DE10332571B3

DE10332571B3 - Verfahren zum thermischen Bohren von Löchern in Eis und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE10332571B3
Application number: DE10332571A
Authority: DE
Inventors: Erich Dunker
Original assignee: Alfred Wegener Insitut fuer Polar und Meeresforschung
Current assignee: Alfred Wegener Insitut fuer Polar und Meeresforschung
Priority date: 2003-07-13
Filing date: 2003-07-13
Publication date: 2004-11-25
Anticipated expiration: 2023-07-14
Also published as: CA2532314C; EP1654436B1; CA2532314A1; US20070127896A1; EP1654436A2; DK1654436T3; ATE347017T1; WO2005008018A3; WO2005008018A2; DE502004002206D1

Abstract

Hauptanwendungsfeld für Eisbohrungen ist die Polarforschung mit Durchbohrungen von schwimmenden Eis zur Untersuchung der Eisunterseite, des darunter liegenden Wassers und des Meeresbodens. Zum thermischen Bohren werden Schmelzbohrköpfe oder mit heißem Wasser arbeitende Spülbohrköpfe verwendet, die jedoch nur Bohrungsdurchmesser im Bereich des Bohrerdurchmessers erspülen und somit das Ablassen und Rückholen von Bohrern und Messgeräten stark erschweren. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht deshalb zur Erzeugung gleichmäßiger und großer Bohrungsdurchmesser eine Kombination des Schmelzbohrens mit dem Spülbohren vor, wobei das Spülbohren in der Radialebene des Bohrlochs erfolgt, und verwendet dazu bevorzugt einen Schmelz-Spül-Bohrkopf (1), der oben einen axialen Wassereintritt (2), unten einen halbkugelähnlichen Schmelzbereich (3) und oberhalb des Schmelzbereichs (3) einen engen, mit dem Wassereintritt (2) großflächig verbundenen, azimutal umlaufenden Ringspalt (5) aufweist, durch den das Heißwasser (4) an die Bohrungswandung (7) und nach oben umgelenkt wird, wodurch sich eine glatte Bohrungsoberfläche (14) und ein konstanter Bohrungsdurchmesser (15) ergeben. Der Schmelz-Spül-Bohrkopf (1) verschließt eine Vorbohrung (9) über einen Schmelzwasserfilm (12), wodurch Ansaugen von kaltem Meerwasser am Ende der Hauptbohrung (19) vermieden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum thermischen Bohren von Löchern in Eis sowie auf eine Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens mit einem mittels Heißwasser erwärmbaren Bohrkopf sowie einer Versorgungs- und einer auf- und niederholenden Kraneinrichtung.
Eisbohrungen werden zu unterschiedlichen Zwecken benötigt. Ein Hauptanwendungsfeld ist die Polarforschung, bei der die Entnahme von Eisproben in Form von Bohrkernen aus den verschiedenen Eisregionen der Polarkappen, die in-situ-Erstellung senkrechter Eisprofile bezüglich verschiedener Parameter oder die Durchbohrung schwimmenden Eises bzw. Schelfeises der Polarregionen zur Durchführung von Messungen und Probennahmen unterhalb des Eises von großer Bedeutung sind. Das polare Eis konserviert Informationen zu Klimaereignissen vergangener Zeiten und kann als Klimaarchiv bis zu mehrere hunderttausend Jahre zurückreichen. Mit zunehmender Tiefe werden die Schichten immer älter und auf Grund des steigenden Drucks immer dünner. Es sind daher schonende Bohrtechniken erforderlich, die die Eisproben selbst möglichst wenig beeinträchtigen oder eine schonende Behandlung der Messgeräte im Bohrloch gewährleisten. Die Erbohrung von Eiskernen aus allen Tiefen zu Zwecken der Klimaforschung geschieht regelmäßig mit mechanischen Hohlbohrern. Ein an seinem unteren Ende mit Sägezähnen versehenes Rohr wird unter Druck ins Eis gedreht, wobei die Bohrspäne im äußeren Ringspalt abgeführt werden und im Inneren des Rohrs ein ausgesägtes zylinderförmiges Eisstück als Bohrkern zurückbleibt. Bei diesen mechanischen Techniken wird der Bohrkern weitgehend unbeeinflusst und frei von Bohrzusatzstoffen gehalten, so dass die gewünschten Informationen relativ ungestört erhalten bleiben. Zur Erstellung von Eisprofilen bezüglich physikalischer und chemischer Parameter der Eisschichten wie Dichte, Gehalt an verschiedenen Spurenstoffen, Porengröße im Eis und Besiedlung mit kälteresistenten Mikroorganismen während des Bohrvorgangs werden hauptsächlich thermische Bohrtechniken eingesetzt. Eine elektrisch beheizte Schmelzsonde schmilzt sich durch das Eis und nimmt dabei gleichzeitig die gewünschten Messungen an den Bohrlochwänden bzw. in der an der Sondenspitze vorhandenen dünnen Schmelzwasserschicht vor. Das die Sonde tragende Seil ist entweder für tiefere Bohrungen in der Sonde oder für Bohrungen geringer Tiefe mit entsprechend einfacherer Sonde an der Eisoberfläche bevorratet. Das Bohrloch wird nicht abgesaugt und friert oberhalb der Sonde wieder zu. Die Sonde liefert ihre Messwerte über einen Signaldraht nach oben und ist nach Abschluss der Messungen verloren.
Durchbohrungen von schwimmendem Eis dienen dagegen hauptsächlich dem Zweck, die Eisunterseite, das darunterliegende Wasser und den Meeresboden zu untersuchen. Dazu werden Bohrung und Messung voneinander getrennt durchgeführt. Das Bohrloch wird während der Messzeit offengehalten, sodass das Messinstrument nach Abschluss der Messungen geborgen werden kann. Es können zum Bohren alle bekannten Techniken eingesetzt werden. Das mechanische Bohren bei hoher Leistung geht schnell, das thermische Bohren verlangt geringere Leistungen, ist mit weniger apparativem Aufwand verbunden, benötigt dafür umso mehr Zeit. Für den Einsatz größerer Messinstrumente, Probennehmer oder Experimente muss das Bohrloch einen deutlich größeren Durchmesser als bei den Messbohrungen mit Schmelzsonde haben. Insbesondere zum Aussetzen und Bergen von Instrumenten muss das Bohrloch glatte Wände aufweisen, damit es beim Aufholen nicht zum Verkanten oder Verklemmen und damit möglicherweise zum Verlust von Instrument und Messdaten kommt. Zum thermischen Bohren können elektrisch beheizte und/oder mit heißem Wasser arbeitende Bohrköpfe verwendet werden. Dabei werden Schmelzbohrköpfe, bei denen das Heißwasser zum Erwärmen, und Spülbohrköpfe, bei denen das Heißwasser zum Ausspülen des Eises eingesetzt wird, unterschieden. Dabei wird in der Regel das Heißwasser mit einer begrenzten Wärmekapazität direkt im Bohrkopf erzeugt. Das abgeschmolzene Wasser wird in beiden Fällen nach oben abgepumpt. Die Wärme ausschließlich elektrisch beheizter Bohrer erreicht keine größere seitliche Eindringtiefe, sodass zur Erzeugung größerer Bohrlochdurchmesser ein relativ großer Bohrerdurchmesser und damit eine entsprechend hohe Versorgungsenergie für den Bohrer erforderlich sind. Bei der bekannten Bohrtechnik mit heißem Wasser werden ebenfalls nur Bohrungsdurchmesser im Bereich des Durchmessers des Spülbohrkopfes erstellt, sodass auch hier große Bohrköpfe mit einem hohen Versorgungsenergieaufwand eingesetzt werden.

In der Auslegeschrift DE 1 936 902 B (Verfahren und Vorrichtung zum Abteufen von Bohrungen in Eis) werden ein thermisches Bohrverfahren und ein zugehöriger Bohrkopf vorgestellt, der eine kranzförmige Auflageschneide und eine elektrische Heizpatrone am unteren Endes des Bohrkopfs aufweist. Mit dieser Heizpatrone wird der Bohrkopf und ein kleines Wasserreservoir in seiner Umgebung erhitzt, sodass beim Absenken des als Schmelzkopf wirkenden Bohrkopfs ein Bohrloch aufgeschmolzen wird. Oberhalb seines unteren Endes weist der Bohrkopf ein Kühlelement auf, das für das Gefrieren der aufgeschmolzenen Bohrlochwandung sorgt, sodass ein Bohrloch mit Bohrerdurchmesser und harter, aber mehr oder weniger welliger Oberfläche entsteht. Zur Vermeidung von Wärmeeinflüssen des Bohrers auf das fertige Bohrloch ist vorgesehen, dass die beheizten und die gekühlten Bauteile des Bohrers gegeneinander isoliert sind. Das Schmelzwasser wird durch ein zentrales Pumprohr nach oben abgepumpt. Das Aufholen und Ablassen des Bohrers oder von später einzusetzenden Messgeräten über größere Tiefen ist durch Verkanten und Klemmen wegen des engen Bohrlochs äußerst problematisch. Dies gilt insbesondere für das Rückholen eines Messgeräts aus dem Wasserbereich unter einem Durchgangsbohrloch. Hier gestaltet sich das Einfädeln in das enge Bohrloch sehr schwierig und führt nicht selten zum Verlust des Messgeräts und damit der Daten. Darüber hinaus ist der Bohrkopf aufwändig aufgebaut und damit relativ teuer. Eine an der Oberfläche befindliche Versorgungseinrichtung muss den elektrischen Versorgungsstrom zum Heizen und Kühlen bereitstellen. Eine Kraneinrichtung zum Ablassen und Aufholen des Bohrers mit den hinderlichen elektrischen Leitungen ist ebenfalls erforderlich.

Aus der Figur der Druckschrift SU 252 252 A1 (Thermodrill) ist ein Bohrverfahren erkennbar, bei dem das Bohrloch durch Spülen mit Heißwasser im Umlaufbetrieb erzeugt wird. Das Spülwasser wird immer wieder zentral durch einen Propeller angesaugt, erwärmt und durch eine große axiale Ringöffnung vor den als Spülkopf arbeitenden Bohrkopf gedrückt, um dort weiter Eis abzuschmelzen. Das Schmelzwasser wird abgesaugt. Der Bohrer wird seitlich geführt. Bohrer- und Bohrlochdurchmeser stimmen wieder überein, und führen zu einem engen Bohrloch, sodass wiederum mit den bereits weiter oben beschriebenen Problemen zu rechnen ist. Außerdem gibt es über das zumindest partielle Zufrieren des Bohrlochs und die damit verbundene Schwierigkeit des Aufholens und Ablassen des Bohrers oder von Messgeräten keine Erkenntnisse.

Ein Anwendung für eine Heißwasserbohrung mit einem Spülbohrkopf, bei der das Heißwasser auf der Oberfläche erzeugt und bevorratet wird, bildet das AMANDA-Neutrinoteleskop-Projekt in der Antarktis. In der Veröffentlichung (abrufbar im Internet unter der Adresse http://wswww.physik.unimainz.de/lehramt/Schule/Pas/2001/2001/Sterne+Weltraum%202001/sld052.htm, mit Stand vom 09.06.2003) werden die Bohrparameter mit einem mittleren Bohrungsdurchmesser von 60cm und eine Wassertemperatur von 80°C angegeben. Ein Foto des Spülbohrkopfs zeigt eine Vorrichtung mit nach unten gerichtetem Wasserstrahl. Das Durchmesserprofil der Bohrung zeigt allerdings eine äußerst unbefriedigende Schwankungsbreite von 45 cm bis 75 cm. Bei Bohrungen mit einem derart schwankenden Profil muss zur Vermeidung von Problemen beim Auf- und Niederholen schon der minimale Bohrungsdurchmesser groß gewählt und damit ein überproportional großer Energieaufwand in Kauf genommen werden.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das eingangs beschriebene Verfahren zum Bohren von Löchern in Eis und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens derart weiterzubilden, dass ein damit hergestelltes Bohrloch über seine ganze Länge einen konstanten, kreisförmigen und für die Passage sowohl des Bohrers selbst als auch eines Messinstruments ausreichend großen Bohrungsdurchmesser bei gleichzeitig glatter Wandung ohne Profilbildung aufweist. Dabei soll der Bohrungsdurchmesser insbesondere bei Durchgangsbohrungen so groß sein, dass ein einfaches und sicheres Rückholen von Messinstrumenten aus dem Wasserbereich möglich ist. Die Vorrichtung zur Verfahrensdurchführung soll einfach und kostengünstig sowie leicht handhabbar sein.

Zur Lösung sieht das erfindungsgemäße Verfahren folgende Verfahrensschritte vor

– Erzeugen einer vertikalen Vorbohrung kleinen Durchmessers mit einem Schmelzbohrkopf,
– Aufsetzen eines Schmelz-Spül-Bohrkopfes größeren Durchmessers auf die Vorbohrung,
– Aufheizen von Wasser als Wärmeträger an der Eisoberfläche,
– gesteuertes Pumpen des Heißwassers in den Schmelz-Spül-Bohrkopf unter Druck,
– Umlenken des Heißwassers im Bereich des Schmelz-Spülkopfes in eine Radialebene,
– Spülen des Heißwassers in einem scharten, scheibenförmigen Strahl umlaufend radial gegen die Bohrungswandung, wobei das Heißwasser mit dem Schmelzwasser vermischt und in Richtung auf die Eisoberfläche gedrückt wird,
– Absenken des Schmelz-Spül-Bohrkopfes unter Erzeugung einer Hauptbohrung und
– Versickern oder Abpumpen des mit dem Schmelzwasser vermischten und in Richtung Eisoberfläche gedrückten Heißwassers.

Dabei kann das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft mit einer Vorrichtung umgesetzt werden, bei der ausgehend von einer gattungsgemäßen Vorrichtung mit einem mittels Heißwasser erwärmbaren Bohrkopf sowie einer Versorgungs- und einer auf- und niederholenden Kraneinrichtung vorgesehen ist, dass der Bohrkopf als kombinierter Schmelz-Spül-Bohrkopf ausgebildet ist und an seinem oberen Ende einen axialen Wassereintritt und an seinem unteren Ende einen halbkugelähnlichen Schmelzbereich sowie oberhalb des Schmelzbereichs, aber unterhalb des Wassereintrittes einen engen, mit dem Wassereintritt großflächig verbundenen, azimutal umlaufenden Ringspalt als Wasseraustritt aufweist, wobei der gesamte Schmelz-Spül-Bohrkopf aus einem gut wärmeleitenden Material gebildet ist.

Das erfindungsgemäße thermische Bohrverfahren stellt ein kombiniertes Schmelz- und Spülverfahren dar, mit dem mit relativ kleinen Bohrköpfen große Bohrlochdurchmesser bis in große Tiefen konstant erzeugt werden können. Dazu wird Heißwasser mit einer großen Wärmekapazität verwendet, das auf der Eisoberfläche erzeugt wird. Hier können Energiedepots eingesetzt werden, die ohne Weiteres eine großvolumige Wassererhitzung ermöglichen und Heißwasser auch verzögerungsfrei zur Verfügung stellen können. Größere Heizeinrichtungen im Bohrer, die zur Vermeidung von Zeitverzögerungen wie Durchlauferhitzer sehr leistungsstark sein müssten, entfallen. Das Schmelzverfahren wird durch das Pumpen von Heißwasser in den Schmelz-Spül-Bohrkopf und dessen Erwärmung realisiert, wohingegen das Spülverfahren durch den gesteuerten, seitlichen Austritt des Heißwassers aus dem Schmelz-Spül-Bohrkopf umgesetzt wird. Bei der Kombination des Schmelzbohrens mit dem Spülbohren sorgt das frontseitige Schmelzbohren für den Vortrieb des Bohrkopfes im Bohrloch und das druckbeaufschlagte Spülbohren für die seitliche Aufweitung des Bohrlochs auf seinen großen, konstanten Durchmesser, wobei der Wasseraustritt hinter dem nach vorne orientierten Schmelzbereich liegt. Insbesondere der seitliche Wasseraustritt sorgt für die Aufschmelzung großer Bohrlöcher mit konstantem Durchmesser.

Eigene Versuche haben ergeben, dass bei der Herstellung solcher großformatiger Bohrungen im Bereich von 500 bis 1000 mm im schwimmenden Eis oder im Schelfeis der polaren Küstenregionen Vorbohrungen mit einem Durchmesser von 50 bis 100 mm als Geradführung für die Hauptbohrung erforderlich sind. Bei dieser ebenfalls thermisch hergestellten Bohrung wird das Eis vollständig durchstoßen. Da das Eis bis zu einer Tiefe von einigen Metern im Wasser liegt, dringt zum Zeitpunkt des Durchbruchs der Bohrung Meerwasser bis zur allgemein vorherrschenden Höhe des Meeresspiegels in die Bohrung im Eis ein und vermischt sich mit dem von der Bohrung herrührenden Schmelzwasser. Bei der anschließenden Hauptbohrung kann bei der Verwendung eines bekannten Spülbohrkopfes in konventioneller Technik mit ausschließlich nach unten gerichteten Heißwasserstrahlen der gewünschte Bohrungsdurchmesser durch Abschmelzen vor dem und um den Spülbohrkopf herum nur maximal bis einige Meter vor dem unteren Bohrungsende erreicht werden. Einige Meter über dem unteren Ende der Bohrung wird durch die Jetwirkung der Wasserstrahlen kaltes Meerwasser mit einer Temperatur von –1,8 bis –2,0°C wie von einer Wasserstrahlpumpe durch die Vorbohrung angesaugt. Dadurch wird das Bohrloch im Bereich vor und um den Spülbohrkopf so stark abgekühlt, dass nur noch ein Bohrungsdurchmesser von wenig mehr als dem Durchmesser des Spülbohrkopfs erzielt wird, was zu den bekannten Nachteilen führt. Eine Messmission kann also mit einem herkömmlichen Spülbohrverfahren nicht zufriedenstellend erfüllt werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren hingegen wird das in den kombinierten Schmelz-Spül-Bohrkopf eintretende Heißwasser zunächst an dem Schmelzbereich zu dessen Erwärmung vorbeigeführt und dann radial umgelenkt und durch den azimutal umlaufenden Ringspalt mit hohem Druck herausgedrückt. Der Heißwasserstrahl trifft mit hoher Geschwingigkeit auf die Wandung der Bohrung und kann seine Wärmewirkung unmittelbar entfalten. Außerdem liegt durch den seitlichen Wasseraustritt nunmehr das halbkugelähnlich abgerundete untere Ende des Schmelz-Spül-Bohrkopfs praktisch auf dem unteren Ende der bereits erschmolzenen großvolumigen Bohrung auf und verschließt mit seinem Gewicht die zentrale Vorbohrung weitgehend. Das wegen des heißen Schmelzbereichs des Schmelz-Spül-Bohrkopfs am Bohrungsende vorhandene Schmelzwasser bildet einen die Wärmeenergie gleichmäßig verteilenden dünnen Film zwischen Schmelz-Spül-Bohrkopf und Eisfläche. Das Schmelzwasser fließt hier oberhalb des Wasserspiegels in die Vorbohrung ab. Kaltes Wasser wird nun durch den radial abgegebenen scheibenförmigen Heißwasserstrahl und die durch den Schmelz-Spül-Bohrkopf selbst verschlossene Vorbohrung nicht mehr angesaugt, sodass der gewünschte Bohrungsdurchmesser über die gesamte Länge der Bohrung erzeugt werden kann. Der an der Bohrungswand nach oben abgelenkte flächige Wasserstrahl sorgt für eine ungestörte, gleichmäßig runde und von Kavernen oder Profilrillen freie Bohrungsoberfläche und einen konstanten Bohrungsdurchmesser. Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Bohrvorrichtung wird das Ziel von zum Zweck des problemlosen Durchschleusens mit anschließender Bergung von großformatigen Untersuchungseinrichtungen unter das Schelfeis hergestellten Bohrungen ohne die Kosten und den logistischen Aufwand von Großbohrvorhaben sicher erreicht. Dabei besteht der als kombinierter Schmelz- und Spülbohrkopf ausgebildete Bohrkopf nach der Erfindung nur aus statischen, mechanisch stabilen Konstruktionselementen. Drehende oder anders bewegte Elemente und stromdurchflossene Verbindungsleitungen sind vermieden, wodurch sich ein sehr robuster und unempfindlicher Aufbau ergibt. Der anstelle eines Stromkabels zum Bohrort führende Schlauch zur Heißwasserzufuhr unterliegt aufgrund seiner Temperatur trotz guter Isolierung nicht der Gefahr des Anfrierens. Außerdem kann er aufgrund seiner Drucksteifigkeit nicht geknickt oder verwunden werden. Eine Störung beim Auf- und Niederholen des Schmelz-Spül-Bohrkopfs in der Bohrung ist somit nicht zu erwarten.

Vorteilhafte Fortführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sehen vor, dass das Wasser auf Temperaturen von bis zu 90°C aufgeheizt und dass das Heißwasser mit Drücken von bis in den Bereich von 10⁷ Pa in das Bohrloch gepumpt wird. Eine gut isolierte Bevorratung des Heißwassers auf der Eisoberfläche stellt kein technisches Problem dar. Insbeondere kann zur Aufheizung des Wassers auch Solarenergie hinzugezogen werden. Die Erzeugung der hohen Heißwasserdrücke kann mit einfachen und gegen Kälte unempfindlichen Pumpen erfolgen, da die druckbeaufschlagten Querschnitte relativ klein sind. Angetrieben werden können die Pumpen beispielsweise über vorhandene Aggregate mit Verbrennungsmotoren. Ferner kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass in einer Bohrlochtiefe von bis zu fünfzig Metern mit dem Spülwasser eine Kaverne gespült und das mit dem Schmelzwasser vermischte Spülwasser zum Versickern hineingepumpt wird. Temperatur und Druck des Heißwassers bestimmen den möglichen Schmelzvortrieb der Bohrung im Eis bei Einhaltung der Bohrungsparameter wie Durchmesser und Glattheit der Bohrungswandung. Das Eis bis in Tiefen von bis zu 50 Metern ist porös und wasserdurchlässig. Um den Bohrort nicht mit abgepumptem Schmelzwasser zu überschwemmen, kann in eine Kaverne gepumpt werden. Beim Spülen der Kaverne und auf den ersten bis zu 50 Metern der Bohrungen ist daher im Allgemeinen kein Absaugen erforderlich, das Schmelzwasser versickert. Erst in größeren Tiefen muss das mit dem Schmelzwasser vermischte Heißwasser abgepumpt werden. Wegen der hohen Mischtemperatur wird das abgepumpte Wasser zum Zweck der deutlichen Energieeinsparung bei der Heißwassererzeugung wiederverwendet.

Ein besonderes Problem bei der Bergung von unter dem Eis abgelassenen Messinstrumenten stellt deren Rückholung in das Bohrloch dar. Beispielsweise kann das Messinstrument durch unterschiedliche starke Tiedenströmungen seitlich vom Bohrloch weggedrückt werden. Beim Rückholen kann es somit zu Verkantungen an der Eisunterseite oder zum Einschneiden des Seils im Eis kommen. Eine Lösung kann hier die Berücksichtugng zeitabhängiger Strömungen, beispielsweise der Tiedenwechsel sein. Vorteilhaft ist aber auch eine Einfädelhilfe. Deshalb kann gemäß einer nächsten Fortführung der Erfindung bei Durchgangsbohrungen vorgesehen sein, dass ein zylindrisches Führungselement als Rückholhilfe in den Übergangsbereich zwischen Eisunterkante und Meer an einem Seil in die Hauptbohrung eingebracht wird. Das Führungselement kann aus einem einfachen Ring oder Rohr bestehen, es kann aber auch einen aufgebogenen und umgebördelten Rand nach Art eines Trichters aufweisen, der scharfe Kanten vermeidet. Dabei kann die Querschnittsverengung im zylindrischen Trichterteil akzeptiert werden, da der Bohrungsdurchmesser ausreichend groß dimensioniert sein kann.

Ein direktes Abschmelzen des Eises vor dem Spülkopf durch senkrechte Heißwasserstrahlen entfällt bei der Erfindung. Der Bohrvortrieb erfolgt ausschließlich über das Voranschmelzen des Schmelzbereichs in der Führung der Vorbohrung. Der in die Radialebene des Bohrkopfs umgelenkte Heißwasserstrahl spült den großen Bohrungsdurchmesser und die glatte Wandung, ist dabei aber auf den Vorschub durch den durch Abschmelzen absinkenden Schmelz-Spül-Bohrkopf angewiesen. Die Konstruktion des erfindungsgemäßen Schmelz-Spül-Bohrkopfs sieht daher vor, dass dieser aus gut wärmeleitenden Material besteht, sodass das heiße Wasser im Inneren für eine ausreichende Erwärmung am unteren Ende des Spülkopfs sorgt, um das Eis am Bohrungsende mit Spülkopfdurchmesser abzuschmelzen.

Eine vorteilhafte Fortführung der Vorrichtung zum thermischen Bohren nach der Erfindung sieht vor, dass im Schmelz-Spül-Bohrkopf der azimutal umlaufende Ringspalt eine Breite in einem Bereich von einem Millimeter aufweist, wodurch der für die gewünschte Spülwirkung erforderliche Druck des über den vollen Kreis von 360° reichenden scheibenförmigen Wasserstrahls erzielt wird. Über die Öffnung des Ringspalts können Bohrungsdurchmesser und Vorschubgeschwindigkeit mitbestimmt werden. Zur besseren thermischen Ankoppelung des halbkugelförmigen Schmelzbereichs am unteren Endes des Schmelz-Spül-Bohrkopfs an das Bohrungsende kann weiterhin vorteilhaft vorgesehen sein, dass das thermisch gut leitende Material des Schmelz-Spül- Bohrkopfs Kupfer ist. Hierbei handelt es sich um ein einfach zu verarbeitendes und gegenüber Wassereinwirkung resistentes, preiswertes Material. Ferner kann vorgesehen sein, dass der Schmelz-Spül-Bohrkopf im Bereich unterhalb des Ringspalts im Inneren hohl ist und in dem Hohlraum eine Vielzahl von radialen, mit dem Ringspalt großflächig verbundene Lamellen aufweist, die als Wärmebrücken für eine besonders gute Wärmeübertragung vom Heißwasser auf den Schmelzbereich zum Schmelzen des Eises vor dem Schmelz-Spül-Bohrkopf sorgen. Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der Schmelz-Spül-Bohrkopf aus mehreren hydraulisch dicht verspannten Radialschichten aufgebaut ist. Dieser Schichtaufbau bietet Vorteile bei der Herstellung und für eventuell notwendige Reinigungen des Schmelz-Spül-Bohrkopfs. Auch kann dadurch der besonders beanspruchte Bereich des Ringspalts separat ausgewechselt werden. Schließlich kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass ein Zuführungsschlauch für das Heißwasser zum axialen Wassereintreitt und ein Seil zum Auf- und Niederholen des Schmelz-Spül-Bohrkopfs eine Einheit bilden. Dadurch entfällt ein separates Seil und die Kranvorrichtung muss vereinfachend nur ein Element auf- und abspulen. Der Zuführungsschlauch für das Heißwasser ist aufgrund seines wegen der erforderlichen Druckfesigkeit verstärkten Aufbaus zum Kranen des Gewichts des Schmelz-Spül-Bohrkopfs ohne Weiteres geeignet.

Ausbildungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der schematischen Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
1 einen Querschnitt des Endes der Hauptbohrung mit dem Schmelz-Spül-Bohrkopf als Detail der Vorrichtung nach der Erfindung,
2 zwei Schnitte durch den Schmelz-Spül-Bohrkopf gemäß 1 mit Lamellenstruktur und in Schichtaufbau und
3 eine Übersicht über eine fertige Hauptbohrung mit Rückholhilfe Die 1 zeigt ausschnittsweise im Detail einen Schmelz-Spül-Bohrkopf 1 der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum thermischen Bohren von Löchern in Eis. Dieser weist an seinem oberene Ende einen axial verlaufenden Wassereintritt 2 und an seinem unteren Ende einen halbkugelähnlichen abgerundeten Schmelzbereich 3 auf. An der Eisoberfläche temperiertes Heißwasser 4 wird in den Schmelz-Spül-Bohrkopf 1 hineingepumpt und in die Radialebene des Schmelz-Spül-Bohrkopfs 1 umgelenkt. Dort tritt es radial aus einem engen, azimutal umlaufenden Ringspalt 5 als scharfer, scheibenartig ausgebildeter Heißwasserstrahl 6 aus und trifft unter hohem Druck auf die Bohrungswandung 7. Da kein Wasser nach unten aus dem Schmelzbereich 3 austritt, sitzt der Schmelz-Spül-Bohrkopf 1 mit dem Schmelzbereich 3 auf dem unteren Bohrungsende 8 auf. Dadurch wird eine zuvor angelegte Vorbohrung 9 praktisch verschlossen. Auf Grund des durchströmenden Heißwassers ist der gesamte Schmelz-Spül-Bohrkopf 1 soweit durchgewärmt, dass er insbesondere im Schmelzbereich 3 Wärmeenergie (in der 1 angedeutet durch Pfeile 11) in das untere Bohrungsende 8 einleitet, sodass dort im Bereich der Vorbohrung 9 ein Abschmelzen bewirkt wird und das Schmelzwasser 10 einen stabilen und abdichtenden Wasserfilm 12 zwischen dem Schmelzbereich 3 des Schmelz-Spül-Bohrkopfs 1 und dem unteren Bohrungsende 8 bildet. Ein an der Bohrungswandung 7 nach oben abgelenkter Wasserstrahl 13 spült bei konstanten Druck- und Temperaturbedingungen im Rahmen seiner gleichbleibenden thermischen und kinetischen Energie eine im Querschnitt runde, an der Bohrungsoberfläche 14 glatte, im Durchmesser 15 konstante, kavernen- und profilrillenfreie Hauptbohrung 19. Eine solche Hauptbohrung 19 ist geeignet, auch größere Apparaturen aufzunehmen, sicher unter das Eis 16 und und ebenso sicher wieder zurückzubringen. Das Heißwasser 4 wird über einen zentralen Zuführungsschlauch 17 dem Schmelz-Spül-Bohrkopf 1 zugeleitet. Nachdem es seine Energie zum Schmelzen der Hauptbohrung 19 abgegeben hat, vermischt es sich mit dem Schmelzwasser 18 und wird über einen Kavernenschlauch 20 nach oben abgepumpt.
Die 2 zeigt im oberen Teil einen Längsschnitt durch den Schmelz-Spül-Bohrkopf 1 gemäß 1 und im unteren Teil einen Querschnitt durch den Schmelzbereich 3. Der Zuführungsschlauch 17 für das Heißwasser 4 ist über eine zentrale Schlauchverschraubung 21 mit einem Einführungsstutzen 22 als axialem Wassereintritt 2 am oberen Ende des Schmelz-Spül-Bohrkopfs 1 verbunden. Das Heißwasser 4 fließt durch einen Zentralkanal 23 in den Schmelzbereich 3 des Schmelz-Spül-Bohrkopfs 1, durchströmt dort eine Struktur aus wärmeleitenden Lamellen 24 und dringt unter hohem Druck durch den Ringspalt 5 nach außen. Die Struktur aus den Lamellen 24 verteilt das Heißwasser 4 so im Schmelzbereich 3 des Schmelz-Spül-Bohrkopfs 1, dass die Wärmeenergie 11 gleichmäßig an das Eis 16 am Bohrungsende 8 abgegeben werden kann. Zum einfachen variablen und wartungsfreundlichen Aufbau ist der dargestellte Schmelz-Spül-Bohrkopf 1 aus mehreren Radialschichten 25 aufgebaut, die mit einer Verspannung 27 zusammengehalten und über die Dichtelemente 28 hydraulisch dicht gehalten werden. Eine mittlere Radialschicht 26 kann über ihre Dicke der Gewichtsregulierung des Schmelz-Spül-Bohrkopfs 1 nach der Erfindung insgesamt dienen.
3 zeigt in verkürztem Maßstab eine fertige Haupbohrung 19 mit einer darüberstehenden Kraneinrichtung 33, an der ein Messgerät 34 mit seiner tragenden Messleitung 35 im freien Wasser des Meeres 31 hängt. Das Messgerät 34 wird von der Strömung 36 verdriftet und hängt nicht mehr senkrecht unter der Eisunterkante 30. Je nach Stärke der Drift kann die Messleitung 35 in das Eis an der Eisunterkante 30 der Hauptbohrung 19 einschneiden und somit die Rückholung des Messgeräts 34 gefährden. Zur Vermeidung dieser Gefahr ist eine Rückholhilfe in Form eines zylindrischen Führungselements 29 zwischen Eisunterkante 30 und Meer 31, zum Beispiel mit einem abgerundeten Rand zur Unterstützung des Einfädelns, an einem Tragseil 32 vorgesehen, dass ebenfalls von der Kraneinrichtung 33 auf- und niedergeholt werden kann.

1: Schmelz-Spül-Bohrkopf
2: Wassereintritt
3: Schmelzbereich
4: Heißwasser
5: Ringspalt
6: Heißwasserstrahl
7: Bohrungswandung
8: unteren Bohrungsende
9: Vorbohrung
10: Schmelzwasser
11: Wärmeenergie (Pfeile)
12: Wasserfilm
13: Wasserstrahl
14: Bohrungsoberfläche
15: Durchmesser
16: Eis
17: Zuführungsschlauch
18: Schmelzwasser
19: Hauptbohrung
20: Kavernenschlauch
21: Schlauchverschraubung
22: Einführungsstutzen
23: Zentralkanal
24: Lamellen
25: Radialschicht
26: mittlere Radialschicht
27: Verspannung
28: Dichtelemente
29: Führungselement
30: Eisunterkante
31: Meer
32: Tragseil
33: Kraneinrichtung
34: Messgerät
35: Messleitung
36: Strömung

Claims

Verfahren zum thermischen Bohren von Löchern in Eis mit den Verfahrensschritten – Erzeugen einer vertikalen Vorbohrung (9) kleinen Durchmessers mit einem Schmelzbohrkopf, – Aufsetzen eines Schmelz-Spül-Bohrkopfes (1) größeren Durchmessers auf die Vorbohrung (9), – Aufheizen von Wasser als Wärmeträger an der Eisoberfläche, – gesteuertes Pumpen des Heißwassers (4) in den Schmelz-Spül-Bohrkopf (1) unter Druck, – Umlenken des Heißwassers (4) im Bereich des Schmelz-Spülkopfes (1) in eine Radialebene (5), – Spülen des Heißwassers (4) in einem scharfen, scheibenförmigen Strahl (6) umlaufend radial gegen die Bohrungswandung (7), wobei das Heißwasser (4) mit dem Schmelzwasser (10) vermischt und in Richtung auf die Eisoberfläche gedrückt wird, – Absenken des Schmelz-Spül-Bohrkopfes (1) unter Erzeugung einer Hauptbohrung (19) und – Versickern oder Abpumpen des mit dem Schmelzwasser (10) vermischten und in Richtung Eisoberfläche gedrückten Heißwassers (4).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser auf Temperaturen von bis zu 90°C aufgeheizt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Heißwasser (4) mit Drücken von bis in den Bereich von 10⁷ Pa gepumpt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Bohrlochtiefe von bis zu fünfzig Metern mit dem Spülwasser eine Kaverne gespült und das mit dem Schmelzwasser (10) vermischte Spülwasser zum Versickern hineingepumpt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein zylindrisches Führungselement (29) in den Übergangsbereich zwischen Eisunterkante (30) und Meer (31) an einem Seil (32) in die Hauptbohrung (19) eingebracht wird.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum thermischen Bohren von Löchern in Eis mit einem mittels Heißwasser erwärmbaren Bohrkopf sowie einer Versorgungs- und einer auf- und niederholenden Kraneinrichtung, insbesondere nach einem der Verfahrensansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Bohrkopf als kombinierter Schmelz-Spül-Bohrkopf (1) ausgebildet ist und an seinem oberen Ende einen axialen Wassereintritt (2) und an seinem unteren Ende einen halbkugelähnlichen Schmelzbereich (3) sowie oberhalb des Schmelzbereichs (3), aber unterhalb des Wassereintrittes (2) einen engen, mit dem Wassereintritt (2) großflächig verbundenen, azimutal umlaufenden Ringspalt (5) als Wasseraustritt aufweist, wobei der gesamte Schmelz-Spül-Bohrkopf (1) aus einem gut wärmeleitenden Material gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der azimutal umlaufende Ringspalt (5) eine Breite in einem Bereich von einem Millimeter aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das gut wärmeleitende Material Kupfer ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelz-Spül-Bohrkopf (1) im Bereich unterhalb des Ringspalts (5) im Inneren hohl ist und in dem Hohlraum eine Vielzahl radialer, mit dem Ringspalt (5) großflächig verbundener Lamellen (24) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelz-Spül-Bohrkopf (1) aus mehreren hydraulisch dicht verspannten Radialschichten (25) aufgebaut ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass ein Zuführungsschlauch (17) für das Heißwasser (4) zum axialen Wassereintritt (4) und ein Seil zum Auf- und Niederholen des Schmelz-Spül-Bohrkopfs (1) eine Einheit bilden.