberfläche (82) aufweist, wobei sich die sechste Oberfläche (84) von der longitudinalen Achse weg in einer Aufwärtsrichtung verjüngt.

11. Ein Segment nach Anspruch 10, bei dem die Reihe von Oberflächen (76-88) eine siebte Oberfläche (86) aufweist, wobei die siebte Oberfläche (86) benachbart zu der sechsten Oberfläche (84) ist und sich zu der longitudinalen Achse (36) hin in der Aufwärtsrichtung verjüngt.

12. Ein Segment nach Anspruch 11, bei dem die Reihe von Oberflächen (76-88) eine achte Oberfläche (88) aufweist, wobei die achte Oberfläche (88) benachbart zu der siebten Oberfläche (86) ist und sich parallel zu der longitudinalen Achse (36) erstreckt.

13. Ein Segment nach Anspruch 12, das ferner eine Stufe (90) aufweist, die benachbart zu der achten Oberfläche (88) angeordnet ist, um mit dem Erdbohrer (12) Eingriff zu nehmen und die Abwärtsbewegung des Segments zu begrenzen.