CN102203373A - 用于熔化钻孔的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在地面、尤其是在岩石中制出尺寸精确的孔、井和隧道的熔化钻孔的方法和装置，其中通过熔体使钻孔底部熔化并且将废熔体挤压到周围、尤其是挤压到通过温度和压力作用而裂开的周围岩石中，并且在钻孔期间通过凝固的熔体围绕由管部件形成的管杆(1、2、3)生成钻孔套衬(9)，其中，从上方将在固态的集聚状态下的金属(7)输送到管杆的至少一个下部的管部件(1)的尤其是中心的向上敞开的空隙(5)中，尤其是将金属输送穿过位于所述下部的管部件上方的管部件(2、3)，所述金属在这个空隙(5)中通过输入能量而熔化并且通过从空隙(5)向外延伸的且通到管部件(1)的外壳面中的通道(6)导引到管部件(1)的外部周围，将在最下面的管部件(1)下方形成的岩石熔体挤压到周围岩石(14)中并且通过凝固形成围绕管杆(1、2、3)的金属套衬(9)。

Description

用于熔化钻孔的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于在任意的地面、例如岩石中制出尺寸精确的孔、井和隧道的方法和装置，其中通过熔体使钻孔底部熔化并且将废熔体挤压到周围、尤其是挤压到通过温度和压力作用而裂开的周围岩石中，并且在钻孔期间通过凝固的熔体围绕由管部件形成的管杆生成钻孔套衬。

背景技术

例如由EP 1157187B1已知一种按照金属熔化钻孔工艺加工尺寸精确的孔、井和隧道的钻孔方法。该文献公开了，如何利用金属熔体作为钻孔介质熔化地面的岩石，在石墨柱-钻孔设备的压力的条件下使岩石熔体在岩裂效应下挤压到孔周围并且在连续的熔化钻孔过程中由金属熔体作为钻孔介质同时建立由围绕石墨柱浇铸组成的金属钻孔套衬。在此钻孔设备的构成作为从顶面直到孔终点的石墨空心柱杆实现，其中通过石墨空心柱使在地表面上产生的金属熔体从地表面一直滑动到钻孔底部。

这种已知的熔体钻孔设备尤其由标准的、耐高温和耐压的碳柱或石墨柱组成，它们在下部的熔化钻孔区域中可以配有电磁的或磁流体动力的装置如磁瓶、磁阀、磁泵和吸持磁铁并且为了悬浮运行可以配备磁装置，用于电磁地悬浮、提升并用于施加压力。

按照这种金属熔体-钻孔工艺已知，利用电的过热金属熔体作为钻孔介质熔化要被熔化的岩石。在此金属熔体在熔化设备中在表面上产生并且通过由石墨空心柱组成的管杆一直向下导引到熔化钻孔区域。通过这种方式在熔化设备的表面上产生主要的熔化能量部分，由此只还需要向下导引用于利用磁泵或感应线圈过热金属熔体所必需和规定的能量以及用于吸持磁铁和磁阀的能量，它们应当用于产生和监控金属熔体-压力。

通过从表面直接导入金属熔体到熔化区所产生的更小电流输送通过上述的用于操纵金属熔体的电流消耗器又部分地被均化，由此可能使要加工到石墨-空心柱杆中的电磁和磁流体动力的装置的缺陷和其在技术上失效的隐患大于优点。

也视为费事的是，在地表面上产生大量的金属熔体并且浇铸或再灌注到设备中并且在整个钻孔长度上保持液态的。

按照最新的现有技术已知一个垂直的磁悬浮-升降机(TOSHIBA)，它作为没有电缆和固定绳索的垂直工作的高速升降机，并且例如通过使用Halbach(人名)磁铁和高功率-永久磁铁按照悬浮原理工作并且以长定子电动机运行。在此磁悬浮作为本技术领域创建的磁性悬浮的缩略语。

同样已知无电缆和无接触的超导磁铁(IFW-德累斯顿)，其超导通过可更换或可充满的液氮容器保证并且提供大的悬浮力。

此外已知激光束钻孔(美国气体技术研究院)，通过它在试验钻孔中已经能够比通过旋转-钻孔技术快10倍并且与按照DE 2554101的氢气/氧气-熔化钻孔工艺的熔化钻孔结果一致。但是直到目前在使用激光作为熔化能量源的条件下可能还没有研制出适合的钻孔工艺，用于连续和间断的钻孔进展。

发明内容

本发明的目的是，改进同类型的金属熔体的钻孔方法连同装置，并且尤其是简化用于执行熔化过程的能量输入。

此外本发明的目的是，提供一种以简单的工作原理为基础的方法和装置供使用，在其中可以在很大程度上省去费事的且易失效的装置如吸持磁铁、磁瓶或磁阀和磁泵以及其供电装置和控制装置并且以突出的特性保证连续的高浇铸质量的金属套衬。

按照本发明这个目的通过以下措施得以实现，即：从上方将在固态的集聚状态下的金属输送到管杆的至少一个下部的管部件的尤其是中心的向上敞开的空隙中，尤其是将金属输送穿过位于所述下部的管部件上方的管部件，所述金属在这个空隙中通过输入能量而熔化并且通过从空隙向外延伸的且通到管部件的外壳面中的通道导引到管部件的外部周围，将在最下面的管部件下方的尤其是通过金属熔体推动的且例如借助于直接通导电流过热的岩石熔体挤压到周围岩石中并且在另一钻孔步骤中通过凝固构成围绕管部件的金属套衬。

为了优化钻孔的金属套衬并且为了延长使用寿命，可以使压力钻头在通道入口以下的部分为了输送金属熔体在直径上至少扩大要制成的金属壁厚，这在生成预钻孔时或在开始钻孔和其喷射管套衬时要相应地考虑。

因此本发明的主要核心思想是，将金属熔体的产生移到钻孔底部附近，由此金属熔体不再从地面开始沿钻孔整个长度输入，而是“就地”通过熔化固态金属而产生并且在金属熔体到达钻孔工作面上的熔化区以前，使金属熔体利用至少一个具有通道的管部件(它可以称为“馈送器)直接地形成金属套衬。为此提供上述的按照本发明的管部件供使用，在其中通过加入能量产生下面描述的熔化工艺过程。

为了开始按照本发明的熔化钻孔过程，在一个实施例中可以规定，首先(例如以公知的方式)产生具有钻孔底部的预钻孔，所述钻孔底部例如几米长地开口，在其中装入金属管作为初始的钻孔套衬。在金属管的形成套衬的钻孔(初始钻孔)中放入至少一个上述的、具有通道的管部件(馈送器)，接着放入至少一个用于加工(牵引部件)以后由熔体凝固成的金属钻孔套衬的管部件。

在此可以规定，在具有通道管部件之前安装其它管部件，尤其是这样的管部件，它们在熔化钻孔期间由于磨损而消耗或者在具有通道的管部件中在通道孔下方选择考虑到所预计磨损的长度。

然后或者在这个钻孔底部下部附近或者在这个实施例中必要时也在最下面的管部件中已经填充有液态的熔体，或者在这个管部件中通过熔化固态金属启动熔化过程。在此优选使用可磁化的金属、尤其是具有良好的磁性的剩磁，如铁或钴或镍或它们的合金，至少在其它可能的实施例中主要取决于磁性特性的时候。

然后，通过具有这些通道的管部件(馈送器)流出的金属熔体尤其在自身压力和/或重力作用下充满在钻孔底部与孔壁之间的间隙，并且与预钻孔所使用的金属管连接成一个通过连续的钻孔进展进一步形成的金属套衬。通过通道进入到这个管部件周围的外壳区域中的金属熔体在这个管部件上向下流动并且到达钻孔工作面，在那里在接触时通过熔化岩石触发真正的熔化钻孔过程并且通过继续输入能量保持。

在可能的实施例中，例如通过电流实现能量输入到在熔化钻孔时产生的岩石熔体和/或金属熔体，电流通过导线从顶面导引到最下面的管部件和/或具有通道的管部件和熔化区，或者所述电流通过至少一个高温反应器产生，该反应器集成到至少一个最下面的管部件中，尤其集成在牵引部件中或上方，或者在另一实施例中也可以通过激光射线实现，它从顶面中心地穿过所有的管部件一直导引到钻孔底部。

在熔化时，熔化的岩石挤压到钻孔周围，这从孔的一定深度开始通过由许多管部件组成的整个设备的重力实现并且可以在开始钻孔时得到例如液压或电磁的支持。最下面的管部件和接在其上的管部件在钻孔工作面熔化时通过挤压岩石熔体到周围中向下沉降，由此从顶面可以向下导引相同的或其它结构形式的其它管部件并由此得到由多个管部件组成的、必要时具有不同功能的管杆。

在此各个管部件可以相互连接，或者在向下输送时连接，尤其借助于在两个管部件之间起作用的卡扣连接，尤其是一种例如通过拉力能够重新松开的连接，所述拉力使两个管部件被相互拉开。

在这个发明中与前面所述的现有技术不同，金属熔体尤其满足连续形成钻孔的金属套衬的目的并且不再只是满足熔化钻孔工作面的目的，而是特别地只在开始和挤压熔体时用于岩石熔化过程，其在开始状态以后通过直接导入电流和/或激光射线实现岩石熔化过程。

除了在过程开始以外(如果还根本没有出现岩石熔体)，金属熔体也还用于产生第一岩石熔体。但是接着通过直接输入例如上述形式的能量保持岩石熔体缓冲层(Gesteinsschmelzekissen)并且使连续产生的金属熔体用于形成套衬，通过在熔体到达熔体钻孔区域之前，使熔体通过通道首先导引到具有通道的管部件(馈送器)的外壳区域中，优选为了形成金属钻孔套衬而不与岩石熔体混合。

原则上也可以规定，使在其中熔化固态金属的熔化区设置在另一管部件中，作为通道通过所述另一管部件使熔体向外导引。优选使熔化区和通道组合在一个管部件中。

在本发明的优选实施例中可以规定，例如利用金属杆将固态金属受控地输送到熔化区中，所述金属杆尤其可以逐个部件地组成，在此还可以规定，其未使用的部分在达到钻孔目的以后可以拆卸下来。

在激光加热时可以利用金属管(空心杆)穿过管部件实现向下导引，穿过金属管，激光射线从顶面一直引导到钻孔工作面。因此补充金属包围激光射线，激光射线使金属在下部的管部件中熔化，尤其是在高的光压下金属熔体通过基本设置在下部管部件中的通道挤入，用于形成金属套衬。在此中心孔通过下部的管部件(石墨部件)可以由激光射线保持没有金属熔体。

如果在两个实施例中金属不是作为连续的杆、而是分段地从顶面开始向下导引，也可以规定，通过管部件实现所述向下导引，管部件分段固定地接收金属杆并且在已形成套衬的钻孔中向下移动。在此可以规定，使这个管部件作为另一部件放置在后者上，尤其与其连接或者也可以再提升这个管部件。也可以规定，将金属杆段逐个管部件地输送，直到达到那个在其中进行熔化的管部件。

正好为了能够在管杆中向下导引和/或滑动或移动管部件，按照本发明在可能的实施方式中规定，至少一个管部件接在进行熔化的管部件上，利用它可以加工已凝固的金属套衬。

这种加工例如可以是成形的和/或加工表面的。为了可以同时执行两个加工形式，例如这种部件可以构成为所谓的牵引部件，它由于其外部形状在穿过(牵引通过)凝固的但是还可以变形的金属套衬时使这个金属套衬获得最终的形状和表面质量。为此可以使这个部件例如具有向下锥形收缩的形状，此外具有圆形的横截面。也可以使用椭圆的横截面。尤其是这个牵引部件的基本形状适配于设置在其下面的管部件的基本形状，它们同样可以是圆形或者不同于圆形的形状。这正好是按照本发明方法的优点，原则上可以制出具有任意横截面形状的钻孔。

在本发明的优选实施例中所述熔化钻孔设备可以具有至少三种管部件，它们将由管部件形成的钻杆分成热部分、牵引和/或冷却部分和冷部分。在此热部分的管部件可以构造成石墨空心柱。至少所述下面部的、必要时最下面的具有通道的部件是这种形式的管部件。在这种管部件的前面和后面可以设置其它形式的管部件。

牵引和/或冷却部分的管部件可以由尤其是高强度的金属结构构成，其中牵引和/或冷却部分的管部件设置在热部分与冷部分之间并且用于加工、尤其扩大和精整金属钻孔套衬。其中也可以设置至少一个管部件。在这里金属结构可以包围石墨芯。

冷部分的管部件可以由尤其是耐压金属结构构成，它们尤其是用于产生压力和/或向下导引控制及能量装置以及固态金属，固态金属通过管部件导引到靠近钻孔底部的管部件，在其中熔化固态金属。

因此本发明在这个实施例中提供了一种具有三个功能段的方法和设备供使用：

1.由石墨空心柱组成的“热部分”，

2.用于使金属套衬压缩、尺寸稳定和表面改进的“牵引和/或冷却部分”，

3.上部的“冷部分”，它负责产生压力、向下导引金属杆或金属管杆，用于供给金属熔体，或者负责其在钻井中的输送。

与开始所述形式的已知的金属熔化钻孔方法不同，所述钻孔设备的冷部分的和牵引和/或冷却部分的部件、尤其是空心柱部件由耐高压的材料或者由耐高温的金属合金制成并且不由纯的碳空心柱制成。但是它们具有碳芯。

按照本发明，在一个应用变型中也能够使熔化钻孔设备、即整个孔杆的长度尽可能地短，因为对于输送熔体不再需要从地面直到钻孔工作面的连续的成形管。

为了将各个管部件输送(装配/拆卸)到已经存在的管杆可以使用升降机系统。

如果需要，这种升降机系统可以通过在已形成金属套衬的钻孔壁中/在已形成金属套衬的钻孔壁上装入升降机系统部件实现。特别优选的是按照磁悬浮技术的升降机系统，其中管部件通过磁的交互作用或者直接与金属的钻孔套衬交互作用或者与在其中后加入的升降机系统部件交互作用，并且至少受控地移动到深度，优选在两个垂直方向上实现升降机运行。

在这里能够以适配的形式使用磁悬浮升降机技术的升降机，它目前由TOSHIBA公司试验并且直接或间接地利用金属套衬作为移动导轨。

因此可以规定，使用一个管部件作为具有高行驶速度的磁悬浮升降机，用于装配和拆卸或输送用于熔化钻孔设备和/或要向下导引的金属杆或金属管杆的加长部件。这种磁悬浮升降机不必一定构成管部件，而是可以形成原则上独立地在钻井中可活动的部件。

已知的熔化钻孔设备的问题按照本发明也由此得以解决，可以省去大部分上述的电磁的或磁流体动力的装置，并且在这里在连续地形成金属钻孔套衬时产生的金属熔体损失不直接作为熔体、而是逐个部件地例如以杆或管的形状通过空心的钻孔设备部件优选利用升降机系统例如磁悬浮升降机组成金属杆或金属管杆(在通过激光传递熔体能量的情况下)并且向下导引。

按照本发明的金属熔体钻孔设备例如可以以不同的形式构造和运行。

管杆的管部件以已知的形式可以形成一个从开始钻孔直到结束钻孔的单元，其中只是下部的“热部分”由碳制成并且通过由硬质合金制成的牵引部分封闭，其中牵引部件的特殊形状给出金属钻孔套衬形状并由此给出钻孔形状。

钻杆的“冷部分”尤其用于通过其自重产生必需的压力、供给以及控制钻孔进展速度并且负责使压力钻头不放置在岩石工作面上。为了总是保持在钻孔工作面与压力钻头之间的熔体缓冲层，钻孔杆的“冷部分”机械地悬挂在钩上或者按照本发明通过安装到钻杆模块中的悬浮部件固定或者通过自动行走的、同步循环的电磁滑靴固定在钻杆模块上。

可以规定，同步地执行电磁循环，尤其是以最佳的频率，它使钻杆成为振锤并且优化熔化钻孔和牵引区域中的钻孔进展。

钻杆的管部件在一个变型中可以通过升降机、优选通过磁悬浮升降机作为供料机装配和拆卸，以及通过这种升降机输送必需的补充材料，如果钻杆长度不是从下到上充满整个钻孔，而是保持限制在一个长度上，在该长度上，自重足以挤压钻孔熔体并产生用于牵引部件的压力。

通过简单的方式使“冷部分”的各个管部件不是活动的。相对于钻孔套衬和/或在向下导引的金属杆在其中心孔的滑动特性通过碳环或其它由石墨制成的滑动部件给出。因此管部件与外部的金属套衬或与内部的金属杆的接触只在具有突出的滑动特性的石墨部件上发生。

在另一变型中，“冷部分”的各个管部件作为整体以具有间隔和固定功能的磁导体作用于金属孔壁和向下导引的金属杆或金属管杆，在其中该管部件优选无接触地导引金属杆。

在另一变型中，每个管部件、至少“冷部分”的管部件如同磁悬浮升降机一样运行并且自动装配、拆卸和/或作为整个的钻杆悬浮、固定、顶压和提升。

金属杆或金属管杆例如也可以按照最后两个变型中的一个变型无摩擦地通过磁悬浮在钻孔设备部件的内部向下导引，或者通过感应滑环或者通过形成的气垫制动或者例如按照上述简单的变型，在微小摩擦的条件下通过碳环或者碳垫滑动地一直向下导引到热部分的石墨空心柱杆中，在金属杆通过热传递的过程中一方面从钻孔套衬的凝固的但是还炙热的区域以及也通过有针对性使用的电或激光加热在这种下部的管部件的通道之前的“熔化区”就地熔化。

按照本发明，金属杆或金属管杆的总重在垂直导引时作用于与在金属熔体中产生巨大压力的长度相比相对较小的杆横截面上，在金属熔体下方挤压过热的岩石熔体，其中通过钻孔设备部件的重量和其在部件(在熔化钻孔设备的外部区域中的凝固的金属熔体的压力封闭区或者在空心柱部位中的膨胀的且还未完全熔化的金属杆)中的摩擦引起的向上作用于钻孔设备横截面上的反作用压力在“热部分”和牵引及冷却部分的功能段中接收，因此可以使钻孔设备保持相对较短并且不必再为了向下导引金属熔体一直伸到顶面。

如同在现有技术中用于形成金属钻孔套衬的吸持磁铁按照本发明是多余的，由于加入上述的通道，尤其是优选至少三个横通道，它们作为“熔化区”端部上的“馈送器”安置在至少一个下部的(靠近钻孔底部的)管部件中。横通道作为金属熔体馈送器并且在开始熔化钻孔过程时充满自由空间，用于围绕下部的石墨柱部件完全以金属熔体形成直到钻孔工作面的金属钻孔套衬。

在优选的实施例中，在使用激光作为熔化能源时在具有横通道的管部件中为了将金属熔体馈送到周围从这些横通道开始向下使内部空心空间变窄，尤其变窄到激光射线横截面。收缩到一个减小的横截面，其等于或者略大于激光射线横截面，由此使激光射线从这个下部的且必要时接在其下部的管部件(它们同样具有这种孔)可以向下朝钻孔工作面的方向排出。在通过电流直接加热的岩石熔体钻孔工艺中没有这种中心孔。在这个实施例中，使管部件与通道和可能位于其下面的其它管部件向下封闭并且可以仅仅通过横通道排出金属熔体。

优选通过横通道将金属熔体输送到靠近钻孔底部的管部件，用于在最佳的压力浇铸温度的情况下形成金属钻孔套衬，并且在熔体钻孔区域中通过围绕石墨柱“钻头”、即最下面的由石墨制成的管部件的“熔体缓冲层”防止直接喷射热的岩石熔体。

因此按照本发明缩短凝固时间并由此也缩短钻杆“热部分”的长度。

在可能的实施例中可以规定，使最下面的管部件、尤其是构成实际的“钻头”的管部件向上收缩地构成，例如锥形地收缩。这种形状实现通过钻孔周围施加在这个部件上的压力自动地驱动这个管部件。通过设置在这个管部件上的加工的管部件、尤其是所谓的牵引部件可以改变金属套衬，它已经适配于这种最下面的管部件的形状，例如从而使金属套衬在轴向上具有相同的横截面。

本发明的另一目的是，省去用于再过热在熔化区中的金属熔体的磁泵(磁瓶)。在已知的金属熔化钻孔方法中，金属熔体作为过热的钻孔介质的任务是熔化岩石，因此金属熔体比岩石熔体热非常多。

在按照本发明的方法中，金属熔体只作为开始熔体用于熔化钻孔，然后所产生的岩石熔体直接通过电流或激光射线加热并且不通过上述的装置如磁泵使金属熔体过热并由此实现岩石熔化去除。相反地，金属熔体、例如铁熔体基本上只作为开始熔体并用于形成金属钻孔套衬或者作为挤压熔体以及保护熔体，以便通过电流借助于电阻加热启动岩石熔体的直接加热，因为岩石作为良好绝缘体只有在液相中才变成电流导体。

因此岩石熔体比金属熔体热很多。由于两种熔体的高温度差使得岩石熔体的粘度和表面应力低于金属熔体的粘度和表面应力。

按照本发明，较冷的金属熔体的高的表面应力、其较高的粘度和密度反差用于使更热且更轻的岩石熔体挤入到钻孔周围的裂纹系中，它们在直接作用于岩石上的热岩石熔体的热压力作用下通过岩裂效应产生。通过这种方式还防止在套口(Ansatz)中金属熔体与岩石熔体混合。

在一个可能的实施例中，通过至少一个电极实现电流输入，用于利用电流流动通过过热的岩石熔体直接熔化岩石，电极通到最下面的管部件的下表面中，优选通过至少三个集成到石墨管杆中的且绝缘的石墨电极。

在多个电极时，它们可以具有均匀的角度布置，在三个电极时相互间分别以120°这样定位，使它们分别同心地延伸。

在使用仅一个电极时，例如通过这个电极与金属套衬之间的电流流动实现加热。在优选使用三个或多个电极时可以在这些电极和/或金属套衬之间实现电流流动。在此电极可以移相地通电并且产生旋转场。

这些电极优选也可以按照(ERT)电阻层析成像(LawrenceLivermore国家实验室)通过计算机程序同时承担全自动控制的任务和/或按照交流原理通过熔体的旋转和回转作为“熔体钻头”控制石墨柱与钻孔工作面之间的熔体，用于精确地去除岩石。

每个电极在一个实施例中可以具有到表面的电导线连接。也可以规定，直接由在下部管部件中、例如冷部分的管部件中一起导引的反应器对电极供电。在此可以在三个电极之间通过熔体移相地且以不同的强度实现电流流动，其中金属的钻孔套衬作为回路导线。

在实现钻孔深度的钻孔目的以后，自动地或者借助于升降机、尤其按照磁悬浮原理的升降机拆卸钻孔设备的“冷部分”和“牵引和/或冷却部分”的部件连同未利用的金属杆或金属管杆。

钻孔设备的“热部分”的形成钻井的管部件、尤其是石墨柱连同内部的金属芯也可以保留在钻井的下部分中，因为钻井金属套衬在凝固过程中在上部分中略微收缩并因此必要时不必隐藏它们。

可以由此考虑这种略微收缩过程，使石墨空心柱杆向下相应锥形地扩展，这附加地增强对于高应力熔体区域的压力封闭。由于成本的原因和在其它的方面优选使“热部分”的长度减小到必需的最小尺寸，因为“热部分”的长度也确定了预钻孔的长度。预钻孔因此优选构造成这样深，使热部分的所有管部件可以安装到其中，用于开始熔化过程。

优选使预钻孔连同金属管套衬在熔化钻孔过程开始之前具有这样的深度，使得除了整个“热部分”和“牵引和冷却部分”以外也可以容纳足够数量的升降机部件、尤其是磁悬浮部件，用于固定和挤压，尤其当“热部分”和“牵引和/或冷却部分”的自重不足够的时候。在此上述的部件以其重量总和加上升降机部件、尤其磁悬浮部件形成的挤压力产生这样大的压力，使得构造成牵引部件的管部件可以以精确的程度满足其扩展、压缩和精整金属钻孔套衬的工作并且可以满足将所产生的岩石熔体挤压到钻孔周围环境的侧面岩石中。

“牵引部件”的任务是，在至少一个在其中实现熔化的管部件上方、尤其在石墨空心柱杆的上端部上以给定的尺寸扩展、压缩并精整凝固的但是还炙热的金属钻孔套衬，从而使它们在冷的状态满足毫无问题地使用升降机系统、尤其是磁悬浮升降机的条件。

牵引部件可以至少略微锥形地成形并且其表面可以设有涂层，例如具有锆石的涂层，从而在熔化钻孔设备向前移动时使处于高压下还可以变形的金属钻孔套衬得到其最终形状。为此可以使用新的或者按照现有技术已知的压缩机、精整件或者用于表面处理的措施，它们优化并补充这个压缩过程和扩张过程。

冷却部件不是一定需要的。但是要权衡是否值得付出输入冷却剂和排热的费用。可以毫无问题地通过牵引部件的内表面得到冷却功能或者通过独立的用于冷却向下导引的管部件，以便改善金属钻孔套衬的质量并且加速冷却过程。可以通过市场上可供使用的冷却技术实现冷却，在冷却技术中使产生的高温热量用于冷却，例如通过蒸汽喷射冷却设备，它们集成到钻杆模块中，冷却通过用于冷却的热电偶或者按照本发明通过SC(超临界)的水冷装置实现，它如同在卷管系统中供电一样通过自行走的磁性吸持系统在钻井的金属套衬上对应于钻孔步骤返回，如果钻杆不从上至下穿过整个钻孔的时候。

SCW冷却包括封闭的两件式的高压管道系统，它隔热地在卷管系统中通过自行走的磁性吸持系统向下导引。因为SCW的粘度接近零，因此在管中几乎不产生摩擦，因此SCW尽管加大体积也大致与冷的压力水相同快速地通流过具有相同的直径的管道。SC水在表面上流动，用于通过热交换器回收能量并且例如以50％的效率用于产生电流，通过使SC水通过SC高温和高压涡轮机卸载。

尤其是具有相应配备的管部件的自行走的磁吸持系统包括电磁铁并且按照本发明使用，其中该系统集中地控制所有的电磁铁，它们以短的顺序这样接通“吸持”/“松开”，使它们以钻孔进展的速度在重力作用下沿着孔壁“下滑”。在达到钻孔目的并且拆卸钻杆部件以后也通过升降系统、尤其是磁悬浮升降机拆卸磁性吸持系统，与其之前从顶面起装配一样。

因为两个对置的供给系统通过其自行走的磁吸持系统在钻井中需要空间，因此在“冷部分”的要向下导引的钻孔设备部件中在供给部件区域中设有相应的空隙，或者这样选择钻井的形状，使钻井以相应的自由空间补充，这由于相应的形成钻井的石墨柱的形状在熔化钻孔工艺中可以是任意的。例如具有正方形基面的井在四个角中具有足够的空间用于供给部件并且在角部中也具有用于可能必需的升降机系统的空间，尤其当对于磁悬浮升降机，长定子系统是必需的时候。

除了通过向下导引的电缆供电以外，也存在通过高效激光提供熔化能量的可能性，它们在市场上并且在研制中得到。使用激光作为熔化能源需要从顶面直到钻孔底部的精确准直的钻孔，因此通过空心的管部件可以使激光射线从顶面射入。对于向下导引金属杆这意味着，金属杆必需作为管杆向下导引。

在通过自动机在顶面上导入管杆部件也包括导入空心的钻孔设备部件时，在可能的实施例中也可以设有至少两个具有反射系统的激光射线，从而在输送部件期间中断一个激光射线时提供第二激光射线供使用，由此使部件在导入时不会受到激光射线的损伤并且不会短时间地中断对高压熔体的光压。否则在石墨空心部件的自由空间中击中钻孔工作面与“钻杆头”之间的“熔体缓冲层”的内含物，并由此使钻杆头放置在岩石上并且在高的自身压力下损坏。为了在激光失效时也优选防止这一点，在这个实施例中出于安全性的原因可以在石墨空心部件钻杆中同时安装多个磁阀。

在使用激光作为熔化能源时可以保留几乎基本相同的熔化钻孔设备结构。仅仅从钻杆熔化区开始或其下面的管部件必需一定配有贯通的中心孔。激光射线这样地聚焦，使它在下部的钻杆中充满中心孔，以便直接加载钻孔工作面，这导致特别热的岩石熔体的分开(Freisetzung)。在此建立高的熔体压力并且防止激光的光压，使熔体向上射入中心孔中，激光射线也穿过中心孔延伸。

相应地如上所述通过ERT和交流电极实现方向修正和自动控制。

附图说明

附图示出了本发明的各一个实施例，即：

图1示出通过电流的熔化，

图2示出通过激光的熔化。

具体实施方式

图1示出钻孔设备，其包括下部的、在这里最下面的管部件1，所述传导元件由石墨制成并且具有内部的空隙，该内部的空隙作为熔化区5，用于在那里例如通过电流熔化从上面向下导引的固态金属。这种金属在这里作为金属杆7输送通过设置在所述最下面的管部件上方的管部件。最下面的管部件1在这里示例性地形成钻孔设备的热部分。可以设有热部分的多个这种管部件，但是没有熔化区。

通道6从这个熔化区基本上沿径向导引并且在这里略微向下导引到固定部件1的外壳面，在那里可以排出金属熔体并且凝固。在此金属熔体将岩石熔体挤压到周围岩石中，岩石具有裂纹14。电极4通过导线11加载电流，用于产生或者保持岩石熔体。

最下面的部件1的中心空隙在这里向上锥形收缩地构成，由此使金属的钻杆7在最下面部件的上端部上形成用于熔体的压力封闭。

设置在最下面的部件1上方的管部件2形成牵引部件，它从上向下锥形地收缩并由此通过钻孔步骤使尽管已经凝固、但是还可以变形的金属套衬9b成形并且光滑。在这里只示例地示出这些部件中的一个部件。也可以前后设置多个，它们接着实施不同的加工。

设置在其上面的管部件3具有更小的圆周和更大的内部空隙，由此使金属杆7在这里可以自由活动的。部件3到金属套衬9的距离相同并且可以构成为升降机部件，例如构成为磁性滑动体或者磁悬浮升降机。

图2示出具有相同部件的实施例，但是在这里最下面的管部件1具有向下敞开的孔13，激光射线15穿过它直接射到钻孔工作面上并且熔化它。在此激光射线15也熔断具有熔化的金属的熔化区5。在那里从上面熔化作为金属杆7向下导引的金属并且将其导引到管部件1的外圆周。激光射线在这里在金属杆7的内部导引。在这里也如同图1一样示例地只示出钻孔设备的各部分(热部分、牵引和/或冷却部分、冷部分)的一个管部件。

图1的附图标记列表

1具有压力钻头的石墨柱杆

2牵引和/或冷却部件的部分

3磁性(滑动触头)部件的部分

4电极(优选至少三个)

5熔化室(熔化区)

6具有用于输入金属熔体的通道的下部/最下面的管部件

7向下导引的金属杆，用于形成金属钻孔套衬

8由凝固的岩石熔体构成的岩石熔体-钻孔套衬

9金属浇铸-钻孔套衬(凝结的，调温的和光滑的)

9a在牵引过程结束时(金属状态)

9b在牵引过程开始时(凝固但是还灼热的)

9c在凝固过程中的浇铸熔体

9d液态的浇铸熔体，但是具有高粘度和表面应力

10金属熔体挤入岩石熔体

11电流输送

12用于磁悬浮部件和磁悬浮升降机的气隙

13用于向下导引的金属杆的气隙

14热和岩裂系的裂纹

图2的附图标记列表

1具有用于激光射线的中心孔的石墨柱杆

2牵引和/或冷却部件的部分

3磁性(滑动触头)部件的部分

4石墨电极

5熔化室(熔化区)

6具有用于输入金属熔体的通道的下部/最下部管部件，所述金属杆用于形成金属钻孔套衬

7由凝固的岩石熔体构成的岩石熔体-钻孔套衬

9金属浇铸-钻孔套衬(凝结的，调温的和精整的)

9a在牵引过程结束时(金属状态)

9b在牵引过程开始时(凝固但是还灼热的)

9c在凝固过程中的浇铸熔体

9d液态的浇铸熔体，但是具有高粘度和表面应力

10金属熔体挤入岩石熔体

11电流输送

12用于磁悬浮部件和磁悬浮升降机的气隙

13在石墨圆柱中的用于激光射线的中心孔

14通过热和岩裂产生的裂纹，用于挤压岩石熔体

15激光射线

16岩石熔体通过激光的分开(熔体最高温度)

17降低的温度区域(熔体锥)

18外部的熔体区域

19略微锥形扩展的熔体室

20具有用于激光射线的孔的金属管杆

Claims (30)

1.用于在地面、尤其是在岩石中制出尺寸精确的孔、井和隧道的熔化钻孔的方法，其中通过熔体使钻孔底部熔化，并且将废熔体挤压到周围、尤其是挤压到通过温度和压力作用而裂开的周围岩石中，并且在钻孔期间通过凝固的熔体围绕由各管部件形成的管杆生成钻孔套衬，其特征在于，从上方将在固体的集聚状态下的金属(7)输送到管杆(1、2、3)的至少一个下部的管部件(1)的尤其是中心的向上敞开的空隙(5)中，尤其是将金属输送穿过位于所述下部的管部件上方的管部件(2、3)，所述金属在这个空隙(5)中通过输入能量而熔化并且通过从空隙(5)向外延伸的且通到管部件(1)的外壳面中的通道(6)导引到管部件(1)的外部周围，将在最下面的管部件下方形成的岩石熔体挤压到周围岩石(14)中并且通过凝固形成围绕管杆的金属套衬(9)。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在最下面的管部件(1)下方尤其是通过金属熔体产生的岩石熔体通过直接输入能量比金属熔体更严重地过热，并且由此实现岩石的连续熔化。

3.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，对岩石熔体和/或金属熔体的能量输入通过电流实现，电流通过导线(11)从顶面输送到最下面的管部件(1)和/或具有通道(6)的管部件(1)，或者电流借助于至少一个反应器产生，该反应器集成到至少一个管部件(1、2、3)中；或者所述能量输入通过激光射线(15)实现，所述激光射线从顶面在中心穿过所有的管部件(1、2、3)一直导引到钻孔底部。

4.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为了产生初始的岩石熔体，在具有通道(6)的管部件(1)中产生的金属熔体通过通道(6)并且沿着所述管部件(1)的外壳面输送至钻孔底部。

5.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为了开始熔化钻孔过程，首先产生具有钻孔底部的预钻孔，在所述预钻孔中装入金属管作为初始的钻孔套衬，其中在金属管中装入至少一个具有通道(6)的管部件(1)和至少一个用于加工金属的钻孔套衬的管部件(2)，并且使通过通道(6)流出的金属熔体尤其是在自身压力下充满在钻孔底部与钻孔壁之间的间隙并且与预钻孔的已装入的金属管连接成一个通过连续的钻孔进展而形成的金属套衬(9)。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在具有通道的管部件(1)的前面将至少另一个管部件装入到预钻孔中，以便在通道孔下方得到所期望的管杆长度，或者所述具有通道(6)的管部件(1)本身在通道孔下方具有所期望的长度，其中所期望的长度通过所计划的钻孔深度和在这个钻孔深度的情况下管部件(1)的预期的磨损得出。

7.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，金属的向下导引在电流加热时在固态的集聚状态下作为金属杆(7)穿过各管部件(2、3)实现或者在激光加热时穿过管部件(2、3)作为金属管杆(7)实现，所述激光射线(15)被导引穿过所述金属管杆。

8.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将岩石熔体加热到比金属熔体更高的温度，从而通过与热的岩石熔体相比较冷的金属熔体的更大的表面应力、更高的密度和更高的粘度抑制金属熔体与岩石熔体的混合，并且在钻孔进展中一方面连续地由浇铸构成金属钻孔套衬(9)，另一方面使易流动的岩石熔体在金属熔体的高表面应力和密度反差的作用下挤入到由于温度和压力作用而裂开的周围岩石(14)中，尤其是不产生进入周围岩石(14)中的金属损失。

9.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过电阻层析成像(ERT)借助于至少三个装入下部的管部件中的且绝缘的石墨电极(4)实现将熔体能量传递到熔体中和/或操纵熔体用于产生旋转的和/或可转动的熔体、尤其用于构成无磨损的熔体钻头和/或控制整个设备，所述石墨电极通过相移和不同的负荷加载在通电时使熔体旋转和/或转动运动，尤其是ERT程序检测在熔体钻孔设备前的熔体分布并且使得在显示器上能看出并且实现全自动地控制熔化钻孔方法。

10.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，使用三种管部件(1、2、3)，它们将由各管部件(1、2、3)构成的钻杆分成热部分、牵引和/或冷却部分和冷部分，其中热部分的管部件(1)构造成石墨空心柱，牵引和/或冷却部分的管部件(2)由尤其是高强度的金属结构构成，其中所述牵引和/或冷却部分的管部件设置在热部分与冷部分之间并且用于加工、尤其是扩大和精整金属钻孔套衬，并且冷部分的管部件(3)由尤其是耐压的金属结构构成，所述冷部分的管部件尤其是用于产生压力和/或向下导引控制及能量装置以及固态金属，所述固态金属通过该管部件导引到下部的、尤其是靠近钻孔底部的管部件(1)，所述固态金属在所述下部的管部件中被熔化。

11.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，如果所述管部件本身不装备为升降机系统、尤其是磁悬浮系统，通过升降机、尤其是磁悬浮升降机实现钻杆的管部件(1、2、3)的装配和拆卸，尤其当钻杆不是从下面直到上面贯穿钻孔的时候，尤其是也通过所述升降机实现固态金属、尤其是作为用于孔井-金属套衬的金属杆部件的补给。

12.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，金属钻孔套衬通过SC水冷管道系统抽走热量，并且通过蒸汽喷射-冷却设备冷却用于供电的机组。

13.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，供给管道、尤其是用于供电的导线(11)和/或冷却管道和/或供给部件和/或管部件通过电磁步进系统沿着已形成金属套衬的钻孔壁(9)向下导引。

14.用于在各种地面、尤其是岩石中制出熔化钻孔的熔化钻孔装置，通过所述熔化钻孔装置可以熔化要去除的钻孔底部、尤其是岩石并且利用所述熔化钻孔装置可以制出金属的钻孔套衬，该熔化钻孔装置包括管杆，所述管杆由各管部件逐个部件地组成/能组成，其特征在于，该管杆(1、2、3)的下部的、尤其最下部的管部件(1)具有尤其是中心的向上敞开的空隙(5)，金属在固态的集聚状态尤其是作为杆(7)能够从上方穿过位于最下部的管部件上方的管部件(2、3)输送到所述空隙中，其中固态金属在这个空隙(5)中能够通过能量输入而熔化并且这个管部件(1)具有通道(6)，所述通道从空隙(5)向外延伸并且通到管部件(1)的外壳面，使得已熔化的金属通过通道(6)能导引到管部件(1)的外部周围。

15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，该装置包括输送部件，所述输送部件构造成升降机、尤其是磁悬浮升降机或滑动部件，并且补给材料、尤其是固态金属和/或供给原料和/或管部件借助于所述输送部件能够在已形成金属套衬的钻孔的纵向长度上移动和/或装配。

16.如权利要求14或15所述的装置，其特征在于，该装置包括三种管部件(1、2、3)，它们将由各管部件形成的钻杆(1、2、3)分成热部分、牵引和/或冷却部分和冷部分，其中热部分的管部件(1)构造成石墨空心柱，牵引和/或冷却部分的管部件(2)由尤其是高强度的金属结构构成，其中这种管部件设置在热部分与冷部分之间并且用于加工、尤其是扩大和精整金属钻孔套衬，并且冷部分的管部件(3)由尤其是耐压的复合材料构成，尤其是带有控制和输送装置，并且使用所述冷部分的管部件用于产生压力和/或通过该管部件向下导引固态金属到下部的、尤其是靠近钻孔底部的管部件(1)，在所述下部的管部件中可熔化固态金属。

17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述冷部分的管部件(3)是不活动的并且借助于作为滑动部件的碳垫具有相对于钻孔套衬和/或向下导引的金属杆的滑动特性，所述滑动部件设置在管部件的外壳的表面和/或内壳的表面中。

18.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述冷部分的管部件(3)是活动的并且构造成尤其是受控制的升降机、尤其是磁性滑动体并且具有在金属孔壁上的间隔和固定功能，并且通过所述冷部分的管部件朝钻孔底部的方向能够向下导引和/或取回金属杆(7)。

19.如权利要求14至18中任一项所述的装置，其特征在于，至少一个管部件(3)构造成升降机、尤其是磁悬浮升降机，并且钻孔金属套衬(9)作为反作用导轨和/或滑轨用于垂直地、尤其是无接触地输送。

20.如权利要求14至19中任一项所述的装置，其特征在于，通过电缆的电流输送和冷却水管道的输送尤其是在卷管系统中电磁地通过自动步进系统实现，所述步进系统通过磁性粘附支承在钻孔壁上和/或集成到钻杆中，如果钻杆贯穿地穿过钻孔的时候。

21.如权利要求14至20中任一项所述的装置，其特征在于，所述牵引部分的至少一个管部件(2)在其外侧面上构造成向上锥形扩展的，并且通过所述牵引部分的管部件尤其是在设置在其上方的管部件的压力下能够尤其是这样地压缩和/或扩大和/或精整已经固态的但是还炙热的、能锻造的金属浇铸套衬(9)，使得金属浇铸套衬在冷却的状态下提供足够的用于磁悬浮升降机气隙的空间。

22.如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述牵引部分的管部件(2)由至少一种尤其是高强度的金属合金制成并且具有尤其是由锆石组成的强化层。

23.如权利要求14至22中任一项所述的装置，其特征在于，所述钻杆的所有相互紧靠地排列的管部件(1、2、3)的长度小于钻孔工作面与顶面之间的距离并且尤其是这样地选择，使得达到管部件(1、2、3)的必需的重量，以便挤压在钻孔周围(14)中产生的岩石熔体以及将金属浇铸套衬(9)压缩和/或扩大到所期望的程度和/或设有光滑的、尤其是镜面光滑的表面。

24.如权利要求14至23中任一项所述的装置，其特征在于，为了构成金属钻孔套衬(9)，向下导引的金属杆(7)配合准确地由热部分的至少一个管部件(1)、尤其由石墨制成的管部件的空心圆柱室容纳并且在熔化区(5)中在具有通道(6)的管部件(1)的前面或在具有通道的管部件中尤其是电地或通过激光能熔化，其中这个管部件(1)的中心孔(5)向下锥形地扩展，这要求尤其是在尺寸上如由于温度增加而材料膨胀一样，从而通过金属杆(7)的重量能够在熔体中产生必需的挤压压力。

25.如权利要求14至24中任一项所述的装置，其特征在于，穿过空心的用于向下导引金属的金属管杆(7)的内部通过激光射线(15)实现熔化能量输入，所述金属管杆一直伸到具有通道(6)的管部件(1)的熔化区(5)并且还一直伸到钻孔底部。

26.如权利要求14至25中任一项所述的装置，其特征在于，具有通道(6)的管部件(1)、尤其石墨管部件在通过电流作用熔化的构造中向下封闭并且在通过激光射线(15)熔化的构造中向下具有用于激光射线(15)的通孔(13)。

27.如权利要求14至26中任一项所述的装置，其特征在于，最下面的管部件(1)、尤其具有通道(6)的管部件(1)包括至少一个电极(4)、优选三个电极(4)，尤其是所述电极在管部件(1)上沿轴向延伸并且以相同的角度分布设置，并且所述电极通到管部件(1)的面向钻孔工作面的底面中，并且通过所述电极能够在熔体中产生电流。

28.如权利要求14至27中任一项所述的装置，其特征在于，所述激光射线(15)以其高能量直至穿透撞击到钻孔工作面的岩石上并由此通过激光的射线压力同时在熔体中能产生必需的挤压压力。

29.如权利要求14至28中任一项所述的装置，其特征在于，在牵引部分的管部件中安装磁流体动力的阀门或止回阀，以便如果激光射线停止或失效的时候，防止熔体向上射入到金属管杆中。

30.如权利要求14至29中任一项所述的装置，其特征在于，所述最下面的管部件(1)、尤其构成实际的钻头的管部件向上收缩地构成，尤其是锥形收缩地构成。

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