CH719772A2 - Plasma pulse geo drilling rig. - Google Patents

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CH719772A2 CH000708/2022A CH7082022A CH719772A2 CH 719772 A2 CH719772 A2 CH 719772A2 CH 000708/2022 A CH000708/2022 A CH 000708/2022A CH 7082022 A CH7082022 A CH 7082022A CH 719772 A2 CH719772 A2 CH 719772A2
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spark gap
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Kammermann Benedikt
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Swissgeopower Ag
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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.In a plasma pulse geo-drilling device (0), comprising a high-voltage pulse generator (1), high-voltage cabling, a drill head (2) with a drill head connection section (21) and an electrode section (20), which has a plurality of electrodes, a generation of suitably high and steep voltage pulses can be achieved even when drilling at depths of several kilometers and the high-voltage supply can be easily adjusted. This is achieved in that the high-voltage cabling is an HV coaxial cable (10), which is electrically conductively fastened from the high-voltage pulse generator (1) directly into a spark gap (12) on or in the drill head connection section (21) and the spark gap (12) with the several electrodes are electrically connected, so that a plasma channel (3) with voltage peaks between 200kV and 800kV and pulse rise times between 50ns and 500ns can be generated in the spark gap (12) by means of flashover voltage.

Description

Technisches GebietTechnical area

[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. The present invention describes a plasma pulse geo-drilling device comprising a high-voltage pulse generator, high-voltage cabling, a drill head with a drill head connection section and an electrode section which has a plurality of electrodes.

Stand der TechnikState of the art

[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. [0002] Access to deep energy resources (geothermal energy, hydrocarbons) from deep deposits will play a fundamental role in the next decades. However, drilling to extract deep georesources is extremely expensive. Deep drilling into hard, crystalline rock represents a major challenge for conventional rotary drilling systems as it involves high bit wear and frequent bit replacement, low penetration rates and poor process efficiency.

[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. [0003] With the aim of improving the overall economic efficiency of developing deep georesources in hard rock, we see Plasma-Pulse Geo-Drilling (PPGD) technology as a way out. The resulting plasma pulse geo-drilling process and the necessary technical means lead to a massive cost reduction and simplification of deep drilling compared to the use of conventional rotary drilling systems when the plasma pulse geo-drilling system is optimized.

[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. Plasma-Pulse Geo-Drilling (PPGD) technology for use in deep drilling processes, i.e. deep drilling for the development of oil and gas deposits and geothermal drilling, with final depths of a few meters to a few kilometers, had its origins in Russia. PPGD potentially develops its advantage in crystalline rock and is therefore ideal for geothermal energy or other activities in hard rock.

[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. [0005] The PPGD technology uses high voltage in the form of electrical pulses that increase within nanoseconds through the rock, creating a plasma in the rock that stimulates the rock from the inside out, i.e. H. against its low tensile strength without mechanical abrasion of a drilling tool, thereby creating a deep borehole. As described, for example, 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, a high-voltage pulse generator can be used using a suitable drill head 2 1 and two electrodes in a borehole filled with water 5, a borehole including propulsion can be achieved due to the high-voltage pulses. No wearing drill bit is used and a high rate of penetration (ROP) can still be achieved. In this approach, a suitable electrode arrangement is used to initiate a plasma channel (streamer) 3 using a high-voltage pulse.

[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. The streamer 3 spreads through rock 4 and breaks the rock 4 out from the inside. The electrodes are embedded in the drill head 2 and the process is surrounded by a drilling fluid 5 in the borehole (e.g. oil or water). The entire construction forms a plasma pulse geo-drilling device 0, as shown in Figure 1 according to the prior art.

[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. However, in order for this method to be able to effectively break rock, the plasma channel must pass through the rock and not along the rock surface, i.e. H. through the water as a drilling system.

[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. [0008] This is primarily achieved by a rapid pulse increase. Rise time is an important factor because of the remarkable dependence of the dielectric strength of materials on the time of pulsed voltage application. While the EPB (Electro-Pulse-Boring) process developed in Russia in the 1960s had to use oil as drilling fluid as an insulating and flushing medium, a new process is now supposed to use water, which saves costs and protects the environment.

[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. [0009] What is extremely important in the PPGD process is the provision of extremely rapidly increasing HV pulses with high maximum electrical voltages of greater than 200 kV, preferably up to 500 kV. Usual high-voltage pulse generators 1 are connected via an overhead line directly to the drill head 2, more precisely to a drill head connection section 21, and these voltage pulses are guided to electrodes of an electrode section 20, so that the plasma channel 3 is triggered by the electrodes through the rock 4, whereby rock parts, so-called cuttings, are knocked out become. At least the electrode section 20 is located in the drilling fluid 5, with which the rock parts are transported away, which requires appropriate infrastructure with drilling fluid supply and pumps for removal. As a rule, overhead lines are connected to an insulator element, which then has a conductive connection up to the electrode section 20 via inserted pipe sections.

[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. In known PPGD devices, especially the first ones from the 1960s, high voltage generated is led directly from a high-voltage pulse generator via an overhead line to an insulated connection point on the drill head 2. The voltage pulse should be pulsed to its maximum value extremely quickly, less than 500ns. After reaching the maximum value, the plasma channel is created between electrodes with different polarizations and the voltage collapses and the process is repeated continuously during the drilling process.

[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. With this direct transmission of the voltage pulse, the impairment of the pulse steepness is very low and through constant further development of commercially available high-voltage pulse generators, suitable current/voltage pulses can be generated. However, this arrangement requires an extension of the drill string, a separation of the pulse and fluid guidance in the drill string and thus an interruption of the drilling operation. This is particularly disadvantageous for deep drilling, where depths of several kilometers are to be drilled.

[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. In further developments, the voltage pulse has been generated using a suitable high-voltage pulse generator located inside the drill head. To do this, the high-voltage pulse generator 1 practically had to be integrated into the drill head and it had to be constantly carried along with the drill head. In principle, this is the most desirable variant, but to date no one has succeeded in reliably generating the pulse energies required for an economical drilling speed in such a limited space and in reconciling them with other important parameters such as drilling fluid throughput, etc. The size of the suitable high-voltage pulse generator is problematic and the electronics must be protected against drilling fluid and chipped cuttings, which has not been possible so far.

[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. [0013] The PPGD method relies on extremely rapidly increasing HV pulses. While generating the pulse height is usually not problematic, the pulse steepness becomes a problem. However, the desired voltage pulses must also arrive primarily at the ends of the majority of electrodes and thus on the rock surface to be drilled.

[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. The PPGD devices used so far did not yet have the desired efficiency, time savings and drilling quality. As a result, this process and plasma pulse geo-drilling equipment could not successfully establish itself on the market.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

[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. The present invention has set itself the task of further developing a plasma pulse geo-drilling device for plasma-pulse geo-drilling (PPGD) in such a way that the generation of suitably high and steep voltage pulses is achieved even when drilling at depths of a few kilometers is, problem-free tracking of the high-voltage supply is achieved when using water or a water-based liquid as drilling fluid, so that maximized drilling efficiency results in continuous operation.

[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. The quality of the pulse transmission link is significantly influenced by the electrical circuitry, the drill head geometries and the materials used for the drill head and the drilling fluid. From an electrical engineering point of view, an isolated consideration of the individual components and also the pulse transmission path does not make sense, since the entire system, including the high-voltage pulse generator, interacts.

[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. Variations of combinations of features or adaptations of the invention can be found in the detailed description, shown in the figures and included in the dependent claims.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

[0018] Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachstehend im Zusammenhang mit den anliegenden Zeichnungen in der Detailbeschreibung beschrieben. A preferred embodiment of the subject matter of the invention is described below in connection with the accompanying drawings in the detailed description.

[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.Further features, details and advantages of the invention also emerge from the following description of slightly modified embodiments of the invention, some of which will be clear to those skilled in the art from the drawings alone. 1 shows a schematic view of a plasma pulse geo-drilling device known from the prior art with a high-voltage pulse generator outside the drill head, with the drill head partially embedded in the rock. Figure 2 shows a plasma pulse geo-drilling device according to the invention in a schematic representation, whereby the voltage pulse generation is optimized and a plasma channel is generated in the rock. Figure 3a shows a schematic perspective view of an optimized drill head hanging outdoors, the electrically optimized plasma pulse geo-drilling device, while Figure 3b shows a schematic side view of a drill head with an integrated spark gap and Figure 3c shows a schematic view of a preferred electrode pattern of the optimized drill head .

BeschreibungDescription

[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. The plasma pulse geo-drilling device 0 according to the invention has a high-voltage pulse generator 1, a drill head 2, comprising an electrode section 20 with a plurality of electrodes and a drill head connection section 21 for connection to the high-voltage pulse generator 1. The complete drill head 2 is inserted into a rock 4, surrounded by a drilling fluid 5 in the form of water or a water-based liquid consisting of up to 100% water, with plasma channels 3, called streamers 3, being generated by electrical high-voltage pulses, which are pieces of rock break out of the bottom of the borehole. With each high-voltage pulse, more or less rock is broken out, the waste is removed and the borehole is enlarged in continuous operation.

[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. A high-voltage pulse generator 1 is used, which generates voltage pulses of 400 kV to 500 kV and energies between 3 and 4 kJ, for example from 40 kV DC side.

[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. The high-voltage pulse generator 1 is connected to the drill head 2 via an HV coaxial cable 10 as high-voltage cabling. An extension device 11 is indicated here in order to adjust the HV coaxial cable 10 and also the flushing device of the drilling fluid 5 according to the drilling depth. This makes it possible to continuously unwind the HV coaxial cable 10 as the drill hole depth increases, instead of constant interruptions to the drilling and thus flushing process according to the prior art. The HV coaxial cable is compact and light, making it easier to use.

[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. The rapidly increasing voltage pulse generated by the high-voltage pulse generator 1 has a flattened pulse steepness due to the HV coaxial cable 10. At the head end of the HV coaxial cable 10, the pulse steepness is reduced to such an extent that an optimal plasma channel 3 cannot be generated and the efficiency of breaking out rock is too low and cannot be reproduced. Here, a spark gap 12 is attached to the HV coaxial cable 10 in or on the drill head 2 in order to make the voltage pulse steeper again. Here, the spark gap 12 is preferably arranged in the drill head 2, more precisely in the area of the drill head connection section 21, with the high voltage being passed to the plurality of electrodes through an appropriate electrical connection. The arrangement of the spark gap 12 in the drill head connection section 21 is more stable and safer and leads to a more compact structure of the drill head 2 than in variants known from the prior art.

[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. The spark gap 12 is preferably designed as a gas-encapsulated spark gap 12 or with an encapsulated gas-tight housing, whereby extremely steep high-voltage pulses can be achieved and unwanted flashovers to the drill head 2 are excluded.

[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. The spark gap 12 has two separate conductors or an interrupted conductor in an encapsulated gas-tight housing. Electrical supply and discharge lines are arranged on both conductors or the sections of the interrupted conductor on both sides of the housing. The spark gap is directly or indirectly electrically connected to the electrodes by two or the interrupted conductor.

[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. Parts carrying high voltage are not openly accessible, which ensures safe operation. Due to the arrangement in the drill head connection section 21, the spark gap 12 is secured and protected, but is still easily accessible. The space available in our drill head 2 or drill head connection section 21 is sufficient for the spark gap 12 to be installed.

[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. [0027] Voltage pulses can be achieved using a spark gap 12, which range from 200 kV upwards and for a short time even reach maximum voltages of up to 800 kV and pulse durations between 50 ns and 500 ns. The pulse duration depends largely on the design of the pulse generator and the test parameters. The required steepness is given due to the spark gap 12. Thus, even with simple electrode arrangements, deep drilling using water or a water-based liquid as drilling fluid 5 can also be carried out as a so-called loop at a depth of several kilometers.

[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. A first electrical high voltage is passed through the HV coaxial cable 10 to the spark gap 12 on or in the drill head 2. The spark gap 12 is formed here by a housing which is filled with a gas, so that the flashover voltage is in the range of the desired 400kV to 500kV and the required steepness of the voltage pulse is also given. This can be estimated using the well-known Paschen law. If roughly one kV of voltage is required for air under standard conditions per millimeter of distance between the conductors of the spark gap 12 until a spark flashes, the dimensions for air are 400 to 500 millimeters, which can be achieved by using other pressurized gases and the Encapsulation can be made even smaller. Integration into the drill head 2 or drill head connection section 21 is therefore possible without any problems.

[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. The high-voltage pulse is conducted from two poles of the spark gap 12 into the electrode section 20 and onto the plurality of electrodes. The plasma channel 3 is formed between at least two electrodes due to the flashover voltage in the rock 4. Using flashover voltage in the spark gap 12, the plasma channel 3 can be generated with voltage peaks between 400kV and 500kV and pulse rise times between 50ns and 500ns.

[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. In order to optimize the plasma channel 3, special developments of the drill head 2 or the electrode section 20 have proven successful, as described below. This modified electrode section 20, in conjunction with the spark gap 12, was able to demonstrate previously unattainable drilling efficiency.

[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. In order to optimize the excavation behavior and thus the excavation performance, an improved arrangement and shape of the plus and minus electrodes was found, which serves the entire drilling cross-section equally and, above all, generates an over-excavation in the edge zone of the drill head 2, so that the drill head 2 can Tracking can be followed safely during the drilling process. A process-reliable supply of high-voltage pulses must always be achieved and the entire drill head 2 must have sufficient mechanical strength. This has been achieved with the arrangement of rod electrodes 200 in the electrode section 20, which is described in more detail below.

[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. The drill head 2 is designed as a metallic frame, comprising at least the electrode section 20 and a drill head connection section 21, which are fastened or molded onto one another. A plurality of n rod electrodes 200 protrude from the electrode section 20 in the direction facing away from the drill head connection section 21. The longitudinal direction is marked with the dashed arrow, with the arrowhead pointing in the feed direction of the drill head 2.

[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. For reasons of stability, the n rod electrodes 200 are rod-shaped and solid, so that they are isolated from one another and distributed over the largest possible area, along the cross-sectional area of the electrode section 20. The n rod electrodes 200 are attached to the electrically conductive drill head connection section 21 in such a way that it is at There are no flashovers or short circuits at high electrical voltages. The drill head connection section 21 is therefore essentially a metallic frame, comprising a plurality of feed struts 210 with direct or indirect contact with the n rod electrodes 200 and at least two connecting flanges 211, 211 'on which the feed struts 210 are attached or formed.

[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. High-voltage cables 10 are connected to the connecting flanges 211, 211' between the spark gap 12 after the high-voltage generator 1. Sufficient stability must also be achieved in the drill head connection section 21 so that short circuits are prevented. Although no mechanical loads occur here as in classic rotary drilling systems, the pressure with which the drill head 2 is pressed onto the rock 4 in the feed direction is quite high.

[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. The rod electrodes 200 are each connected to the first connecting flange 211 and thus indirectly to a first pole of the spark gap or indirectly via the second connecting flange 211 'to a second pole of the spark gap 12 without short circuits or flashovers. This means that different stick electrodes 200 can have different polarizations.

[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. The feed struts 210 can be designed as metallic tubes or as solid rods, while the at least two connecting flanges 211, 211 'are preferably welded on. The distances between feed struts 210, which are polarized differently during operation and subjected to high voltage, are selected to match the high voltage so that short circuits and flashovers are excluded. Since, for example, water 5 is used as drilling fluid 5 in the borehole, the specifications are defined accordingly, so that the plasma channel 3 is preferably generated by the rock 4 during operation.

[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. In Figure 3b, the spark gap 12 is indicated schematically in the drill head connection section 21. It can be seen that the different feed struts 210 ensure the application of tension and mechanical stability. Here the distance between the at least two connecting flanges 211, 211' is approximately half the length of the entire drill head connection section 21. This is indicated by dashed vertical lines in Figure 3b.

[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. In the electrode section 20, a uniform distribution of n rod electrodes 200 of equal thickness arranged parallel to one another, with rod electrode diameters d of greater than 5 mm, particularly preferably 8 mm, has proven to be advantageous. The rod electrode diameter d should be less than 10 mm, as this was the only way to achieve a homogeneous drilling result.

[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. The length L of the n rod electrodes 200 between their tips and the drill head connection section 21 should be greater than 100 mm and preferably less than 200 mm, particularly preferably between 150 and 170 mm. The total length of the drill head 2 should be approximately equal to 2 times the length L of the rod electrodes 200, so that the mechanical stability is sufficient. In order to achieve a homogeneous plasma channel 3 or a homogeneous bore in water 5 as drilling fluid 5, the n rod electrodes 200 with different polarities were arranged in such a way that the distance a between the next adjacent rod electrodes 200 is at least 40 mm, particularly preferably 48 mm.

[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. In addition to an arrangement of parallel rows and columns of stick electrodes 200 with the same polarity, with each stick electrode 200 having two nearest neighbors on both sides in the same row and a left and a right nearest neighbor in each neighboring column, there is a further embodiment proven to be more efficient.

[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. [0041] The electrode arrangement pattern shown in Figure 3c is based on a hexagonal arrangement of rod electrodes 200, with a rod electrode 200 of a first polarity being arranged in the middle of a hexagon and six further rod electrodes 200' being arranged along the circumference of the hexagon on the corners of the hexagon. Even in such an arrangement, the distances a between nearest neighboring electrodes are the same distance a. Except for rod electrodes 200 in the edge area, each rod electrode 200 has six nearest neighbors at a distance a. These nearest neighbors can have the same or opposite polarity, i.e. be subject to a correspondingly polarized electrical voltage. To do this, rod electrodes 200 must be connected to the suitable connecting flange 211. Arrangements are preferred in which rod electrodes 200, each with alternating polarity, are chosen to be arranged along the circumferential line of the hexagon, around the centrally positioned rod electrode 200.

[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'. The cross-sectional area Q of the electrode section 20 must be chosen to be greater than the cross-sectional area q of the drill head connection section 21 so that the drill head 2 creates a sufficiently large borehole and can be tracked into the borehole. The cross-sectional area q or the maximum diameter here corresponds to the diameter of the second connecting flange 211 '.

[0043] Durch die Gestaltung des Bohrkopfs 2 als Gestell kann Abraum mittels Bohrspülung 5 weg transportiert werden. By designing the drill head 2 as a frame, overburden can be transported away using drilling fluid 5.

[0044] Die Anschlussflansche 211, 211' führen zu einer äusserst stabilen, kurzschluss- und überschlagsfreien Montage der Hochspannungverkabelung 10 an den Bohrkopf 2. [0044] The connecting flanges 211, 211' lead to an extremely stable, short-circuit and flashover-free installation of the high-voltage cabling 10 on the drill head 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. With the drill head 2 described above, so-called loops can also be drilled several kilometers deep efficiently, cost-effectively, using water or a water-based liquid as drilling fluid 5 and without major mechanical wear. What is crucial is that the n rod electrodes 200 are placed on the rock as homogeneously as possible. The drill head 2 is tracked and placed on the rock 4, then one or more voltage pulses occur, knocked-out rock is removed and the drill head 2 is tracked again.

[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. The stick electrodes 200 described here make it possible to place point supports of the stick electrodes 200 distributed over the entire drilling cross section, since the stick electrodes 200 are distributed over the cross-sectional area of the electrode section 20. There are no electrical cross-connections between the individual rod electrodes 200 and the distances between the feed struts 210 and connecting flanges 211, 211 'are selected accordingly. The ends of the individual rod electrodes 200 are preferably designed as a spherical head with a defined radius, so they do not taper to a point. Rock parts broken out during operation, so-called cuttings, are reduced in size by the uniform, homogeneous arrangement of the rod electrodes 200 in such a way that the transport diameter for removal is safely achieved and the cuttings are prevented from jamming in the drill head 2. Good drilling results were achieved in the tests carried out, which are also advantageous in continuous drilling operations.

BezugszeichenlisteReference symbol list

[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)0 Plasma pulse geo-drilling device 1 High-voltage pulse generator (40kVDC/480kV, 3..36kJ pulse voltage) 10 HV coaxial cable = high-voltage cabling 11 Extension device 12 Spark gap 2 Drill head 20 Electrode section 200 n stick electrodes d stick electrode diameter (preferably 8mm) a Distance to nearest neighbors (preferably > 40mm, 48mm) L Length of the rod electrodes between tip and drill head connection section Q Cross-sectional area of the electrode section 20 21 Drill head connection section 210 Feed strut 211, 211' Connection flange q Cross-sectional area of the drill head connection section 21 3 Plasma channel/streamer 4 Rock 5 Drilling fluid (preferably water or water-based Liquid)

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.1. Plasma pulse geo-drilling device (0), comprising a high-voltage pulse generator (1), high-voltage cabling, a drill head (2) with a drill head connection section (21) and an electrode section (20) which has a plurality of electrodes, characterized in that the high-voltage cabling is an HV coaxial cable (10), which is electrically conductively fastened from the high-voltage pulse generator (1) directly into a spark gap (12) on or in the drill head connection section (21), and the spark gap (12) is electrically conductively connected to the plurality of electrodes , so that a plasma channel (3) with voltage peaks of 200kV to 800kV and pulse rise times between 50ns and 500ns can be generated by means of flashover voltage in the spark gap (12). 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.2. Plasma pulse geo-drilling device (0) according to claim 1, wherein the spark gap (12) is formed by a housing which is filled with a pressurized gas. 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.3. Plasma pulse geo-drilling device (0) according to claim 2, wherein the spark gap (12) has two conductors or an interrupted conductor in an encapsulated gas-tight housing, the conductors being directly or indirectly electrically connected to the electrodes. 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.4. Plasma pulse geo-drilling device (0) according to one of the preceding claims, wherein the spark gap (12) is fastened in the drill head connection section (21) and the conductors of the spark gap (12) are connected directly to the electrodes of the electrode section (20). . 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.5. Plasma pulse geo-drilling device (0) according to one of the preceding claims, wherein the drill head connection section (21) is designed in the form of a frame with feed struts (210) and at least two connection flanges (211, 211 '), the spark gap (12 ) in the drill head connection section (21) and the conductors of the spark gap (12) on the first connection flange (211) and on the second connection flange (211 ') are electrically conductively connected and thus indirectly with the plurality of electrodes. 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.6. Plasma pulse geo-drilling device (0) according to claim 5, wherein the electrode section (20) comprises a plurality of metallic rod electrodes (200) which are electrically conductively connected to the spark gap (12), run parallel to each other and are made of metallic tubes or solid rods with diameters (d) of less than 10 mm with the same length (L). 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.7. Plasma pulse geo-drilling device (0) according to claim 6, wherein the electrode section (20) is designed such that a cross-sectional area (Q) of the electrode section (20), on which the rod electrodes (200) are distributed, is greater than one Cross-sectional area (q) of the drill head connection section (21) on which the feed struts (210) and the at least two connection flanges (211, 211 ') are distributed is selected. 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.8. Plasma pulse geo-drilling device (0) according to one of claims 6 or 7, wherein the plurality of rod electrodes (200) form parallel rows and columns of rod electrodes (200) with the same polarity, each rod electrode (200) having two nearest neighbors in the same row and has a left and a right nearest neighbor in each neighboring column. 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.9. Plasma pulse geo-drilling device (0) according to one of claims 6 to 8, wherein an electrode arrangement pattern of the plurality of rod electrodes (200) is based on a hexagonal arrangement of rod electrodes (200), with a rod electrode in the middle of a hexagon ( 200) of a first polarity is arranged and six further rod electrodes (200 ') are arranged along the circumference of the hexagon on the corners. 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.10. Plasma pulse geo-drilling device (0) according to claim 9, wherein the rod electrodes (200) can be supplied with alternatingly polarized electrical voltage along the hexagonal circumferential line around the central rod electrode (200) and correspondingly with the connecting flanges (211, 211 ') are electrically connected.
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