CH719772A2 - Plasma-Puls-Geo-Bohreinrichtung. - Google Patents

Abstract

Bei einer Plasma-Puls-Geo-Bohreinrichtung (0), umfassend einen Hochspannungspulsgenerator (1), eine Hochspannungsverkabelung, einen Bohrkopf (2) mit einem Bohrkopfanschlussabschnitt (21) und einem Elektrodenabschnitt (20), welcher mehrere Elektroden aufweist soll eine Generierung geeignet hoher und steiler Spannungspulse auch bei Tiefenbohrungen von einigen Kilometern erreicht werden und ein problemloses Nachführen der Hochspannungsversorgung möglich sein. Dies wird dadurch erreicht, dass die Hochspannungsverkabelung ein HV-Koaxialkabel (10) ist, welches vom Hochspannungspulsgerenator (1) direkt in eine Funkenstrecke (12) am oder im Bohrkopfanschlussabschnitt (21) elektrisch leitend befestigt, führt und die Funkenstrecke (12) mit den mehreren Elektroden elektrisch leitend verbunden ist, sodass mittels Überschlagspannung in der Funkenstrecke (12) ein Plasmakanal (3) mit Spannungsspitzen zwischen 200kV und 800kV und Pulsanstiegszeiten zwischen 50ns und 500ns erzeugbar ist.

Description

Technisches Gebiet

[0001] Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Plasma-Puls-Geo-Bohreinrichtung, umfassend einen Hochspannungspulsgenerator, eine Hochspannungsverkabelung, einen Bohrkopf mit einem Bohrkopfanschlussabschnitt und einem Elektrodenabschnitt, welcher mehrere Elektroden aufweist.

Stand der Technik

[0002] Der Zugang zu tiefen Energieressourcen (Geothermie, Kohlenwasserstoffe) aus tiefen Lagerstätten wird in den nächsten Jahrzehnten eine grundlegende Rolle spielen. Allerdings ist das Bohren zur Gewinnung tiefer Georessourcen extrem teuer. Tiefbohrungen in hartes, kristallines Gestein stellt eine grosse Herausforderung für konventionelle Drehbohrsysteme dar, da sie einen hohen Bohrkronenverschleiss und häufigen Bohrkronenaustausch, niedrige Penetrationsraten und ein schlechte Prozesseffizienz aufweisen.

[0003] Mit dem Ziel der Verbesserung der Gesamtwirtschaftlichkeit der Erschliessung tiefer Georessourcen in hartem Gestein, sehen wir die Plasma-Pulse Geo-Drilling (PPGD) Technologie als Ausweg. Das resultierende Plasma-Puls-Geo-Bohrverfahren und die dazu notwendigen technischen Mittel führen zu einer massiven Kostenreduktion und Vereinfachung der Tiefbohrungen im Vergleich zur Verwendung konventioneller Drehbohrsysteme, wenn das Plasma-Puls-Geo-Bohrsystem optimiert ist.

[0004] Plasma-Pulse Geo-Drilling (PPGD) Technologie zur Verwendung in Tiefbohrprozessen, also Tiefbohrungen zur Erschliessung von Erdöl-, Erdgaslagerstätten und Geothermiebohrungen, mit Endteufen wenigen Metern bis zu einigen Kilometern hatte seinen Ursprung in Russland. PPGD entfaltet potenziell seinen Vorteil im kristallinen Gestein und ist damit prädestiniert für Geothermie oder andere Aktivitäten in hartem Gestein.

[0005] Die PPGD Technologie verwendet Hochspannung in Form von nanosekundenschnell ansteigenden elektrischen Impulsen durch das Gestein, wodurch ein Plasma im Gestein erzeugt, das das Gestein von innen heraus, d. h. gegen seine geringe Zugfestigkeit ohne mechanischen Abrieb eines Bohrwerkzeugs zertrümmert, wodurch ein Tiefenbohrloch erzeugt wird. Wie beispielsweise in Rossi et al „Advanced drilling technologies to improve the economics of deep georesource utilization“, Applied Energy Symposium: MIT A+B, August 12-14, 2020, Cambridge, USA, beschrieben, kann mittels geeignetem Bohrkopf 2, einem Hochspannungspulsgenerators 1 und zwei Elektroden in einem mit Wasser 5 gefüllten Bohrloch eine Bohrung samt Vortrieb aufgrund der Hochspanungspulse erreicht werden. Dabei wird keine sich abnutzende Bohrkrone verwendet und es kann doch eine hohe Penetratinsrate (rate of penetration (ROP)) erreicht werden. Bei diesem Ansatz wird eine geeignete Elektrodenanordnung verwendet, um mittels eines Hochspannungsimpulses einen Plasmakanal (Streamer) 3 zu initiieren.

[0006] Der Streamer 3 breitet sich durch Gestein 4 aus und bricht dabei das Gestein 4 von innen heraus. Die Elektroden sind in den Bohrkopf 2 eingebettet und der Prozess ist von einer Bohrspülung 5 im Bohrloch umgeben (z. B. Öl oder Wasser). Die gesamte Konstruktion bildet eine Plasma-Puls-Geo-Bohreinrichtung 0, wie in Figur 1 gemäss Stand der Technik gezeigt.

[0007] Damit dieses Verfahren jedoch Gestein wirksam zu brechen vermag, muss der Plasmakanal durch das Gestein und nicht entlang der Gesteinsoberfläche, d. h. durch das Wasser als Bohlspülung, verlaufen.

[0008] Dies wird in erster Linie durch einen schnellen Puls-Anstieg erreicht. Die Anstiegszeit ist ein wichtiger Faktor, wegen der bemerkenswerten Abhängigkeit der Durchschlagsfestigkeit von Materialien mit der Zeit der gepulsten Spannungsanwendung. Während das in Russland in den 1960er Jahren entwickelte EPB (Elektro-Pulse-Boring) Verfahren, unter Nutzung von Öl als Bohrspülung Isolier- und Spülmedium verwendet werden musste, soll ein neues Verfahren nun Wasser nutzen, was Kosten spart und die Umwelt schont.

[0009] Extrem wichtig ist im PPGD-Verfahren die Bereitstellung extrem schnell ansteigender HV-Pulse mit hohen elektrischen Maximalspannungen von grösser 200kV, bevorzugt bis zu 500kV. Übliche Hochspannungspulsgeneratoren 1 werden über eine Freileitung direkt an den Bohrkopf 2 angeschlossen, genauer an einen Bohrkopfanschlussabschnitt 21 und diese Spannungspulse werden auf Elektroden eines Elektrodenabschnitts 20 geführt, sodass von den Elektroden der Plasmakanal 3 durch das Gestein 4 ausgelöst wird, wodurch Gesteinsteile, sogenannte cuttings ausgeschlagen werden. Zumindest der Elektrodenabschnitt 20 liegt in der Bohrspülung 5, mit welcher die Gesteinsteile abtransportiert werden, wofür entsprechende Infrastruktur mit Bohrspülungszufuhr und Pumpen zur Abfuhr nötig sind. I.d.R. erfolgt der Anschluss von Freileitungen auf ein Isolatorelement, welches dann, via eingesetzter Rohrsektionen, eine leitenden Verbindung bis zum Elektrodenabschnitt 20 besitzt.

[0010] In bekannten PPGD-Vorrichtungen, vor allem den ersten aus den 1960er Jahren, wird erzeugte Hochspannung direkt von einem Hochspannungspulsgenerator über eine Freileitung auf einen isolierten Anschlusspunkt am Bohrkopf 2 geführt. Dabei soll der Spannungspuls extrem schnell, kleiner 500ns auf seinen Maximalwert gepulst werden. Nach Erreichen des Maximalwertes wird der Plasmakanal zwischen verschieden polarisiert beaufschlagten Elektroden erzeugt und die Spannung bricht zusammen und der Vorgang wiederholt sich kontinuierlich während des Bohrvorganges.

[0011] Bei dieser direkten Übertragung des Spannungspulses ist die Beeinträchtigung der Pulssteilheit sehr gering und durch ständige Weiterentwicklungen kommerziell erhältlicher Hochspannungspulsgeneratoren können geeignete Strom- /Spannungspulse erzeugt werden. Jedoch bedingt diese Anordnung für eine Verlängerung des Bohrstrangs, ein Auftrennen der Puls- und Fluidführung im Bohrstrang und damit ein Unterbrechen des Bohrbetriebs. Dies ist vor allem bei Tiefenbohrungen von Nachteil, wobei Tiefen von mehreren Kilometern gebohrt werden sollen.

[0012] In Weiterentwicklungen hat man den Spannungspuls mit einem geeigneten Hochspannungspulsgenerator innerhalb des Bohrkopfes angeordnet erzeugt. Dafür musste praktisch der Hochspannungspulsgenerator 1 in den Bohrkopf integriert werden und dieser damit mit dem Bohrkopf ständig mitgeführt werden. Dies ist im Prinzip die erstrebenswerteste Variante, jedoch ist es bis dato niemandem gelungen, die für eine wirtschaftliche Bohrgeschwindigkeit erforderlichen Pulsenergien auf derart eng begrenztem Raum zuverlässig zu erzeugen und mit weiteren gewichtigen Parametern wie Bohrspülungsdurchsatz etc. in Einklang zu bringen. Die Grösse des geeigneten Hochspannungspulsgenerators ist problematisch und die Elektronik muss gegen Bohrspülung und die ausgeschlagenen cuttings geschützt werden, was bislang nicht gelang.

[0013] Das PPGD-Verfahren ist auf extrem schnell ansteigende HV-Pulse angewiesen, während die Erzeugung der Pulshöhe meist nicht problematisch ist, wird die Pulssteilheit zum Problem. Gewünschte Spannungspulse müssen aber auch vor allem an den Enden der Mehrzahl von Elektroden und damit auf der zu bohrenden Gesteinsfläche ankommen.

[0014] Die bislang verwendeten PPGD-Einrichtungen wiesen noch nicht die gewünschte Effizienz, Zeitersparnis und Bohrqualität auf. Folglich konnte sich dieses Verfahren und Plasma-Puls-Geo-Bohreinrichtungen nicht erfolgreich auf dem Markt durchsetzen.

Darstellung der Erfindung

[0015] Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt eine Plasma-Puls-Geo-Bohreinrichtung für das Plasma-Pulse Geo-Drilling (PPGD) derart weiter zu entwickeln, dass auch bei Tiefenbohrungen von einigen Kilometern eine Generierung geeignet hoher und steiler Spannungspulse erreicht ist, ein problemloses Nachführen der Hochspannungsversorgung bei Verwendung von Wasser bzw. einer wasserbasierten Fllüssigkeit als Bohrspülung erreicht ist, sodass eine maximierte Bohreffizienz im kontinuierlichen Betrieb resultiert.

[0016] Die Güte der Pulsübertragungsstecke wird massgeblich beeinflusst durch die elektrische Verschaltung, die Bohrkopfgeometrien und die verwendeten Materialien des Bohrkopfes und der Bohrspülung. Wobei aus elektrotechnischer Sicht eine isolierte Betrachtung der einzelnen Komponenten und auch der Pulsübertragungsstrecke nicht sinnvoll ist, da das ganze System, inklusive des Hochspannungspulsgenerators interagiert.

[0017] Variationen von Merkmalskombinationen bzw. Anpassungen der Erfindung sind in der Detailbeschreibung zu finden, in den Figuren abgebildet und in die abhängigen Patentansprüche aufgenommen worden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0018] Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachstehend im Zusammenhang mit den anliegenden Zeichnungen in der Detailbeschreibung beschrieben.

[0019] Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich ebenfalls aus der nachfolgenden Beschreibung leicht abgewandelter Ausführungen der Erfindung, was dem Fachmann teilweise allein aus den Zeichnungen deutlich wird. Es sind dargestellt in Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht einer aus dem Stand der Technik bekannten Plasma-Puls-Geo-Bohreinrichtung mit Hochspannungspulgenerator ausserhalb des Bohrkopfes, bei teilweise in Gestein eingelassenem Bohrkopf. Figur 2 zeigt eine erfindungsgemässe Plasma-Puls-Geo-Bohreinrichtung in einer schematischen Darstellung, wobei die Spannungspulsgenerierung optimiert ist und im Gestein ein Plasmakanal angedeutet erzeugt ist. Figur 3a zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines optimierten Bohrkopfes im Freien hängend, der elektrotechnisch optimierten Plasma-Puls-Geo-Bohreinrichtung, während Figur 3b eine schematische Seitenansicht eines Bohrkopfes mit integrierter Funkenstrecke zeigt und Figur 3c eine schematische Ansicht eines bevorzugten Elektrodenmusters des optimierten Bohrkopfes zeigt.

Beschreibung

[0020] Die erfindungsgemässe Plasma-Puls-Geo-Bohreinrichtung 0, weist einen Hochspannungspulsgenerator 1, eine Bohrkopf 2, umfassend einen Elektrodenabschnitt 20 mit mehreren Elektroden und einen Bohrkopfanschlussabschnitt 21 zur Verbindung mit dem Hochspannungspulsgerenator 1 auf. Der komplette Bohrkopf 2 wird in ein Gestein 4 eingeführt, von einer Bohrspülung 5 in Form von Wasser oder einer wasserbasierten Flüssigkeit, aus bis zu 100% Wasser bestehend, umgeben, wobei durch elektrische Hochspannungspulse Plasmakanäle 3, Streamer 3 genannt, erzeugt werden, welche Gesteinstücke aus der Bohrlochsohle brechen. Bei jedem Hochspannungspuls wird mehr oder weniger Gestein ausgebrochen, der Abraum abgeführt und so im kontinuierlichen Betrieb das Bohrloch vergrössert.

[0021] Es wird ein Hochspannungspulsgenerator 1 eingesetzt, der beispielsweise aus 40kV DC-seitig, Spannungspulse von 400kV bis 500kV und Energien zwischen 3 und 4 kJ erzeugt.

[0022] Über ein HV-Koaxialkabel 10 als Hochspannungsverkabelung ist der Hochspannungspulsgenerator 1 am Bohrkopf 2 angeschlossen. Hier ist eine Verlängerungseinrichtung 11 angedeutet, um die HV-Koaxialkabel 10 aber auch die Spüleinrichtung der Bohrspülung 5 gemäss der Bohrtiefe nachzuführen. Damit ist eine fortwährende Abspulung des HV-Koaxialkabel 10 mit wachsender Bohrlochtiefe möglich, anstatt ständiger Unterbrechungen des Bohr- und somit auch Spülvorgangs gemäss Stand der Technik. Das HV-Koaxialkabel ist kompakt und leicht und somit eine vereinfachte Bedienung erreicht.

[0023] Der vom Hochspannnugspulsgenerator 1 erzeugte schnell ansteigende Spannungspuls weist aufgrund des HV-Koaxialkabels 10 eine abgeflachte Impulssteilheit auf. Am kopfseitigen Ende des HV-Koaxialkabels 10 ist die Impulssteilheit dermassen erniedrigt, dass kein optimaler Plasmakanal 3 erzeugt werden kann und die Effizienz des Herausbrechens von Gestein zu gering und nicht reproduzierbar ist. Hier wird an das HV-Koaxialkabel 10 anschliessend im oder am Bohrkopf 2 befestigt eine Funkenstrecke 12 genutzt, um den Spannungspuls wieder steiler auszuführen. Hier ist die Funkenstrecke 12 bevorzugt im Bohrkopf 2, genauer im Bereich des Bohrkopfanschlussabschnitts 21 angeordnet, wobei durch entsprechende elektrische Verbindung die Hochspannung auf die Mehrzahl von Elektroden geführt wird. Die Anordnung der Funkestrecke 12 im Bohrkopfanschlussabschnitt 21 ist stabiler und sicherer und führt zu einem kompakteren Aufbau des Bohrkopfes 2, als in aus dem Stand der Technik bekannten Varianten.

[0024] Bevorzugt ist die Funkenstrecke 12 als gasgekapselte Funkenstrecke 12 bzw. mit einem gekapselten gasdichten Gehäuse ausgeführt, wobei extrem steile Hochspannungspulse erreichbar und ungewünschte Überschläge zum Bohrkopf 2 ausgeschlossen sind.

[0025] Die Funkenstrecke 12 weist zwei voneiander getrennte Leiter bzw. einen unterbrochenen Leiter in einem gekapselten gasdichten Gehäuse auf. Beidseitig am Gehäuse sind elektrische Zu- und Ableitungen an beiden Leitern bzw. den Abschnitten des unterbrochenen Leiters angeordnet. Die Funkenstrecke ist durch zwei oder den unterbrochenen Leiter direkt oder indirekt elektrisch mit den Elektroden verbunden.

[0026] Hochspannungführende Teile sind nicht offen zugänglich, wodurch ein sicherer Betrieb erreicht ist. Durch die Anordnung im Bohrkopfanschlussabschnitt 21 ist die Funkenstrecke 12 gesichert und geschützt verbaut, aber trotzdem noch leicht zugänglich. Die in unserem Bohrkopf 2 bzw. Bohrkopfanschlussabschnitt 21 herrschenden Platzverhältnisse reichen aus, dass der Einbau der Funkenstrecke 12 möglich ist.

[0027] Es sind Spannungspulse mittels Funkenstrecke 12 erreichbar, welche ab 200kV aufwärts liegen und kurzzeitig sogar bis 800kV Maximalspannungen und Pulsdauern zwischen 50ns und 500ns erreicht. Die Pulsdauer ist massgeblich abhängig vom Aufbau des Pulsgenerators und den Versuchsparametern. Die geforderte Steilheit ist aufgrund der Funkenstrecke 12 gegeben. Somit können schon bei einfachen Elektrodenanordnungen, Tiefenbohrungen unter Verwendung von Wasser bzw. einer wasserbasierten Flüssigkeit als Bohrspülung 5 auch als sogenannter loop in einigen Kilometern Tiefe erfolgen.

[0028] Durch die HV-Koaxialkabel 10 wird eine erste elektrische Hochspannung bis zur Funkenstrecke 12 an oder im Bohrkopf 2 geführt. Die Funkenstrecke 12 wird hier von einem Gehäuse gebildet, welches mit einem Gas gefüllt ist, sodass die Überschlagspannung im Bereich der gewünschten 400kV bis 500kV liegt und auch die geforderte Steilheit des Spannungspulses gegeben ist. Dies kann man nach dem bekannten Paschen-Gesetz abschätzen. Wenn grob bei Luft unter Standardbedingungen pro Millimeter Abstand zwischen den Leitern der Funkenstrecke 12 ein kV Spannung bis zum Überschlag eines Funkens benötigt werden, liegen die Baugrössen bei Luft bei 400 bis 500 Millimetern, was man durch Verwendung von anderen, unter Druck gesetzten Gasen und die Verkapselung noch kleiner bauen kann. Ein Integration in den Bohrkopf 2 bzw. Bohrkopfanschlussabschnitt 21 ist damit problemlos möglich.

[0029] Von zwei Polen der Funkenstrecke 12 wird der Hochspannungspuls in den Elektrodenabschnitt 20 und auf die Mehrzahl von Elektroden geführt. Zwischen mindestens zwei Elektroden bildet sich der Plasmakanal 3 aufgrund der Überschlagspannung im Gestein 4 aus. Mittels Überschlagspannung in der Funkenstrecke 12 kann der Plasmakanal 3 mit Spannungsspitzen zwischen 400kV und 500kV und Pulsanstiegszeiten zwischen 50ns und 500ns erzeugt werden.

[0030] Um den Plasmakanal 3 zu optimieren haben sich spezielle Weiterbildungen des Bohrkopfes 2 bzw. des Elektrodenabschnitts 20 bewährt, wie im Folgenden beschrieben. Dieser geänderte Elektrodenabschnitt 20 konnte in Verbindung mit der Funkenstrecke 12 eine bislang unerreichte Bohreffizienz zeigen.

[0031] Um das Ausbruchverhalten und damit die Ausbruchleistung zu optimieren, wurde eine verbesserte Anordnung und Form der Plus- und Minuselektroden gefunden, welche den gesamten Bohrquerschnitt gleichermassen bedient und vor allem in der Randzone des Bohrkopfes 2 einen Überausbruch generiert, damit der Bohrkopf 2 beim Nachführen während des Bohrvorganges sicher folgen kann. Dabei muss immer eine prozesssichere Zuführung der Hochspannungimpulse erreicht sein und der gesamte Bohrkopf 2 eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweisen. Dies ist mit der im Weiteren näher beschriebenen Anordnung von Stabelektroden 200 im Elektrodenabschnitt 20 erreicht worden.

[0032] Der Bohrkopf 2 ist als metallisches Gestell ausgebildet, umfassend mindestens den Elektrodenabschnitt 20 und einen Bohrkopfanschlussabschnitt 21, welche aneinander befestigt oder angeformt sind. Vom Elektrodenabschnitt 20 ragen eine Mehrzahl von n Stabelektroden 200 weg, in die vom Bohrkopfanschlussabschnitt 21 abgewandte Richtung. Die Längsrichtung ist mit dem gestrichelten Pfeil markiert, wobei die Pfeilspitze in die Vorschubrichtung des Bohrkopfes 2 zeigt.

[0033] Die n Stabelektroden 200 sind aus Stabilitätsgründen stabförmig und voll ausgeführt, sodass sie gegeneinander isoliert über eine möglichst grosse Fläche verteilt sind, entlang der Querschnittsfläche des Elektrodenabschnitts 20. Die n Stabelektroden 200 sind derart am elektrisch leitfähigen Bohrkopfanschlussabschnitt 21 befestigt, dass es bei hohen elektrischen Spannungen keine Überschläge oder Kurzschlüsse gibt. Der Bohrkopfanschlussabschnitt 21 ist darum im Wesentlichen als metallisches Gestell, umfassend mehrere Zuführstreben 210 mit direktem oder indirekten Kontakt zu den n Stabelektroden 200 und mindesten zwei Anschlussflansche 211, 211' an welchen die Zuführstreben 210 befestigt oder angeformt sind.

[0034] An den Anschlussflanschen 211, 211' werden Hochspannungskabel 10 zwischen der Funkenstrecke 12 nach dem Hochspannungsgenerator 1 angeschlossen. Auch im Bohrkopfanschlussabschnitt 21 muss eine ausreichende Stabilität erreicht sein, damit Kurzschlüsse verhindert werden. Obwohl hier keine mechanischen Belastungen wie in klassischen Drehbohrsystemen auftreten, ist der Druck, mit welchem der Bohrkopf 2 auf das Gestein 4 in Vorschubrichtung gepresst wird, recht hoch.

[0035] Die Stabelektroden 200 sind jeweils mit dem ersten Anschlussflansch 211 und damit indirekt an einem ersten Pol der Funktenstrecke oder indirekt über den zweiten Anschlussflansch 211' mit einem zweiten Pol der Funkenstrecke 12 kurzschluss- und überschlagsfrei verbunden. Damit können verschiedene Stabelektroden 200 unterschiedliche Polarisierungen aufweisen.

[0036] Die Zuführstreben 210 können als metallische Rohre oder als Vollstäbe ausgebildet sein, während die mindesten zwei Anschlussflansche 211, 211' bevorzugt angeschweisst sind. Die Abstände zwischen im Betrieb unterschiedlich gepolten und mit Hochspannung beaufschlagten Zuführstreben 210 sind auf die Hochspannung abgestimmt gewählt, damit Kurzschlüsse und Überschläge ausgeschlossen sind. Da im Bohrloch z.B. Wasser 5 als Bohrspülung 5 eingesetzt wird, sind die Vorgaben entsprechend definiert, sodass der Plasmakanal 3 im Betrieb bevorzugt durch das Gestein 4 erzeugt wird.

[0037] In Figur 3b ist die Funkenstrecke 12 schematisch im Bohrkopfanschlussabschnitt 21 angedeutet. Man erkennt, dass die unterschiedlichen Zuführstreben 210, für die Spannungsbeaufschlagung und eine mechanische Stabilität sorgen. Hier beträgt der Abstand zwischen den mindestens zwei Anschlussflanschen 211, 211' etwa die Hälfte der Länge des gesamten Bohrkopfanschlussabschnitts 21. Dies ist mit gestrichelten senkrechten Linien in Figur 3b angedeutet.

[0038] Im Elektrodenabschnitt 20 hat sich eine gleichmässige Verteilung von parallel zueinander angeordneten gleich dicken n Stabelektroden 200, mit Stabelektrodendurchmessern d von grösser 5mm, besonders bevorzugt von 8mm, als vorteilhaft erwiesen. Der Stabelektrodendurchmesser d sollte kleiner 10 mm sein, da nur so ein homogenes Bohrergebnis erzielt werden konnte.

[0039] Die Länge L der n Stabelektroden 200 zwischen deren Spitzen und dem Bohrkopfanschlussabschnitt 21 sollte grösser als 100mm und bevorzugt kleiner als 200mm sein, besonders bevorzugt zwischen 150 und 170 mm liegen. Die Gesamtlänge des Bohrkopfes 2 sollte etwa grössergleich 2 mal der Länge L der Stabelektroden 200 betragen, sodass die mechanische Stabilität ausreichend ist. Um einen homogenen Plasmakanal 3 bzw. eine homogene Bohrung in Wasser 5 als Bohrspülung 5 zu erreichen, wurden die n Stabelektroden 200 mit unterschiedlicher Polarität derart angeordnet, dass der Abstand a zwischen nächst benachbarten Stabelektroden 200 mindestens 40mm, besonders bevorzgut 48 mm beträgt.

[0040] Neben einer Anordnung von parallelen Reihen und Spalten von Stabelektroden 200 mit gleicher Polarität, wobei jede Stabelektroden 200 jeweils zwei nächste Nachbarn beidseitig in der gleichen Reihe und jeweils einen linken und einen rechten nächsten Nachbarn in jeder Nachbarspalte aufweist, hat sich eine weitere Ausgestaltung als effizienter erwiesen.

[0041] Das in Figur 3c gezeigte Elektrodenanordnungsmuster basiert auf einer hexagonalen Anordnung von Stabelektroden 200, wobei in der Mitte eines Sechsecks eine Stabelektrode 200 einer ersten Polarität angeordnet ist und entlang des Umfangs des Secksecks auf deren Ecken sechs weitere Stabelektroden 200' angeordnet sind. Auch in einer solchen Anordnung sind die Abstände a zwischen nächsten Nachbarelektroden gleich Abstand a. Bis auf Stabelektroden 200 im Randbereich hat jede Stabelektrode 200 sechs nächste Nachbarn im Abstand a. Diese nächsten Nachbarn können die gleiche oder die entgegengesetzte Polariät aufweisen, also mit einer entsprechend polarisierten elektrischen Spannung beaufschlagt sein. Dazu müssen Stabelektroden 200 am geeigneten Anschlussflansch 211 angeschlossen sein. Bevorzugt sind Anordnungen, wobei entlang der Umfangslinie des Sechsecks, um die zentrisch positionierte Stabelektrode 200 verlaufend, Stabelektroden 200 mit jeweils abwechselnder Polarität angeordnet gewählt sind.

[0042] Die Querschnittsfläche Q des Elektrodenabschnitts 20 muss grössergleich der Querschnittsfläche q des Bohrkopfanschlussabschnitts 21 gewählt sein, damit der Bohrkopf 2 ein ausreichend grosses Bohrloch erzeugt und in das Bohrloch nachgeführt werden kann. Die Queschnittsfläche q bzw. der maximale Durchmesser entspricht hier dem Durchmesser des zweiten Anschlussflansches 211'.

[0043] Durch die Gestaltung des Bohrkopfs 2 als Gestell kann Abraum mittels Bohrspülung 5 weg transportiert werden.

[0044] Die Anschlussflansche 211, 211' führen zu einer äusserst stabilen, kurzschluss- und überschlagsfreien Montage der Hochspannungverkabelung 10 an den Bohrkopf 2.

[0045] Mit dem oben beschrieben Bohrkopf 2 können auch sogenannte Loops einige Kilometer tief effizient, kostengünstig, unter Verwendung von Wasser oder einer wasserbasierten Flüssigkeit als Bohrspülung 5 und ohne grossen mechanischen Verschleiss gebohrt werden. Entscheidend ist eine möglichst homogene gleichmässige Auflage der n Stabelektroden 200 auf dem Gestein. Der Bohrkopf 2 wird auf das Gestein 4 nachgeführt und aufgesetzt, dann erfolgen einer oder mehrere Spannungsimpulse, ausgeschlagenes Gestein wird abgeführt und der Bohrkopf 2 wieder nachgeführt.

[0046] Durch die hier beschriebenen Stabelektroden 200 sind Punktauflagen der Stabelektroden 200 über den gesamten Bohrquerschnitt verteilt möglich, da die Stabelektroden 200 über die Querschnittsfläche des Elektrodenabschnitts 20 verteilt sind. Es gibt keine elektrischen Querverbindungen zwischen den einzelnen Stabelektroden 200 und auch die Abstände zwischen den Zuführstreben 210 und Anschlussflanschen 211, 211' sind entsprechend gewählt. Die Enden der einzelnen Stabelektroden 200 sind bevorzugt als Kugelkopf mit definiertem Radius ausgestaltet, sie laufen also nicht spitz zu. Im Betrieb ausgebrochene Gesteinsteile, sogenannte cuttings, werden durch die gleichmässige homogene Anordnung der Stabelektroden 200 derart verkleinert, dass der Transportdurchmesser für den Abtransport gesichert erreicht wird und ein Verkeilen der cuttings im Bohrkopf 2 verhindert wird. In den durchgeführten Versuchen wurden gute Bohrresultate erreicht, welche auch im kontinuierlichen Bohrbetrieb vorteilhaft sind.

Bezugszeichenliste

[0047] 0 Plasma-Puls-Geo-Bohreinrichtung 1 Hochspannungspulsgenerator (40kVDC/480kV, 3..36kJ Pulsspannung) 10 HV-Koaxialkabel=Hochspannungsverkabelung 11 Verlängerungseinrichtung 12 Funkenstrecke 2 Bohrkopf 20 Elektrodenabschnitt 200 n Stabelektroden d Stabelektrodendurchmesser (bevorzugt 8mm) a Abstand zum nächsten Nachbarn (bevorzugt > 40mm, 48mm) L Länge der Stabelektroden zwischen Spitze und Bohrkopfanschlussabschnitt Q Querschnittsfläche des Elektrodenabschnitts 20 21 Bohrkopfanschlussabschnitt 210 Zuführstrebe 211, 211' Anschlussflansch q Querschnittsfläche des Bohrkopfanschlussabschnitt 21 3 Plasmakanal/Streamer 4 Gestein 5 Bohrspülung (bevorzugt Wasser bzw. wasserbasierte Flüssigkeit)

Claims (10)

1. Plasma-Puls-Geo-Bohreinrichtung (0), umfassend einen Hochspannungspulsgenerator (1), eine Hochspannungsverkabelung, einen Bohrkopf (2) mit einem Bohrkopfanschlussabschnitt (21) und einem Elektrodenabschnitt (20), welcher mehrere Elektroden aufweist, dadurch gekennzeichnet,dass die Hochspannungsverkabelung ein HV-Koaxialkabel (10) ist, welches vom Hochspannungspulsgerenator (1) direkt in eine Funkenstrecke (12) am oder im Bohrkopfanschlussabschnitt (21) elektrisch leitend befestigt, führt und die Funkenstrecke (12) mit den mehreren Elektroden elektrisch leitend verbunden ist, sodass mittels Überschlagspannung in der Funkenstrecke (12) ein Plasmakanal (3) mit Spannungsspitzen von 200kV bis 800kV und Pulsanstiegszeiten zwischen 50ns und 500ns erzeugbar ist.

2. Plasma-Puls-Geo-Bohreinrichtung (0) nach Anspruch 1, wobei die Funkenstrecke (12) von einem Gehäuse gebildet ist, welches mit einem unter Druck stehenden Gas gefüllt ist.

3. Plasma-Puls-Geo-Bohreinrichtung (0) nach Anspruch 2, wobei die Funkenstrecke (12) zwei Leiter bzw. einen unterbrochenen Leiter in einem gekapselten gasdichten Gehäuse aufweist, wobei die Leiter direkt oder indirekt elektrisch mit den Elektroden verbunden sind.

4. Plasma-Puls-Geo-Bohreinrichtung (0) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Funkenstrecke (12) im Bohrkopfanschlussabschnitt (21) befestigt ist und die Leiter der Funkenstrecke (12) direkt an die Elektroden des Elektrodenabschnitts (20) angeschlossen sind.

5. Plasma-Puls-Geo-Bohreinrichtung (0) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Bohrkopfanschlussabschnitt (21) in Form eines Gestells mit Zuführstreben (210) und mindestens zwei Anschlussflanschen (211, 211') ausgestaltet ist, die Funkenstrecke (12) in den Bohrkopfanschlussabschnitt (21) und die Leiter der Funkenstrecke (12) am ersten Anschlussflansch (211) und am zweiten Anschlussflansch (211') elektrisch leitend verbunden sind und damit indirekt mit den mehreren Elektroden.

6. Plasma-Puls-Geo-Bohreinrichtung (0) nach Anspruch 5, wobei der Elektrodenabschnitt (20) mehrere metallische Stabelektroden (200) umfasst, welche mit der Funkenstrecke (12) elektrisch leitend verbunden sind, parallel zueinander verlaufen und mit gleicher Länge (L) aus metallischen Rohren oder Vollstäben mit Durchmessern (d) kleiner 10 mm ausgestaltet sind.

7. Plasma-Puls-Geo-Bohreinrichtung (0) nach Anspruch 6, wobei der Elektrodenabschnitt (20) derart ausgebildet ist, dass eine Querschnittsfläche (Q) des Elektrodenabschnitts (20), auf welcher die Stabelektroden (200) verteilt sind, grössergleich einer Querschnittsfläche (q) des Bohrkopfanschlussabschnitts (21) auf welcher Zuführstreben (210) und die mindestens zwei Anschlussflansche (211, 211') verteilt sind, gewählt ist.

8. Plasma-Puls-Geo-Bohreinrichtung (0) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die Mehrzahl von Stabelektroden (200) parallele Reihen und Spalten von Stabelektroden (200) mit gleicher Polarität bilden, wobei jede Stabelektroden (200) jeweils zwei nächste Nachbarn in der gleichen Reihe und jeweils einen linken und einen rechten nächsten Nachbarn in jeder Nachbarspalte aufweist.

9. Plasma-Puls-Geo-Bohreinrichtung (0) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei ein Elektrodenanordnungsmuster der Mehrzahl von Stabelektroden (200) auf einer hexagonalen Anordnung von Stabelektroden (200) beruht, wobei in der Mitte eines Sechsecks eine Stabelektrode (200) einer ersten Polarität angeordnet ist und entlang des Umfangs des Secksecks auf deren Ecken sechs weitere Stabelektroden (200') angeordnet sind.

10. Plasma-Puls-Geo-Bohreinrichtung (0) nach Anspruch 9, wobei die Stabelektroden (200) entlang der sechseckigen Umfangslinie um die zentrische Stabelektrode (200) mit jeweils abwechselnd polarisierter elektrischen Spannung beaufschlagbar sind und entsprechend mit den Anschlussflanschen (211, 211') elektrisch leitend verbunden sind.