EP3117068B1 - Underwater drilling device and method for obtaining and analysing soil samples of the bed of a body of water - Google Patents

Description

Translated fromGerman

Die Erfindung betrifft eine Unterwasser-Bohrvorrichtung gemäß Anspruch 1.The invention relates to an underwater drilling device according toclaim 1.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Beschaffen und Analysieren von Bodenproben eines Gewässerbodens, gemäß Anspruch 9.The invention further relates to a method for obtaining and analyzing soil samples of a waterbottom, according to claim 9.

Eine gattungsgemäße Unterwasser-Bohrvorrichtung und ein gattungsgemäßes Verfahren gehen beispielsweise aus derWO 2012/000077 A1 oder derUS 7,380,614 B1 hervor. Bei diesen bekannten Unterwasser-Kernbohrverfahren wird schrittweise ein Bohrloch entsprechend der Länge eines Bohrgestängeelementes erstellt. Bei jedem Bohrschritt wird der sich im rohrförmigen Bohrgestänge gebildete Bohrkern mit einem Bohrkernfänger aufgenommen, aus dem Bohrgestänge entfernt und in einem Lagerbereich an einem Grundrahmen der Bohrvorrichtung abgelegt. Durch mehrmaliges Wiederholen dieses Kernbohrverfahrens kann eine Vielzahl von Bohrkernen als Bodenproben beschafft und in dem Lagerbereich der Bohrvorrichtung abgelegt werden. Die Bohrkerne erlauben eine sehr gute Aussage über den Aufbau des Gewässerbodens.A generic underwater drilling device and a generic method, for example, go from the WO 2012/000077 A1 or the US 7,380,614 B1 out. In these known underwater core drilling methods, a borehole is gradually created according to the length of a drill string element. In each drilling step, the core formed in the tubular drill string is received with a drill core catcher, removed from the drill pipe and stored in a storage area on a base frame of the drilling device. By repeatedly repeating this core drilling method, a plurality of cores can be obtained as soil samples and stored in the storage area of the drilling apparatus. The cores allow a very good statement about the structure of the waterbed.

Für eine Analyse des Gewässerbodenaufbaues ist es bei diesem bekannten Stand der Technik notwendig, die gesamte Bohrvorrichtung von dem Gewässerboden abzuheben und aus dem Gewässer auf ein Versorgungsschiff oder eine Versorgungsplattform zu fördern. Dort können die einzelnen Bohrkerne entnommen, näher untersucht und analysiert werden. Diese Beschaffung und Analyse der Bodenproben ist sehr zeitaufwändig. Insbesondere bei der Durchführung des Verfahrens auf hoher See ist ein hoher Zeitaufwand auch mit sehr hohen Kosten verbunden, da Stunden- oder Tagessätze für Versorgungsschiffe mit dem notwenigen Personal sehr hoch sind. Tagessätze für derartige Versorgungsschiffe können sich auf mehrere 10.000,-EUR bis zu über 100.000,- EUR pro Tag belaufen.For an analysis of the Gewässerbodenaufbaues it is necessary in this prior art to lift the entire drilling device from the water bottom and to promote from the water to a supply ship or supply platform. There, the individual drill cores can be taken, examined more closely and analyzed. This procurement and analysis of the soil samples is very time consuming. In particular, in the implementation of the method on the high seas, a high expenditure of time is associated with very high costs, since hourly or daily rates for supply vessels with the necessary personnel are very high. Daily rates for such supply vessels can amount to several 10,000, -EUR up to over 100,000, - EUR per day.

Aus derWO 2013/188903 A1 ist ein Verfahren zur Untersuchung eines Gewässerbodens bekannt, bei welchem entlang eines Bohrloches mittels einer Sensoreinrichtung die elektrische Leitfähigkeit und eine magnetische Eigenschaft des Bodens erfasst wird. Hierzu wird ein Sensor entlang der Bohrlochwandung verfahren. Für eine zuverlässige Messung sind hierbei jedoch zwei grundsätzliche Verfahrensschritte notwendig. Zunächst ist das Bohrloch zu erstellen, und anschließend ist die Messung vorzunehmen ist. Beim Abbohren des Bohrloches und beim Abfördern des abgebohrten Bodenmateriales aus dem Bohrloch besteht zudem die grundsätzliche Problematik, dass eine Verschmierung zwischen den einzelnen Bodenschichten erfolgen kann. Dies erschwert eine zuverlässige Ermittlung des Schichtaufbaues des Gewässerbodens.From the WO 2013/188903 A1 For example, a method for testing a waterbed is known in which the electrical conductivity and a magnetic property of the soil are detected along a borehole by means of a sensor device. For this purpose, a sensor is moved along the borehole wall. For a reliable measurement, however, two basic process steps are necessary. First, the borehole is to be created, and then the measurement is to be made. When drilling out of the wellbore and the removal of the drilled soil material from the well, there is also the fundamental problem that a smearing between the individual soil layers can take place. This makes reliable determination of the layer structure of the river bottom difficult.

Ein weiteres Verfahren zur Analyse eines Gewässerbodens geht aus derUS 4,043,404 A hervor. Bei diesem bekannten Verfahren wird ein Bohrloch mit einem speziellen Bohrwerkzeug erstellt, welches ein zylindrisches Gehäuse aufweist. In diesem zylindrischen Gehäuse sind Aufnahmebehälter zum Aufnehmen von Bodenproben vorgesehen. Allerdings ist der Aufnahmeraum zum Aufnehmen von Bodenproben innerhalb des im Bohrloch befindlichen Bohrwerkzeuges begrenzt. Zudem ist die Gewinnung von Bodenproben, welche einen erheblich kleineren Durchmesser als der Bohrdurchmesser aufweisen, aufwändig und bedarf eines speziellen Probennehmers.Another method of analyzing a watercourse comes from the US 4,043,404 A out. In this known method, a borehole is created with a special drilling tool which has a cylindrical housing. In this cylindrical housing receptacles are provided for receiving soil samples. However, the receiving space for receiving soil samples within the downhole drilling tool is limited. In addition, the extraction of soil samples, which have a significantly smaller diameter than the drill diameter, consuming and requires a special sampler.

Bei einem Bohrverfahren an Land ist es bekannt, Bohrkerne unmittelbar an der Bohrstelle zu untersuchen.In a drilling method on land, it is known to investigate cores directly at the drilling site.

Aus derDE 695 01 539 D2 geht ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Nachweis von Radioaktivität an einem Bohrkern hervor. An dieser oberirdischen Bohrvorrichtung wird unmittelbar an der Bohrvorrichtung eine Sensoreinrichtung angeordnet, welche radioaktive Strahlung an einem Bohrkern feststellen kann.From the DE 695 01 539 D2 discloses a method and apparatus for detecting radioactivity on a core. At this above-ground drilling device, a sensor device is arranged directly on the drilling device, which can detect radioactive radiation to a drill core.

Der Erfindung liegt dieAufgabe zugrunde, eine Unterwasser-Bohrvorrichtung und ein Verfahren zum Beschaffen und Analysieren von Bodenproben eines Gewässerbodens anzugeben, mit welchem Bodenproben sowohl zuverlässig als auch zeit- und damit kosteneffizient gewonnen und analysiert werden können.The invention has for itsobject to provide an underwater drilling device and a method for obtaining and analyzing soil samples of a waterbed, with which soil samples can be both reliable and time and thus cost-effectively obtained and analyzed.

Die Erfindung wird zum einen durch eine Unterwasser-Bohrvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und zum anderen durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Bevorzugte Ausführungen der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben.The invention is achieved on the one hand by an underwater drilling device with the features ofclaim 1 and on the other hand by a method having the features of claim 9. Preferred embodiments of the invention are specified in the respective dependent claims.

Die Unterwasser-Bohrvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass an dem Grundrahmen in einem Umgebungsbereich der Bohrachse mindestens eine Sensoreinrichtung angeordnet ist, welche zum Ermitteln mindestens einer physikalischen und/oder chemischen Eigenschaft des Bohrkerns ausgebildet ist, und dass eine Datenverarbeitungseinrichtung vorgesehen ist, die zum Speichern von ermittelten Daten zu der mindestens einen physikalischen und/oder chemischen Eigenschaft des Bohrkerns und von Daten zu dem Lagerplatz des Bohrkerns in dem zweiten Lagerbereich ausgebildet ist.The underwater drilling apparatus is characterized in that at least one sensor device, which is designed to determine at least one physical and / or chemical property of the drill core, is arranged on the base frame in a surrounding region of the drilling axis, and in that a data processing device is provided which is capable of storing determined data is formed to the at least one physical and / or chemical property of the core and data to the storage location of the core in the second storage area.

Eine Grundidee der Offenbarung besteht darin, wie bei dem nach dem gattungsbildenden Stand der Technik bekannten Verfahren mit einer Unterwasser-Bohrvorrichtung Bohrkerne während des aufwändigen Kernbohrverfahrens zu gewinnen. Dies so gewonnen Bohrkerne können nach einer Hebung vom Gewässergrund eingehend analysiert werden und können insbesondere bei der Durchführung einer Vielzahl von Probebohrungen an unterschiedlichen Stellen für die Erstellung eines exakten geologischen Profils verwendet werden.A basic idea of the disclosure is to obtain cores during the time-consuming core drilling process as in the underwater drilling apparatus known in the prior art. The cores obtained in this way can be thoroughly analyzed after being lifted from the bottom of the water and can be used in particular for carrying out a large number of test bores at different points for the creation of an exact geological profile.

Dabei besteht ein wesentlicher Aspekt der Offenbarung darin, mit dem Beginn der Analyse der Bohrkerne nicht bis zum Abschluss der Bohrung zu warten. Vielmehr können bereits während des Bohrvorganges beim Abführen des Bohrkernes auf dem Bohrgestänge erste Daten zur Eigenschaft und insbesondere zum Aufbau des Bohrkerns gewonnen werden. Insbesondere bei der Erkundung von Bodenschätzen erlaubt diese erste Analyse von bestimmten Parametern eine Aussage, ob ein weiteres Abbohren an einer Stelle weiterhin sinnvoll ist oder abgebrochen werden sollte. Eine nicht erfolgversprechende Bohrung kann somit frühzeitig festgestellt und beendet werden, was Zeit und Kosten spart.It is an essential aspect of the disclosure, not to wait until the completion of the drilling with the beginning of the analysis of the cores. Rather, it is possible to obtain first data on the property and in particular on the construction of the drill core during the drilling process when the drill core is being removed from the drill string. Especially in the exploration of mineral resources, this first analysis of certain parameters allows a statement as to whether further drilling at one point still makes sense or should be discontinued. An unsuccessful hole can thus be detected and terminated early, which saves time and money.

Zudem können bereits vielversprechende Bohrkerne oder Bohrkerne von besonderem Interesse noch während des Bohrvorganges ermittelt werden. Nach einem Heben der Unterwasser-Bohrvorrichtung mit den Bohrkernen können dann gezielt diese Bohrkerne von besonderem Interesse zuerst untersucht und analysiert werden. Hieraus können schneller Rückschlüsse über Ort oder Art und Weise einer weiteren Probebohrung getroffen werden.In addition, promising drill cores or cores of particular interest can still be determined during the drilling process. After lifting the underwater drilling rig with the cores can then specifically this Core cores of special interest should first be investigated and analyzed. From this, conclusions can be drawn more quickly about the location or type of further test drilling.

Dabei besteht eine bevorzugte Ausführungsform darin, dass eine Datenübertragungseinrichtung vorgesehen ist, mit welcher die ermittelten Daten zu einer beabstandeten Zentrale übertragbar sind. Mittels der Datenübertragungseinrichtung kann die Datenübertragung drahtlos oder drahtgebunden erfolgen. Dies erlaubt eine vorzeitige Analyse von Bohrkernen etwa auf dem Versorgungsschiff oder einer entfernt liegenden Zentrale, noch während die Probebohrung weiter durchgeführt wird.In this case, a preferred embodiment is that a data transmission device is provided, with which the determined data can be transmitted to a remote center. By means of the data transmission device, the data transmission can be wireless or wired. This allows for early analysis of cores on, for example, the supply ship or a remote center while the test well continues to run.

Eine besonders effiziente Verfahrensdurchführung wird gemäß einer Weiterbildung der Unterwasser-Bohrvorrichtung dadurch erreicht, dass die Datenverarbeitungseinrichtung eine Auswerteeinheit aufweist, in welcher Entscheidungskriterien gespeichert sind und welche ausgelegt ist, basierend auf den gespeicherten Entscheidungskriterien eine Entscheidung über einen Fortgang oder einen Abbruch der Bohrung zu treffen. Als Entscheidungskriterien können insbesondere Mindest- oder Maximalwerte für bestimmte physikalische oder chemische Größen vorgesehen sein, welche für eine Entscheidung über einen Fortgang oder einen Abbruch der Bohrung von besonderer Bedeutung sind. So kann etwa eine Aussage zur elektrischen Leitfähigkeit oder zum Induktionsverhalten des Bohrkernes darauf hinweisen, dass etwa spezielle metallische Bodenschätze vorliegen oder nicht vorliegen. Diese Entscheidungskriterien können durch im Voraus durchgeführte Testverfahren oder auch durch empirische Ergebnisse vorausgegangener Bohrungen festgesetzt werden. Die Entscheidungskriterien hängen maßgeblich von der jeweiligen Art der Bodenschätze ab, nach welchen gezielt gesucht wird. Werden beispielsweise bestimmte Kennwerte bei einer bestimmten Bohrtiefe nicht erreicht, so kann es wirtschaftlich sinnvoll sein, das weitere Bohren an dieser Untersuchungsstelle abzubrechen und an einer anderen Stelle fortzusetzen. Es kann auch ein Vergleich mit den Messwerten des oder der vorausgegangenen Bohrkerne in der Datenverarbeitungseinrichtung erfolgen. Es kann so etwa festgestellt werden, ob man sich einem Vorkommen eines bestimmten Bodenschatzes, etwa von Massivsulfid, Erzen oder Öl, nähert oder sich hiervon entfernt.A particularly efficient method implementation is achieved in accordance with a further development of the underwater drilling apparatus in that the data processing unit has an evaluation unit in which decision criteria are stored and which is designed to make a decision based on the stored decision criteria about a progress or termination of the hole. Minimum or maximum values for particular physical or chemical quantities, which are of particular importance for a decision on the progress or termination of the well, may be provided as decision criteria. For example, a statement about the electrical conductivity or the induction behavior of the drill core may indicate that special metallic minerals are present or not present. These decision criteria can be determined by pre-testing or empirical results from previous drilling. The decision criteria depend to a large extent on the respective type of mineral resources, which are searched for purposefully. If, for example, certain characteristic values are not reached at a certain drilling depth, it may be economically sensible to stop further drilling at this examination site and to continue at another location. A comparison can also be made with the measured values of the previous drill core (s) in the data processing device. It can thus be determined, for example, whether one is approaching or moving away from a deposit of a particular mineral, such as massive sulphide, ore or oil.

Aufgrund dieser Ausbildung muss etwa in diesem Fall die Bohrvorrichtung nicht mehr für eine Analyse der Bohrkerne aus dem Gewässer geborgen werden. Vielmehr kann die Unterwasser-Bohrvorrichtung im Gewässer verbleiben und mit dem Versorgungsschiff an eine andere Stelle gesetzt werden. Grundsätzlich kann die Sensoreinrichtung in beliebiger Art und Weise ausgebildet und angeordnet sein. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass die mindestens eine Sensoreinrichtung ringförmig und im Bereich oberhalb der Bohrlochöffnung angeordnet ist. Die Bohrlochöffnung kann dabei ein Bohrlochverschluss oder eine sonstige Anordnung zur Stabilisierung der Öffnung am Bohrloch sein. Über eine ringförmige Anordnung der Sensoreinrichtung kann eine umfassende und vorzugsweise berührungsfreie Erfassung des Bohrkernes unmittelbar bei Austritt aus dem Bohrloch erfolgen. Dabei kann die Sensoreinrichtung so ausgestaltet sein, dass eine Ermittlung berührungslos auch durch die Wandung der rohrförmigen Aufnahme erfolgt, etwa durch eine Wechselwirkung mit einem magnetischen oder elektromagnetischen Feld. So kann etwa ein erhöhter oder verringerter Anteil von Erdöl in einem Gestein dessen elektromagnetisches Resonanzverhalten und dessen Leitfähigkeit merklich verändern.Due to this training, the drilling device no longer needs to be recovered for analysis of the cores from the water, for example in this case. Rather, the underwater drilling device can remain in the water and be placed with the supply ship to another location. In principle, the sensor device can be designed and arranged in any desired manner. According to an advantageous embodiment, it is provided that the at least one sensor device is arranged annularly and in the region above the borehole opening. The well bore may be a downhole closure or other arrangement for stabilizing the well bore opening. By means of an annular arrangement of the sensor device, comprehensive and preferably non-contact detection of the drill core can take place immediately upon exiting the borehole. In this case, the sensor device can be configured so that a determination is also made without contact by the wall of the tubular receptacle, for example by an interaction with a magnetic or electromagnetic field. For example, an increased or decreased proportion of petroleum in a rock can significantly alter its electromagnetic resonance behavior and its conductivity.

Grundsätzlich kann je nach der vorgesehenen Suche nach bestimmten Bodenschätzen eine geeignete Sensoreinrichtung ausgewählt werden. Es können auch optische Sensoren oder Sensoren zur Messung der Radioaktivität vorgesehen sein. Nach einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sensoreinrichtung zur Messung einer Induktivität, elektrischen Leitfähigkeit, einer Kapazität und/oder weiterer physikalischer oder chemischer Größen ausgebildet ist. Insbesondere können in einem ringförmigen Gehäuse auch verschiedene Arten von Sensoren vorgesehen sein, so dass gleichzeitig eine Überprüfung und Analyse nach verschiedenen Kenngrößen erfolgen kann.In principle, depending on the intended search for specific mineral resources, a suitable sensor device can be selected. It may also be provided optical sensors or sensors for measuring the radioactivity. According to a preferred embodiment of the invention, it is provided that the sensor device is designed to measure an inductance, electrical conductivity, a capacitance and / or further physical or chemical variables. In particular, various types of sensors can be provided in an annular housing, so that at the same time a review and analysis can be carried out according to different characteristics.

Weiterhin ist es nach einer Ausführungsform vorteilhaft, dass die Aufnahme rohrförmig als ein Kernrohrfänger ausgebildet ist, welcher an seinem oberen Ende eine Verbindungseinrichtung für die Abführeinrichtung aufweist. Der Kernrohrfänger kann dabei insbesondere als ein dünnwandiges Rohr aus einem Metall oder einem Kunststoff gebildet sein, in welchem sich beim Abbohren des rohrförmigen Bohrgestänges ein innerer verbleibender Bodenbereich als Bohrkern in einen Aufnahmeraum des Kernrohrfängers hineinschiebt. Durch eine entsprechende Verschlussvorrichtung oder sonstige Halteeinrichtungen kann der Bohrkern in der rohrförmigen Aufnahme fixiert werden. Nachdem ein weiterer Bohrschritt entsprechend der Länge eines Bohrgestängeelementes erfolgt ist, kann die Aufnahme mit dem darin eingeschlossenen Bohrkern über die Abführeinrichtung aus dem Bohrgestänge gezogen und zu dem zweiten Lagerbereich gefördert werden, wobei die Aufnahme mit dem Bohrkern an einem bestimmten vorgesehenen Lagerplatz des zweiten Lagerbereiches abgesetzt wird. Nach dem Absetzen kann die Abführeinrichtung von der Aufnahme gelöst werden, so dass nach einem weiteren Bohrschritt eine weitere Aufnahme mit einem Bohrkern abgeführt werden kann.Furthermore, according to one embodiment, it is advantageous for the receptacle to be tubular in shape as a core pipe catcher, which has a connecting device for the removal device at its upper end. The core pipe catcher can be formed in particular as a thin-walled pipe made of a metal or a plastic, in which when drilling the tubular drill string an inner remaining soil area as a core in a receiving space of the core pipe catcher. By a corresponding closure device or other holding devices, the core can be fixed in the tubular receptacle. After a further drilling step has taken place corresponding to the length of a drill string element, the receptacle with the drill core enclosed therein can be pulled out of the drill pipe via the discharge device and conveyed to the second storage area, wherein the receptacle with the drill core is deposited at a specific intended storage location of the second storage area becomes. After settling, the discharge device can be released from the receptacle, so that after a further drilling step, a further receptacle can be removed with a drill core.

Dabei ist es nach einer Weiterbildung zweckmäßig, dass die Abführeinrichtung eine Winde mit einem Hubseil aufweist, an dessen freien Ende eine Verriegelungseinrichtung angeordnet ist, welche mit einer Verbindungseinrichtung an der Aufnahme für den Bohrkern zusammenwirkt. Die Verriegelungseinrichtung kann dabei insbesondere eine Hakenanordnung sein, welche in eine etwa als Öse ausgebildete Verbindungseinrichtung an der rohrförmigen Aufnahme eingreift. Auf diese Weise kann eine formschlüssige Verbindung zum Abführen der Aufnahme mit dem Bohrkern gebildet werden. Es sind aber auch andere Verbindungsmethoden denkbar, etwa eine elektromagnetische Verbindung durch eine Anordnung entsprechender Elektromagnete.It is expedient according to a development that the discharge device comprises a winch with a hoist rope, at the free end of a locking device is arranged, which cooperates with a connecting device on the receptacle for the core. The locking device may in particular be a hook arrangement, which engages in an approximately formed as an eyelet connection means on the tubular receptacle. In this way, a positive connection for discharging the recording with the core can be formed. But there are also other connection methods conceivable, such as an electromagnetic connection by an arrangement of corresponding electromagnets.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante besteht darin, dass der Grundrahmen über eine maritime Nabelschnur mit einem Versorgungsschiff verbunden ist. Die maritime Nabelschnur kann dabei sowohl zur Versorgung mit Energie, insbesondere elektrischer Energie und Hydraulikflüssigkeit, sowie als eine Datenleitung zur Datenkommunikation vorgesehen sein. Weiterhin kann die maritime Nabelschnur auch als ein Hubseil ausgebildet sein, mit welcher neben der Versorgungsfunktion die Unterwasser-Bohrvorrichtung abgesenkt und wieder gehoben werden kann.Another preferred embodiment is that the base frame is connected via a maritime umbilical cord to a supply ship. The maritime umbilical cord can be provided both for the supply of energy, in particular electrical energy and hydraulic fluid, as well as a data line for data communication. Furthermore, the maritime umbilical cord can also be designed as a hoisting rope with which, in addition to the supply function, the underwater drilling device can be lowered and lifted again.

Die eingangs angeführte Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens dadurch gelöst, dass mittels mindestens einer Sensoreinrichtung, welche an dem Grundrahmen in einem Umgebungsbereich der Bohrachse angeordnet ist, mindestens eine physikalische und/oder chemische Eigenschaft des Bohrkernes ermittelt wird, und dass die dabei ermittelten Daten in einer Datenverarbeitungseinrichtung zusammen mit den Daten zu dem Lagerplatz des Bohrkernes in dem zweiten Lagerbereich abgespeichert werden. Das Verfahren kann insbesondere mit der zuvor beschriebenen Unterwasser-Bohrvorrichtung ausgeführt werden.With regard to the method, the object stated at the outset is achieved by virtue of at least one physical and / or chemical property of the drill core by means of at least one sensor device which is arranged on the base frame in a surrounding region of the drilling axis is determined, and that the data determined thereby are stored in a data processing device together with the data to the storage location of the core in the second storage area. The method can be carried out in particular with the underwater drilling device described above.

Es ergeben sich die zuvor beschriebenen Vorteile bei der Durchführung des Verfahrens.This results in the advantages described above in carrying out the method.

Eine bevorzugte Verfahrensvariante besteht darin, dass basierend auf den ermittelten Daten zu der mindestens einen physikalischen und/oder chemischen Eigenschaft des Bohrkernes eine Entscheidung über einen Fortgang oder einen Abbruch der Bohrung getroffen wird, während die Bohrvorrichtung sich weiterhin in dem Gewässer auf dem Gewässerboden befinden. Diese Entscheidung dann dabei vorzugsweise durch die Unterwasser-Bohrvorrichtung selbst durch eine Auswerteeinheit in der Datenverarbeitungseinrichtung getroffen werden oder durch Datenfernübertragung von einer beabstandeten Zentrale, etwa auf dem Versorgungsschiff oder einer Station an Land.A preferred variant of the method is that, based on the determined data on the at least one physical and / or chemical property of the drill core, a decision is made on progress or termination of the drill hole while the drilling device continues to be located in the body of water on the water bed. This decision then preferably be made by the underwater drilling device itself by an evaluation in the data processing device or by remote data transmission from a remote center, such as on the supply ship or a station on land.

Auf diese Weise können Fehlbohrungen frühzeitig erkannt und die Unterwasser-Bohrvorrichtung zeit- und kosteneffizient eingesetzt werden.In this way, bad holes can be detected early and used the underwater drilling device time and cost efficient.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen weiter erläutert, welche schematisch in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1

eine schematische perspektivische Ansicht einer Unterwasser-Bohrvorrichtung nach der Erfindung;

Fig. 2

eine schematische Seitenansicht der Unterwasser-Bohrvorrichtung nachFig. 1; und

Fig. 3

eine schematische Darstellung mit einer Vielzahl von Probebohrungen.

The invention will be further elucidated on the basis of preferred exemplary embodiments, which are illustrated schematically in the attached drawings. In the drawings show:

Fig. 1

a schematic perspective view of an underwater drilling apparatus according to the invention;

Fig. 2

a schematic side view of the underwater drilling device according to Fig. 1 ; and

Fig. 3

a schematic representation with a large number of test bores.

Der Aufbau und die Funktion einer Unterwasser-Bohrvorrichtung 10 werden im Zusammenhang mit denFiguren 1 und2 erläutert. Die Unterwasser-Bohrvorrichtung 10 umfasst einen kastenförmigen Grundrahmen 12, welcher aus Stahlträgern aufgebaut ist. In einem mittleren Bereich des Grundrahmens 12 ist eine vertikal gerichtete Bohrführung 24 vorgesehen, entlang welcher ein Bohrantrieb 20 mit einer Spanneinrichtung 22 zum Spannen von Bohrgestängeelementen 32 vertikal verfahrbar entlang einer Bohrachse 21 gelagert und angetrieben ist. Zusätzlich ist der Bohrantrieb 20 senkrecht zur Bohrachse 21 in einer horizontalen Richtung entlang einer Querschiene 23 von der Bohrachse 21 weg verschiebbar. Der Bohrantrieb 21 kann dabei als Teil einer Zuführeinrichtung 38 dienen, um in einem ersten Lagerbereich 14 des Grundrahmens 12 nicht dargestellte, gelagerte Bohrgestängeelemente 32 zu greifen und diese in die Bohrachse 21 zu führen. Die nur schematisch angedeutete Zuführeinrichtung 38 kann weitere Handhabungseinrichtungen aufweisen, um in bekannter Weise vertikal gerichtete, gelagerte Bohrgestängeelemente 32 zu greifen und zur Bohrachse 21 zu fördern.The structure and function of anunderwater drilling device 10 are in connection with the FIGS. 1 and 2 explained. Theunderwater drilling apparatus 10 comprises a box-shapedbase frame 12 which is constructed of steel girders. In a central region of thebase frame 12, a vertically directeddrill guide 24 is provided, along which adrill drive 20 is mounted and driven with aclamping device 22 for clampingdrill pipe elements 32 vertically movable along adrilling axis 21. In addition, thedrill drive 20 is displaceable perpendicular to thedrilling axis 21 in a horizontal direction along a transverse rail 23 of thedrilling axis 21 away. The drill drive 21 can serve as part of afeed device 38 to grip in afirst storage area 14 of thebase frame 12, not shown, mounteddrill string elements 32 and to guide them into thedrilling axis 21. Thefeed device 38, which is indicated only schematically, can have further handling devices in order to grasp, in a known manner, vertically oriented, mounteddrill pipe elements 32 and to convey them to thedrilling axis 21.

Zum Bilden eines Bohrgestänges 30 wird ein neues Bohrgestängeelement 32 an ein bereits vorhandenes Bohrgestängeelement 32 mittels Schraubverbindung angeschlossen. InFig. 1 ist lediglich ein einzelnes Bohrgestängeelemente 32 gezeigt, welches in einem ersten Bohrschritt in den Gewässerboden 5 eingebracht wurde. Bei diesem anfänglichen Bohrgestängeelement 32 ist am unteren Ende ein Bohrkopf 31 mit bodenabtragenden Schneidwerkzeugen vorgesehen. Beim Abbohren des rohrförmigen Bohrgestängeelementes 32 bildet sich ein zylindrischer Bohrkern aus dem anstehenden Bodenmaterial. Dieser Bohrkern wird in einer rohrförmigen Aufnahme 34 aufgenommen, welche im Inneren des Bohrgestänges 30 angeordnet ist.To form adrill pipe 30, a newdrill pipe element 32 is connected to an existingdrill pipe element 32 by means of a screw connection. In Fig. 1 only a singledrill string elements 32 is shown, which was introduced into the water bottom 5 in a first drilling step. In this initialdrill pipe element 32, adrill head 31 with ground-removing cutting tools is provided at the lower end. When drilling the tubulardrill string element 32, a cylindrical core of the upcoming soil material is formed. This drill core is received in atubular receptacle 34, which is arranged in the interior of thedrill string 30.

Zum Abführen der rohrförmigen Aufnahme 34 mit dem darin angeordneten und gehaltenen Bohrkern wird der Bohrantrieb 20 zunächst aus der Bohrachse 21 herausgefahren. Anschließend wird über einen Schwenkhebelmechanismus 41 ein Hubseil 43 einer Abführeinrichtung 40 in den Bereich der Bohrachse 21 bewegt. Am unteren freien Ende des Hubseiles 43 ist eine hülsenförmige Verriegelungseinrichtung 44 vorgesehen. Das Hubseil 43 verläuft von einer am Grundrahmen 12 seitlich befestigten Winde 42 über eine untere Anlenkrolle 45 zu einer oberen Umlenkeinrichtung 46 der Abführeinrichtung 40. Über die Winde 42 wird das mehrfach am Rahmen umgelenkte Hubseil 43 nach unten abgelassen, wobei die Verriegelungseinrichtung 44 am Hubseil 43 mit einer Verbindungseinrichtung 36 am oberen Ende der hülsenförmigen Aufnahme 34 in Eingriff kommt. Dabei wird eine Verbindung hergestellt, so dass die Aufnahme 34 mit dem Bohrkern nach oben aus dem Bohrgestänge 30 herausgezogen werden kann. Anschließend wird die hülsenförmige Aufnahme 34 mit dem Bohrkern über die Abführeinrichtung 40 seitlich zu einem zweiten Lagerbereich 15 an dem Grundrahmen 12 gefördert und darin abgelegt. Auch hinsichtlich des zweiten Lagerbereiches 15 ist das magazinähnliche Lager aus Übersichtlichkeitsgründen nicht näher dargestellt. In dem zweiten Lagerbereich 15 werden die hülsenförmigen Aufnahmen 34 mit den darin befindlichen Bohrkernen vertikal in Halterungen gelagert, so dass die Bohrkerne zur weiteren Untersuchung zusammen mit der Unterwasser-Bohrvorrichtung 10 nach Abschluss der Bohrarbeiten zu einem nicht dargestellten Versorgungsschiff befördert werden können.For discharging thetubular receptacle 34 with the core arranged and held therein, thedrilling drive 20 is first moved out of thedrilling axis 21. Subsequently, a hoistingcable 43 of anevacuation device 40 is moved into the area of thedrilling axis 21 via a pivoting lever mechanism 41. At the lower free end of the hoistcable 43, a sleeve-shapedlocking device 44 is provided. The hoistcable 43 extends from a laterally attached to thebase frame 12Winch 42 via alower guide roller 45 to anupper deflecting device 46 of thedischarge device 40. Over thewinch 42, the several times deflected on theframe hoisting rope 43 is lowered down, the lockingdevice 44 on the hoistingcable 43 with a connectingdevice 36 at the upper end of the sleeve-shaped receptacle 34th engages. In this case, a connection is made so that thereceptacle 34 can be pulled out of thedrill pipe 30 with the drill core upwards. Subsequently, the sleeve-shapedreceptacle 34 is conveyed to the core through thedischarge device 40 laterally to asecond storage area 15 on thebase frame 12 and stored therein. Also with regard to thesecond storage area 15, the magazine-like bearing is not shown in detail for reasons of clarity. In thesecond storage area 15, the sleeve-shapedreceptacles 34 with the cores located therein are stored vertically in brackets, so that the cores can be transported for further investigation together with theunderwater drilling apparatus 10 after completion of drilling to a supply ship, not shown.

Für eine vorausgehende Untersuchung und Analyse der Bohrkerne ist unmittelbar oberhalb der Bohrlochöffnung 18, an welcher eine Spanneinheit 17 zum Halten des Bohrgestänges 30 angeordnet ist, konzentrisch zur Bohrachse 21 eine ringförmige Sensoreinrichtung 50 vorgesehen. Die Sensorvorrichtung 50 ist mit berührungslos arbeitenden Sensoren zur Bestimmung physikalischer und/oder chemischer Eigenschaften des Bohrkernes ausgebildet. Weiterhin ist eine Datenverarbeitungseinrichtung 52 vorgesehen, in welcher die jeweils ermittelten Daten zu einem Bohrkern abgespeichert werden können. Gleichzeitig können mit der Datenverarbeitungseinrichtung 52 auch die Positionsdaten und insbesondere der Lagerplatz gespeichert werden, an welchem der jeweilige Bohrkern im zweiten Lagerbereich 15 abgelegt wird. Dies erlaubt bei einer späteren weiteren Analyse der Bohrkerne gezielt auf die Bohrkerne zurückzugreifen, welche nach der ersten Vorortanalyse und den vorab von der Datenverarbeitungseinrichtung 52 übermittelten Daten von besonderem Interesse für eine weitere Untersuchung sind.For a preliminary examination and analysis of the drill cores, anannular sensor device 50 is provided concentrically to thedrilling axis 21 directly above theborehole opening 18, on which aclamping unit 17 for holding thedrill pipe 30 is arranged. Thesensor device 50 is designed with non-contact sensors for determining physical and / or chemical properties of the drill core. Furthermore, adata processing device 52 is provided, in which the respectively determined data can be stored to a core. At the same time, the position data and in particular the storage location at which the respective core is stored in thesecond storage area 15 can also be stored with thedata processing device 52. In the case of a subsequent further analysis of the drill cores, this allows targeted access to the drill cores, which after the first on-site analysis and the data transmitted in advance by thedata processing device 52 are of particular interest for a further investigation.

Nach diesem ersten Bohrschritt mit Sicherung eines Bohrkernes wird die Abführvorrichtung 40 wieder aus der Bohrachse 21 fortbewegt, so dass anschließend der Bohrantrieb 20 mit einem neuen Bohrgestängeelement 32 aus dem ersten Lagerbereich 14 wieder in die Bohrachse 21 bewegt werden kann. Das neue Bohrgestängeelement 32 kann sodann an das obere Bohrgestängeelement 32 des Bohrgestänges 30 angeschlossen werden. Abschließend kann dann das Bohrgestänge 30 wieder um einen Bohrschritt um die Länge eines Bohrgestängeelementes 32 in den Gewässerboden 5 abgebohrt werden. Dabei wird ein neuer Bohrkern gebildet, welcher entsprechend dem voraus beschriebenen Verfahren aus dem Bohrgestänge 30 entfernt und wieder in dem zweiten Lagerbereich 15 abgelegt werden kann. Es können dann entsprechend weitere Bohrschritte erfolgen, soweit dies gewünscht wird.After this first drilling step with securing a core, thedischarge device 40 is again moved away from thedrilling axis 21, so that then thedrill drive 20 with a newdrill pipe element 32 from thefirst storage area 14 can be moved back into thedrilling axis 21. The newdrill string member 32 may then be connected to the upperdrill string member 32 of thedrill string 30. Finally, then thedrill pipe 30 can be drilled again by a drilling step by the length of adrill pipe element 32 in the water bottom 5. In this case, a new core is formed, which can be removed according to the method described above from thedrill pipe 30 and stored again in thesecond storage area 15. It can then be done according to further drilling steps, if desired.

InFig. 3 ist schematisch die Ermittlung eines Bodenschatzvorkommens 7 in einem Gewässerboden 5 mittels einer Unterwasser-Bohrvorrichtung 10 nach der Erfindung sowie einem erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt.In Fig. 3 1 schematically shows the determination of amineral resource deposit 7 in a water bottom 5 by means of anunderwater drilling device 10 according to the invention and a method according to the invention.

Die Unterwasser-Bohrvorrichtung 10 wird zunächst zum Erstellen einer ersten Bohrung 8.1 auf den Gewässerboden 5 aufgesetzt. Es erfolgt dann ein schrittweises Abbohren mit Beschaffung und Untersuchung der Bohrkerne, wie es zuvor im Zusammenhang mit denFiguren 1 und2 beschrieben wurde. Bei der ersten Bohrung 8.1 wurden durch die erfindungsgemäße Unterwasser-Bohrvorrichtung 10 bei der unmittelbaren Analyse der gewonnen Bohrkerne vor Ort keine Daten zu einem Bodenschatzvorkommen 7 festgestellt. Entsprechend ist die erste Bohrung 8.1 bis zur maximal erreichbaren Bohrtiefe durchgeführt, welche dargestellt ist durch das Bohrgestänge 30 mit im vorliegenden Fall vier Bohrgestängeelementen 32.Theunderwater drilling device 10 is first placed on the water bottom 5 to create a first bore 8.1. It then performs a gradual drilling with procurement and investigation of the cores, as previously related to the FIGS. 1 and 2 has been described. In the first borehole 8.1, no data on amineral resource 7 was found by the underwaterboring device 10 according to the invention in the immediate analysis of the cores obtained locally. Accordingly, the first bore 8.1 is performed up to the maximum achievable drilling depth, which is represented by thedrill pipe 30 with fourdrill pipe elements 32 in the present case.

Nach Rückbau des Bohrgestänges 30 kann die Unterwasser-Bohrvorrichtung 10 zu einer zweiten Position versetzt werden, um eine zweite Bohrung 8.2 durchzuführen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ergibt sich bereits nach dem ersten Bohrschritt durch die Sensoreinrichtung 50 das Vorhandensein eines Bodenschatzvorkommens 7. Nach dem zweiten Bohrschritt bei der Erstellung der zweiten Bohrung 8.2 kann bei der Insitu-Untersuchung des Bohrkernes festgestellt werden, dass bei diesem Bohrungsbereich das Bodenschatzvorkommen 7 in dieser Tiefenlage wieder beendet ist. Da dies umgehend von einer Auswerteeinheit festgestellt werden kann, kann ein Fortgang der zweiten Bohrung 8.2 beendet werden. Die Unterwasser-Bohrvorrichtung 10 kann dann zur Durchführung weiterer Bohrungen 8.3, 8.4, 8.5 und 8.6 wieder versetzt werden.After disassembly of thedrill pipe 30, theunderwater drilling apparatus 10 can be moved to a second position to perform a second bore 8.2. In the illustrated embodiment, after the first drilling step by thesensor device 50, the presence of amineral treasure deposit 7. After the second drilling step in the creation of the second bore 8.2 can be found in the in-situ investigation of the core, that in this hole area thetreasure 7 in this depth is over again. Since this can be determined immediately by an evaluation unit, a continuation of the second bore 8.2 can be terminated. Theunderwater drilling device 10 can then be set to perform additional holes 8.3, 8.4, 8.5 and 8.6 again.

Dem Ausführungsbeispiel nachFig. 3 ist anschaulich zu entnehmen, dass es durch eine unmittelbare Analyse der Bohrkerne durch die Unterwasser-Bohrvorrichtung 10 ermöglicht wird, Bohrungen etwa bei Verlassen eines festgestellten Bodenschatzvorkommens 7 frühzeitig zu beenden, wie dies bei den Bohrungen 8.2, 8.3, 8.4 und 8.5 erfolgt ist. So kann insgesamt ein zeit- und damit kosteneffizientes Verfahren zum Feststellen unterseeischer Bodenschatzvorkommen 7 erfolgen.The embodiment according to Fig. 3 It can be seen clearly that it is made possible by an immediate analysis of the cores by theunderwater drilling device 10 to end drilling about when leaving a detected mineral resources deposit early 7, as was done in the holes 8.2, 8.3, 8.4 and 8.5. Thus, overall, a time- and thus cost-efficient method for determiningundersea mineral resources 7 can take place.

Claims (10)

1. Underwater drilling device (10) for procuring and analyzing ground samples of a bed of a body of water, having

   - a base frame (12) which is designed for lowering into a body of water and for placing onto the bed of the body of water (5),

   - a drill drive (20) for rotationally driving a drill rod (30) which is composed of tubular drill rod elements (32), wherein the drill drive (20) is supported in a vertically movable manner along a drilling axis (21) between a lower borehole opening (18) and an upper retracted position,

   - a first storage area (14) on the base frame (12) for storing the individual tubular drill rod elements (32) for assembly of the drill rod (30), wherein a receiving part (34) for a drill core is in each case held in a releasable manner in the drill rod elements (32),

   - a second storage area (15) on the base frame (12) for storing the receiving parts (34) with the obtained drill cores as a ground sample,

   - a supply means (38), with which individual drill rod elements (32) can be supplied from the first storage area (14) to the drilling axis (21) in order to form the drill rod (30), and

   - a removal means (40) for removing a receiving part (34) with drill core from the drill rod (30) and for depositing in a specific storage place in the second storage area (15),
   characterized in that

   - on the base frame (12) in a surrounding area of the drilling axis (21) at least one sensor means (50) is arranged, which is designed for determining at least one physical and/or chemical property of the drill core, and

   -in that a data processing means (52) is provided, which is designed for storing data determined on the at least one physical and/or chemical property of the drill core and data on the storage place of the drill core in the second storage area (15).
2. Underwater drilling device according to claim 1,
   characterized in that
   a data transmission unit is provided, with which the determined data can be transmitted to a central facility located at a distance.
3. Underwater drilling device according to claim 1 or 2,
   characterized in that
   the data processing means (52) has an evaluation unit, in which decision criteria are stored and which is configured to make a decision on a continuation or discontinuation of drilling on the basis of the stored decision criteria.
4. Underwater drilling device according to any one of claims 1 to 3,
   characterized in that
   the at least one sensor means (50) is annular and arranged in the area above the borehole opening (18).
5. Underwater drilling device according to any one of claims 1 to 4,
   characterized in that
   the sensor means (50) is designed for measuring an inductance, electrical conductivity, a capacity and/or further physical or chemical quantities.
6. Underwater drilling device according to any one of claims 1 to 5,
   characterized in that
   the receiving part (34) is designed in a tubular manner as a core tube catcher, which has at its upper end a connecting means (36) for the removal means (40).
7. Underwater drilling device according to any one of claims 1 to 6,
   characterized in that
   the removal means (40) has a winch (42) with a hoist rope (43), at the free end of which a locking means (44) is arranged which interacts with a connecting means (36) on the receiving part (34) for the drill core.
8. Underwater drilling device according to any one of claims 1 to 7,
   characterized in that
   the base frame (12) is connected via a maritime umbilical to a supply vessel.
9. Method for procuring and analyzing ground samples of a bed of a body of water, in particular with an underwater drilling device (10) according to any one of claims 1 to 8, in which

   - an underwater drilling device (10) with a base frame (12) is lowered into a body of water and placed onto a bed of the body of water (5),

   - having a drill drive (20) which is supported in a vertically movable manner on the base frame (12), a drill rod (30) composed of at least one tubular drill rod element (32) is drilled into the bed of the body of water (5) in a first drilling step, wherein a drill core is formed and received in a receiving part (34) in the tubular drill rod element (32),

   - the receiving part (34) with the drill core is removed by means of a removal means (40) from the drill rod (30) and deposited in a storage place of a second storage area (15) on the base frame (12) and

   - subsequently at least one further drilling step is carried out, wherein by means of a supply means (38) a further drill rod element (32) with a receiving part (34) for a drill core is supplied from a first storage area (14) to the drill rod (30) and a further drilling of the drill rod (30) is effected with the drill drive (20),
   characterized in that

   - by means of at least one sensor means (50) at least one physical and/or chemical property of the drill core is determined and

   -in that the data thereby determined are stored in a data processing means (52) together with the data on the storage place of the drill core in the second storage area (15).
10. Method according to claim 9,
    characterized in that
    on the basis of the data determined on the at least one physical and/or chemical property of the drill core a decision is made on a continuation or discontinuation of drilling while the underwater drilling device (10) is still located in the body of water on the bed of the body of water (5).

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