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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abteufen eines Bohrloches im Gebirge, bei welchem
- – das an der Bohrlochsohle anstehende Gestein thermisch aufgeschmolzen wird und mithilfe eines gasförmigen Mediums nach oben aus dem Bohrloch ausgetragen wird,
- – die zum Aufschmelzen des Gesteins benötigte Wärme von mindestens einem elektrischen Plasmaerzeuger bereitgestellt wird, der einer Vortriebseinrichtung zugeordnet ist, die sich vorne an einem in das Bohrloch einschiebbaren Vorschub- und Versorgungsgestänge befindet, wobei zwischen Vortriebseinrichtung und Bohrlochwand ein Ringraum für den Austrag des gelösten Gesteins verbleibt,
- – die Vortriebseinrichtung vorne einen Hitzeschild aufweist, der die Bohrlochsohle bis auf einen peripheren Spalt zwischen dem Außenrand des Hitzeschildes und der Bohrlochwand abdeckt und mit der Bohrlochsohle einen Staudruckraum bildet,
- – das gasförmige Medium aufgeteilt wird in einen ersten Teilstrom für die Plasmaerzeugung und einen zweiten Teilstrom für die Bereitstellung von Kühl- und Förderergas,
- – der erste Teilstrom in den Staudruckraum eingeblasen wird und dort mithilfe der elektrischen Plasmaerzeuger in ein Hochdruckplasma umgewandelt wird, welches das an der Bohrlochsohle anstehende Gestein mindestens bis über dessen Liquidustemperatur erwärmt und das gelöste Gestein über den peripheren Ringspalt zwischen Hitzeschild und Bohrlochwand aus dem Staudruckraum heraus in den Ringraum zwischen Vortriebseinrichtung und Bohrlochwand einträgt,
- – der zweite Teilstrom in den Ringraum zwischen Vortriebseinrichtung und Bohrlochwand eingegeben wird und dort den oberhalb des Hitzeschildes befindlichen Teil der Vortriebseinrichtung, den mit gelöstem Gestein beladenen ersten Teilstrom und die Bohrlochwand bis unter die Solidustemperatur des Gesteins abkühlt,
- – und in der Bohrlochwand um das Bohrloch herum eine Wärmeeinflusszone gebildet wird, an deren innerer Grenze das Gestein während des Abteufvorganges mindestens bis auf die Liquidustemperatur erwärmt wird und an deren äußerer Grenze das Gestein während des Abteufvorganges die Solidustemperatur nicht erreicht,
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Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der
WO 2013/135391 A2 oder der
WO 2015/140344 A2 bekannt.
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Ein wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens bestehen zunächst darin, dass es mit einer berührungslosen Gesteinszerstörung arbeitet, sodass die verwendeten Bohrwerkzeuge nicht oder nur sehr selten ausgewechselt werden müssen, was insbesondere bei extremen Tiefbohrungen von großer Bedeutung ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass man zur Förderung des gelösten Gesteins von der Bohrlochsohle zur Erdoberfläche keine flüssige Bohrspülung benötigt, sondern mit einem gasförmigen Medium auskommt, welches einerseits als Hochdruck-Plasmagas zum Aufschmelzen des Gesteins zum Einsatz kommt und andererseits als Kühl- und Fördermedium verwendet wird. Schließlich ist vorteilhaft, dass die zur Gesteinszerstörung benötigte Energie weder mechanisch noch hydraulisch, sondern im Wesentlichen elektrisch an die Bohrlochsohle geführt werden kann.
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Ein besonderer Vorteil dieses bekannten Verfahrens besteht noch darin, dass die an der Bohrlochsohle entstehende Gesteinsschmelze unter sehr hohem Druck intensiv mit dem an den Bohrlochwänden anstehenden Gestein in Berührung kommt, sodass dieses bis auf Liquidustemperatur erwärmt wird und dort etwa vorhandene Porenräume des Gesteins geschlossen werden. Unter Liquidustemperatur wird hier diejenige Temperatur verstanden, bei der alle mineralischen Bestandteile des Gesteins vollständig flüssig werden. Bei Abkühlung des auf Liquidustemperatur erwärmten Gesteins entsteht unmittelbar an der Bohrlochwand eine glasartig erstarrte Innenschicht, die absolut dicht und für sich schon tragfähig ist. Hinter dieser glasartig erstarrten Innenschicht bildet sich in der verbleibenden Wärmeeinflusszone eine Tragschicht aus, die abhängig von der erreichten Temperatur aus Gesteinsschmelze und fest gebliebenen mineralischen Einlagerungen besteht und ebenfalls weitestgehend dicht, d. h. ohne verbleibende Porenräume ist. Diese Tragschicht ist innig mit dem umliegenden Gestein verzahnt, und zwar bis in den Grenzbereich der Wärmeeinflusszone, in welchem bei der Erwärmung nur die Solidustemperatur erreicht wird, d. h. keinerlei flüssige Schmelze mehr entsteht. Insgesamt ergibt sich an der Bohrlochwand im Bereich der gesamten Wärmeeinflusszone eine dichte und tragfähige Schicht, die – wenn sie dick genug ist – eine Verrohrung des Bohrloches überflüssig macht.
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Ein Problem bei dem bekannten Verfahren ergibt sich allerdings aus der Tatsache, dass die Beschaffenheit der anstehenden Gesteinsschichten über die Länge des Bohrloches meistens nicht gleich ist. Das gilt insbesondere für Bohrungen in Sedimentgestein, welches aufgrund seiner Entstehungsgeschichte aus Mineralien unterschiedlicher Herkunft besteht und je nach seiner mineralischen Zusammensetzung ein sehr unterschiedliches Schmelzverhalten haben kann. Eine besonders intensive Herabsetzung der Liquidustemperatur ergibt sich beispielsweise bei der Anwesenheit von Feldspat, Kalkspat, Flussspat oder ähnlichen Flussmitteln im Gestein. Bei der Anwendung des Verfahrens der eingangs genannten Art in niedrigschmelzendem Gestein können somit Probleme daraus entstehen, dass die entsprechenden Gesteinsschichten zu schnell durchdrungen werden, so dass nicht genügend Zeit für die Ausbildung einer ausreichend tragfähigen Wärmeeinflusszone in der Bohrlochwand zur Verfügung steht, oder zu langsam durchdrungen werden, sodass dort unbeabsichtigt und unkontrollierbar Hohlräume entstehen.
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Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, das Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass über die gesamte Bohrlochlänge bei gleichbleibendem Bohrlochdurchmesser automatisch überall eine ausreichend dicke und tragfähige Bohrlochwand erzeugt wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend vom Verfahren der eingangs genannten Art vor, dass die stoffliche Zusammensetzung des jeweils aufgeschmolzenen Gesteins kontinuierlich ermittelt wird und dass die Vorschubgeschwindigkeit der Vortriebseinrichtung, die Energiezufuhr zu dem Plasmaerzeuger sowie Druck und Temperatur der beiden Teilströme des gasförmige Mediums in Abhängigkeit von der jeweils ermittelten stofflichen Zusammensetzung des Gesteins so gesteuert werden, dass bei gleich bleibendem Bohrlochdurchmesser die sich im Bereich der Bohrlochwand bildende Wärmeeinflusszone überall eine Dicke von mindestens einem Bohrlochdurchmesser hat.
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Die Lehre der Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass bei einem Schmelzbohrverfahren der erfindungsgemäßen Gattung eine gezielte und sinnvolle Beeinflussung der sich im Bereich der Bohrlochwand ausbildenden Tragschicht grundsätzlich nur dann möglich ist, wenn man bei der Steuerung des Schmelzbohrvorganges die stoffliche Zusammensetzung des jeweils anstehenden Gesteins und damit dessen Schmelzverhalten ausreichend genau kennt. Dementsprechend werden nach der Lehre der Erfindung erstmals die üblichen Steuerungsgrößen für den Schmelzvorgang – nämlich die Vorschubgeschwindigkeit der Vortriebseinrichtung, die Energiezufuhr zu dem Plasmabrenner sowie Druck und Temperatur der Teilströme des gasförmigen Mediums – von der kontinuierlich erfolgenden Überwachung der stofflichen Zusammensetzung des anstehenden Gesteins und damit vom Schmelzverhalten des anstehenden Gesteins dergestalt abhängig gemacht, dass bei gleich bleibendem Bohrlochdurchmesser im Bereich der Bohrlochwand überall eine ausreichend dicke verfestigte Wärmeeinflusszone entsteht, und zwar mit einer Dicke von mindestens einem Bohrlochdurchmesser.
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Bei der Herstellung von Tiefbohrungen zur Nutzung von Erdwärme (Geothermiebohrungen) sind besonders lange Standzeiten der Bohrungen wichtig. In diesem Fall empfiehlt es sich, nach der Lehre der Erfindung an der Bohrlochwand eine Wärmeeinflusszone mit einer Dicke von eineinhalb bis zweieinhalb Bohrlochdurchmessern zu erzeugen.
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Die kontinuierliche Ermittlung der stofflichen Zusammensetzung des an der Bohrlochsohle geschmolzen Gesteins erfolgt zweckmäßig unter Verwendung von UV-Sensoren, welche die von dem gerade neu auf geschmolzenen Gestein abgestrahlte UV-Strahlung detektieren.
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Zweckmäßig ist es weiterhin, wenn zusätzlich kontinuierlich die in dem Staudruckraum entstehenden Drücke und Temperaturen detektiert werden. Auch die dort herrschenden Drücke und Temperaturen haben einen Einfluss auf die Dicke und die Konsistenz der sich ausbildenden Wärmeeinflusszonen.
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Schließlich ist es zweckmäßig, wenn kontinuierlich die Dicke der entstehenden Wärmeeinflusszone ermittelt und überwacht wird. Hierdurch ergibt sich eine kontinuierliche Qualitätskontrolle im Hinblick darauf, ob die angewendeten Verfahrensmaßnahmen zum Erfolg geführt haben.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert, die schematisch eine Anlage zeigt, die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung arbeitet.
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In der Zeichnung ist ein an der Tagesoberfläche angeordnetes Abteufgestell mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Dieses Abteufgestell 1 ist oberhalb eines abzuteufenden Bohrloches 2 mit Bohrlochsohle 2a und Bohrlochwand 2b aufgestellt und mit den üblichen, nicht im einzelnen dargestellten Einrichtungen zum Einbringen und Betätigen eines Vorschub- und Versorgungsgestänges 3 versehen, welches zum Vorschieben und zur Versorgung einer im Bohrloch 2 angeordneten Vortriebseinrichtung 4 dient.
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Diese Vortriebseinrichtung 4 ist an ihrer der Bohrlochsohle 2a zugewandten Seite mit einem Hitzeschild 5 versehen, der die Bohrlochsohle 2a bis auf einen an seiner Peripherie befindlichen Spalt 6 zwischen Bohrlochwand 2b und Hitzeschild 5 abdeckt und oberhalb der Bohrlochsohle 2a einen Staudruckraum 7 bildet.
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In oder an dem Hitzeschild 5 sind mehrere elektrische Plasmaerzeuger 8 angeordnet, die ein Hochdruck-Plasmagas erzeugen, welches in Richtung auf die Bohrlochsohle 2a in den Staudruckraum 7 eingegeben wird und dessen Wärme das an der Bohrlochsohle 2a anstehende Gestein zum Aufschmelzen bzw. Verdampfen bringt.
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Das an der Bohrlochsohle 2a auf geschmolzene und/oder verdampfte Gestein wird durch den im Staudruckraum 7 herrschenden Überdruck über den an der Peripherie des Hitzeschildes 5 befindlichen Spalt 6 aus dem Staudruckraum 7 ausgetragen, in einen durch Pfeile 9 angedeuteten gasförmigen Förderstrom eingegeben, von diesem an die Tagesoberfläche gefördert und dort in einem geeigneten Abscheider 10 aus dem Förderstrom 9 abgeschieden.
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Die Vortriebseinrichtung 4 weist an ihrer der Bohrlochsohle 2a abgewandten Seite über einen Adapter 11 auf, der mit dem bereits erwähnten Vorschub- und Versorgungsgestänge 3 verbunden ist. Das Vorschub- und Versorgungsgestänge 3 kann innerhalb des Abteufgestelles mit den in der Tiefbohrtechnik üblichen Einrichtungen gezielt angehoben und abgesenkt werden. Es enthält insbesondere eine wärmeisolierte Flüssiggasleitung 12 für die Zuführung von flüssigem Stickstoff aus einem Stickstofftank 13, elektrisch isolierte Leitungen 14 für die Zuführung der benötigten elektrischen Energie von einem Generator 15 sowie geeignete Signalleitungen 16 zur Übertragung von Mess- und Regeldaten an eine dem Abteufgestell 1 zugeordnete Steuer und Regeleinheit 17.
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In dem Adapter 11 befindet sich ein gesteuertes Verteilerventil 18, welches den über die Flüssiggasleitung 12 ankommenden Flüssigstickstoffstrom 19 unterteilt in einen ersten Teilstrom 19a für die Plasmaerzeugung und einen zweiten Teilstrom 19b für die Bereitstellung von Kühl- und Förderergas.
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Der erste Teilstrom 19a wird in einem elektrisch beheizten Verdampfer 20 verdampft und erhitzt, anschließend den Plasmaerzeugern 8 des Vortriebseinrichtung 4 zugeführt und dort in ein Hochdruck-Plasmagas umgewandelt, welches dem Staudruckraum 7 zugeführt wird.
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Der zweite Teilstrom wird demgegenüber zum Zwecke der Kühlung durch den Adapter 11 bis in den Bereich unmittelbar oberhalb der Hitzeelemente 5 geführt und dort über in Durchströmungsrichtung nach oben ausgerichtete Einspritzdüsen oberhalb des Spaltes 6 in den Ringraum zwischen der Bohrlochwand 2b einerseits und Adapter 11 andererseits eingespritzt. Somit kühlt dieser zweite Teilstrom 19b zunächst alle möglicherweise überhitzungsgefährdeten Teile der maschinellen Einrichtungen und anschließend die Bohrlochwand 2b und das von der Bohrlochsohle 2a abgelöste und das über den Spalt 6 ausgetragene geschmolzene und/oder verdampfte Gestein, sodass dieses erstarren und/oder kondensieren kann und als Staub mit dem Förderstrom 9 ausgetragen werden kann.
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Durch die oben beschriebene aktive Kühlung der Bohrlochwand 2b entsteht an deren Innenseite eine glasartig erstarrte Innenschicht, die absolut dicht und für sich schon tragfähig ist. Hinter dieser glasartig erstarrten Innenschicht bildet sich in der verbleibenden Wärmeeinflusszone 21 eine Tragschicht aus, die abhängig von der erreichten Temperatur aus Gesteinsschmelze und festgebliebenen mineralischen Einlagerungen besteht und ebenfalls weitestgehend dicht, d. h. ohne verbleibende Porenräume ist. Diese Tragschicht ist innig mit dem umliegenden Gestein verzahnt, und zwar bis in den äußeren Grenzbereich der Wärmeeinflusszone 21, in welchem bei der Erwärmung nur Solidustemperatur erreicht wird, d. h. keinerlei flüssige Schmelze mehr entsteht. Die Dicke der Wärmeeinflusszone 21 hängt von verschiedenen Faktoren ab, insbesondere von der stofflichen Zusammensetzung des Gesteins sowie von der Dauer und der Intensität des Erwärmungsvorganges während der Bohrarbeit.
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Für die Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung ist der Vortriebseinrichtung 4 eine große Zahl von Sensoren zugeordnet, die alle über die Signalleitung 16 mit der Steuer- und Regeleinheit 17 verbunden sind, in welcher die von den Sensoren gemessenen Daten zusammengeführt und mittels einer geeigneten Steuer- und Regelsoftware ausgewertet werden. Diese Steuer- und Regelsoftware steuert während des Bohrvorgangs die Vortriebsgeschwindigkeit des Vortriebseinrichtung 4, die elektrische Leistung der Plasmaerzeuger 8 sowie Druck, Temperatur und Verteilung des zugeführten flüssigen Stickstoffes so, dass sich überall an der Bohrlochwand 2a innen eine verglaste Innenschicht und nach außen hin eine stabilisierende Wärmeeinflusszone 21 ergibt, die überall mindestens eine dem Bohrlochdurchmesser entsprechende Dicke hat. Erforderlichenfalls kann die Dicke dieser Wärmeeinflusszone 21 auch auf eineinhalb bis zweieinhalb Bohrlochdurchmesser eingestellt werden.
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Zu den Sensoren im Einzelnen:
Die Vortriebseinrichtung 4 ist an ihrer dem Staudruckraum 7 zugewandten Seite mit zwei UV-Spektrometern 22 bestückt, welche kontinuierlich die von dem verdampften bzw. verglasten Gestein an der Bohrlochsohle 2a abgestrahlte UV-Strahlung ermitteln, anhand welcher die stoffliche Zusammensetzung des jeweils an der Bohrlochsohle 2a anstehenden Gesteins ermittelt werden kann. Ein weiteres UV-Spektrometer 22 befindet sich an dem Adapter 11, und ist auf den Bereich gerichtet, wo sich die beiden Teilströme 19a und 19b vermischen.
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Weiterhin weist der Vortriebseinrichtung 4 an seiner dem Staudruckraum 7 zugewandten Seite zwei Abstandssensoren 23 auf, die mit Sonar-Ortung bzw. mit Ultraschall-Ortung arbeiten und kontinuierlich den jeweiligen Abstand zwischen dem Hitzeschild 5 und der Bohrlochsohle 2a ermitteln.
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Außerdem ist am äußeren Umfang des Adapters 11 eine Vielzahl von weiteren Sensoren angeordnet, nämlich:
- – ein Temperatursensor 24 zur Überwachung der jeweils erreichten Temperatur,
- – ein Drucksensor 25 zur Überwachung des Druckes,
- – ein Feuchtesensor 26 zur Ermittlung von etwa im Gestein vorhandenen Wasser,
- – ein Gassensor 27 zur Ermittlung von etwa im Gestein vorhandenen brennbaren Gasen,
- – ein Sauerstoffsensor 28 zur Ermittlung von etwa im Gestein vorhandenem Sauerstoff,
- – ein Strömungssensor 29 zur Ermittlung und Überwachung der Strömungsgeschwindigkeiten im aufsteigenden Gasstrom, und
- – ein Temperatur-Differenzsensor 30 zur Ermittlung der Temperaturdifferenz zwischen Adapter 11 und Bohrlochwand 2a.
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Zur kontinuierlichen Überwachung der sich hinter der Bohrlochwand 2a ausbildenden Wärmeeinflusszone 21 ist oben an dem Adapter 11 ein GPR-Radargerät 31 vorgesehen, welches Aussagen über die Tiefe und die physikalischen Eigenschaften der an die Bohrlochwand 2a angrenzenden Gesteinsschicht liefert. Außerdem ist unten am Adapter 11 ein weiteres Radargerät 32 vorgesehen, welches die Innenseite der sich ausbildenden Bohrlochwand auf Risse oder sonstige Unregelmäßigkeiten überwacht.
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Zur Überwachung der Stickstoffzufuhr und Stück Stoffverteilung sind am unteren Ende der Flüssiggasleitung 12 ein Ultraschall-Durchflussmesser 33 und ein Füllstandmesser 34 angeordnet.
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Zur Überwachung des aus dem Bohrloch ausgetragenen, mit dem gelösten Gestein beladenen Fördergasstromes 9 ist unmittelbar vor dem Abscheider 10 noch eine Messstation 35 vorgesehen, mit der an dieser Stelle die Temperatur, der Druck und der Massendurchfluss des Fördergasstromes 9 ermittelt werden, wobei die hier ermittelten Daten ebenfalls an die Regeleinheit 17 gegeben werden. Schließlich ist dem Auslass des Abscheiders 10 noch ein ebenfalls an die Regeleinheit 17 angeschlossenes, regelbares Auslassventil 36 zugeordnet, durch welches der Druck im Fördergasstrom 9 beeinflussbar ist.
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Wesentlich ist, dass alle Mess- und Regeleinrichtungen mit den Bezugszeichen 22 bis 36 mit der Steuer- und Regeleinheit 17 verbunden sind und gemeinsam die für das Verfahren gemäß der Erfindung notwendigen bzw. nützlichen technischen Informationen liefern.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abteufgestell
- 2
- Bohrloch
- 2a
- Bohrlochsohle
- 2b
- Bohrlochwand
- 3
- Vorschub- und Versorgungsgestänge
- 4
- Vortriebseinrichtung
- 5
- Hitzeschild
- 6
- Spalt
- 7
- Staudruckraum
- 8
- Plasmaerzeuger
- 9
- Förderstrom
- 10
- Abscheider
- 11
- Adapter
- 12
- Flüssiggasleitung
- 13
- Stickstofftank
- 14
- isolierte Leitungen
- 15
- Generator
- 16
- Signalleitungen
- 17
- Regeleinheit
- 18
- Verteilerventil
- 19
- Flüssigstickstoffstrom
- 19a
- erster Teilstrom
- 19b
- zweiter Teilstrom
- 20
- Verdampfer
- 21
- Wärmeeinflusszone
- 22
- UV-Spektrometer
- 23
- Astandssensoren
- 24
- Temperatursensor
- 25
- Drucksensor
- 26
- Feuchtsensor
- 27
- Gassensor
- 28
- Sauerstoffsensor
- 29
- Strömungssensor
- 30
- Temperatur-Differenzsensor
- 31
- GPR-Radargerät
- 32
- Radargerät
- 33
- Ultraschall-Durchflussmesser
- 34
- Füllstandmesser
- 35
- Messstation
- 36
- Auslassventil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2013/135391 A2 [0002]
- WO 2015/140344 A2 [0002]
