DE1936902B1

DE1936902B1 - Verfahren und Vorrichtung zum Abteufen von Bohrungen in Eis

Info

Publication number: DE1936902B1
Application number: DE19691936902
Authority: DE
Inventors: Edwin Horbach
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1969-07-19
Filing date: 1969-07-19
Publication date: 1970-10-01
Also published as: US3680645A; CA925849A; SU369753A3

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Diese Aufgabe wird, ausgehend von dem eingangs

Abteufen von Bohrungen in Eis, bei dem an der erwähnten Verfahren, bei dem an der Sohle der

Sohle der Bohrung das Eis durch Wärmezufuhr ge- Bohrung das Eis durch Wärmezufuhr geschmolzen

schmolzen wird, und eine Vorrichtung zur Durch- wird, nach der Erfindung dadurch gelöst, daß das

führung dieses Verfahrens. 5 Schmelzwasser nur in dem Maße abgepumpt wird,

Das Bohren in Eis ist für die Erforschung der daß am Boden der Bohrung stets eine Wassermenge Eiskappen am Nord- und Südpol sowie zur Aus- in einem Wasserkessel verbleibt, und daß die Bohrbeutung von sich unter diesen Eiskappen „befinden- lochwandung wenigstens in dem sich an diese den Ölfeldern von Interesse. Praktische Versuche Wassermenge anschließenden Bereich bis hinab in haben gezeigt, daß die_ bisher bekannten mecha- io die Wassermenge, so stark gekühlt wird, daß von nischen Bohrverfahren zu keinem befriedigenden Er- einem Teil des Schmelzwassers ein das Bohrloch begebnis führen. Bei dem heute allgemein ange- grenzender Eismantel gebildet wird,
wendeten Rotary-Bohren entsteht im Bereich des Durch das Abpumpen des Schmelzwassers und die Bohrkopfes eine erhebliche Wärme, die das Eis zum Kühlung der Bohrlochwandung oberhalb des sich Schmelzen bringt und zu unkontrollierbaren Aus- 15 bildenden Wasserkessels wird gewährleistet, daß kesselungen führt. Die Folge davon ist, daß das dieser Wasserkessel sich nicht unkontrollierbar aus-Bohrloch einen völlig unkontrollierten Verlauf dehnt, sondern auf den Raum in der Umgebung des nimmt und unkontrollierbare Schmelzvorgänge ein- Bodens der Bohrung beschränkt bleibt, wodurch ein treten, die sich bis an die Oberfläche des Eises fort- kontrolliertes Absinken der Sohle der Bohrung, also setzen und sogar den Stand des im Eise verankerten 20 ein kontrolliertes Abteufen der Bohrung, gewähr-Bohrturmes gefährden. Irgendwelche Mittel, durch leistet ist. Zugleich kann durch das Kühlen der die diese Erscheinungen beim Rotary-Bohren ver- Bohrlochwandung und das Anfrieren eines Teils des mieden werden könnten, sind bisher nicht be- Schmelzwassers an diese Bohrlochwandung sicherkannt, gestellt werden, daß das Bohrloch eine glatte Innen-

An mechanischen Verfahren sind außer dem 25 wand mit einem definierten Durchmesser aufweist.

Rotary-Verfahren bisher nui Schlagbohrverfahren Endlich ist das erfindungsgemäße Verfahren auch

bekannt, bei denen eine Büchse mit einem Seil oder wirtschaftlich durchführbar, denn es werden keine

mit einem Gestänge schlagend eingetrieben wird. Mit komplizierten und einen hohen Energiebedarf auf-

diesem Verfahren sind nur geringe Bohrleistungen weisenden Dreheinrichtungen für einen Bohrmeißel

und relativ geringe Tiefen erreichbar, so daß dieses 30 und einen den Bohrmeißel tragenden Rohrstrang

Verfahren unwirtschaftlich ist und die erzielbaren und keine komplizierten Aufhängeeinrichtungen für

Bohrtiefen in vielen Fällen nicht ausreichen. Es er- den rotierenden Rohrstrang benötigt, und es fällt

scheint auch zweifelhaft, ob mit diesem Verfahren in auch der Ersatz "stumpf gewordener Meißel fort, wie

Eis bessere Ergebnisse erzielt werden können als mit er beim Rotary-Bohren häufig vorgenommen wer-

dem oben behandelten Rotary-Verfahren. 35 den muß und der stets das Herausziehen des ge-

Endlich ist es auch bekannt, zum Abteufen von samten Bohrgestänges aus dem Bohrloch erfordert. Tiefbohrungen eine Vorrichtung zu verwenden, die Die zum Schmelzen benötigten Einrichtungen aram Ende eines Rohrstranges eine elektrische Heiz- beiten praktisch verschleißfrei, und es ist die Eineinrichtung aufweist, mit der das Eis im Bereich des dringgeschwindigkeit im wesentlichen nur von der Endes des Rohrstranges geschmolzen werden kann. 40 Wärmezufuhr und der Möglichkeit, das Schmelz-Ein Fernsteuersystem soll es möglich machen, den wasser wieder zum Teil zu gefrieren, abhängig, so Schmelzprozeß zu verfolgen und von der Erdober- daß hier relativ große Bohrgeschwindigkeiten erzielt fläche aus zu steuern. Es ist mit einer solchen Vor- werden können. Da keine rotierenden Bohrgestänge richtung gelungen, eine Tiefe von 300 m zu er- benötigt werden und an ihrem Ende keine häufig reichen. Es handelt sich dabei um Forschungs- 45 auszuwechselnden Werkzeuge vorhanden sind, könbohrungen, die es ermöglichen sollen, die Innen- nen die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren betemperaturen von Eismassen zu messen, die Art der nötigten Bohrrohre unmittelbar als Auskleidung Änderungen des Paläoklimas in den Polarregionen stehenbleiben, so daß auch keine zusätzlichen, das festzustellen sowie die Intensität kosmischen Staubes Bohrloch verengenden Verrohrungen eingebaut zu zu bestimmen. Obwohl angegeben wird, daß auf 50 werden brauchen. Vielmehr kann die Bohrung mit diese Weise Bohrungen mit einer Tiefe von 3000 m einem beliebig großen Durchmesser abgeteuft wer- und mehr möglich sein sollen, muß doch bezweifelt den, weil das Bohrgestänge keine Drehmomente aufwerden, daß mit der bekannten Vorrichtung durch zunehmen braucht, die beim Rotary-Verfahren übereinfaches Schmelzen des Eises am Ende des Rohr- mäßig groß werden, wenn der Arbeitsdurchmesser stranges tatsächlich solche Tiefen erreichbar sind 55 des Meißels bestimmte Grenzen überschreitet. Außer- und daß auf diese Weise Löcher mit einem solchen dem muß das Bohrgestänge bei Rotary-Bohrgeräten Durchmesser gebohrt werden können, wie sie für einen großen Querschnitt haben, damit es diese die Erdölförderung benötigt werden. Es besteht Drehmomente aufnehmen kann, und es werden dadann nämlich ebenso wie bei den bekannten mecha- her die Gestänge bei großen Bohrtiefen außerordentnischen Bohrverfahren die Gefahr, daß das Schmel- 60 lieh schwergewichtig, wodurch ebenfalls Begrenzunzen des Eises zu unkontrollierbaren Auskesselungen gen hinsichtlich des BÖhrlochdurchmessers gegeben führt, die einen völlig unkontrollierten Verlauf des sind. Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Bohrloches zur Folge haben. solche Drehmomente nicht vorhanden sind, können

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein die Gestänge dünnwandig ausgebildet werden, so daß

Verfahren zum Abteufen von Bohrungen in Eis zu 65 auch im Hinblick auf das zulässige Gewicht größere

schaffen, mit dem sich einwandfreie Tiefbohrungen Durchmesser möglich sind.

herstellen lassen und das außerdem wirtschaftlich Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auch

durchführbar ist. bei Gesteinseinschlüssen im Eis anwenden, weil

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durch das Schmelzen des Eises die Gesteins- oder Kühlschlangen' angebracht sind, denen über

einschlüsse zusammen mit der Sohle der Bohrung Leitungen, die durch Hohlräume des gegebenenfalls

absinken. ■ doppelwandig ausgebildeten Rohrstranges hindurch-

Wie oben erwähnt, hat die Erfindung auch eine geführt sind, ein Kühlmittel zugeführt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des erfindungs- 5 Es ist beispielsweise denkbar, nach dem Peltiergemäßen Verfahrens zum Gegenstand. Diese Vor- Effekt arbeitende Vorrichtungen einzusetzen, deren richtung weist ebenso wie die oben beschriebene be- Kühlelemente im Bereich des zu kühlenden Abkannte Vorrichtung einen Rohrstrang mit einer schnittes des Rohrstranges angeordnet sind, während elektrischen Heizeinrichtung an seinem unteren Ende sich die wärmeabgebenden Elemente im Bereich des auf. Diese Heizeinrichtung besteht nach der Erfin- io Schmelzkopfes befinden. Da infolge des Abpumpens dung aus einem ringförmigen Schmelzkopf, und'es von Schmelzwasser mehr Eis geschmolzen wird, als ist der Rohrstrang oberhalb des Schmelzkopfes mit durch die Kühlvorrichtung wieder gefroren werden einer seine Außenwand auf einer unter 0° C liegen- muß, ist trotz der Kühlung der Bohrungswand eine den Temperatur haltenden Kühlvorrichtung und an Zufuhr überschüssiger Wärme erforderlich, für seiner Innenseite mit einer Wärmeisolierung ver- 15 die die bei einer Peltier-Anordnung entstehende sehen. Außerdem ist im Inneren des Rohrstranges Joulesche Wärme verbraucht werden kann,
ein Pumprohr zum Absaugen des Schmelzwassers - Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden angeordnet. ~ Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung an

Bei dieser Vorrichtung wird mit Hilfe des am Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausunteren Ende der Bohrstange angebrachten, be- 20 führungsbeispiels- näher beschrieben und erläutert heizten, ringförmigen' Schmelzkopfes am unteren wird. Die Zeichnung zeigt in einem schematischen Ende des Rohrstranges das Eis geschmolzen, so daß Längsschnitt das untere Ende eines sich in einem in der Umgebung des Schmelzkopfes der oben- Bohrloch einer Eisschicht befindenden Rohrstranges erwähnte Wasserkessel entsteht. Das Schmelzwasser einer Vorrichtung nach der Erfindung,
steigt beim Absinken des Rohrstranges im Innen- 25 Die in der Zeichnung dargestellte Anordnung umraum des Rohrstranges hoch und wird mit Hilfe des faßt einen doppelwandigen, hohlen Rohrstrang 1, Pumprohres stets bis zu einer bestimmten Höhe ab- der in das Bohrloch 2 einer Eismasse 3 hineinragt, gesaugt. Es ist denkbar, im Inneren des Rohrstranges Am unteren Ende des' Rohrstranges 1 befindet sich Fühler zur Feststellung des Wasserstandes, beispiels- ein ringförmiger, hohl ausgebildeter Schmelzkopf 4, weise Schwimmerschalter, anzubringen, deren Signale 30 der nach unten in eine Schneide 5 ausläuft, mit der den Betrieb der Absaugpumpe steuern. Zum Ab- er auf der Sohle der Bohrung 2 aufsitzt. Nahe den pumpen- des Schmelzwassers wäre es beispielsweise Schneiden 5 befindet sich im Inneren des Schmelzmöglich, am unteren Ende des Pumprohres eine kopfes 4 ein elektrisches Heizelement 6, das über Hochdruek-Tauchpumpe anzubringen oder aber über eine Leitung 7 mit "feiner nicht näher dargestellten, dem Spiegel des in der Bohrstange enthaltenen 35 sich über Tage befindenden Stromquelle verbunden Wassers beispielsweise mit Preßluft einen hohen ist. Die Leitung 7 erstreckt sich durch die hohle Druck aufrechtzuerhalten, durch den das Schmelz- Doppelwand des Rohrstranges 1 hindurch,
wasser durch das Pumprohr hinaufgedrückt wird. Der Schmelzkopf 4 ist mit dem unteren Ende

Die Kühlvorrichtung sorgt dafür, daß sich jeweils des Rohrstranges 1 unter Zwischenschaltung eines

am oberen Rand des Wasserkessels Eis am Umfang 40 Ringes 8 aus einem wärmeisolierenden. Werkstoff

des Rohrstranges ansetzt und der Wasserkessel in verbunden. Oberhalb dieses isolierenden Ringes 8

dem Maße oben zuwächst, wie er nach unten durch befindet sich in dem Zwischenraum 9 zwischen den

Wegtauen des Eises vorangetrieben wird. Es entsteht Wänden des Rohrstranges 1 ein Kühlmantel 10, der

somit ein Bohrloch, das den Rohrstrang dicht um- vorzugsweise ringförmig ausgebildet ist und un-

gibt und eine glatte, geschlossene Oberfläche auf- 45 mittelbar an der Innenseite der Außenwand 11 des

weist. Das Gewicht des Rohrstranges gewährleistet, Rohrstranges 1 anliegt. Dieser Kühlmantel ist durch

daß sich der Rohrstrang in dem Eisloch nicht fest- eine Scheidewand 12 in zwei an ihrem unteren Ende

setzt, und es wäre auch möglich, bei Bedarf die verbundene, zueinander konzentrisch angeordnete

Außenfläche des Rohrstranges mit einer geeigneten Kammern 13 und 14 unterteilt, die konzentrisch zu-

Gleitfläche, beispielsweise einer Beschichtung aus 50 einander angeordnet sind. Der an die Außenwand 11

Polytetrafluoräthylen, zu versehen. des Rohrstranges 1 angrenzenden Kammer 13 des

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der - Kühlmantels 10 wird über eine Leitung 15 ein Kühl-

Schmelzkopf an seinem unteren Ende eine Schneide mittel zugeführt, das nach Durchströmen der äußeren

aufweisen. Hierdurch wird örtlich ein besonders Kammer 13 die innere Kammer 14 durchströmt und

hoher Anpreßdruck erzielt, der ohnehin_ zu einem 55 aus dieser durch eine Leitung 16 wieder austritt. Die

Schmelzen des Eises führt und daher ein gutes Ein- Leitungen 15 und 16 sind wieder in dem Zwischen-

. dringen des Schmelzkopfes in das Eis begünstigt. raum zwischen den beiden Wänden des Rohr-

Um die Kühlung des Rohrstranges oberhalb des stranges! verlegt und stehen mit einer nicht näher

Schmelzkopfes zu begünstigen, kann der Schmelz- dargestellten, sich über Tage befindenden Kältekopf von dem Rohrstrang thermisch isoliert ange- 60 maschine in Verbindung.

ordnet sein. Die zur Erwärmung des Schmelzkopfes Die Innenseite des Rohrstranges 1 ist mit einer dienende Heizeinrichtung kann vorteilhaft aus Heiz- wärmeisolierenden Schicht 17 ausgekleidet, und es elementen bestehen, und es können zu diesen Heiz- ist konzentrisch zum hohlen Rohrstrang 1 ein Pumpelementen führende elektrische Leitungen in ein- rohr 18 angeordnet, das etwa bis in den Bereich fächer Weise durch Hohlräume des gegebenenfalls 65 des Isolierringes 8 hinabreicht, der zwischen dem doppelwandig ausgebildeten Rohrstranges hindurch- Schmelzkopf 4 und dem unteren Ende des Rohrgeführt sein. Eine einfache Kühlung ergibt sich, stranges 1 angeordnet ist.
wenn am unteren Ende des Rohrstranges Kühlmantel Wie in der Zeichnung angedeutet, entsteht durch

die Wärmezufuhr zum Schmelzkopf mittels des Heizelementes 6 am unter en Ende des Rohrstranges 1 ein Wasserkessel 19, der den Schmelzkopf 4 und das untere Ende des Rohrstranges 1 in einem gewissen Bereich umgibt. Das Schmelzwasser füllt auch das Innere des hohlen Rohrstranges 1 bis zu einer gewissen Höhe aus, die mit Hilfe einer nicht näher dargestellten Pumpemrichtüng, die das Wasser durch das Pumpröhr 18 aus dem hohlen Rohrstrang 1 hinaüsdrückt, konstant gehalten wird. Die sich im Kessel 19 befindende Wassermenge steht mit der sich innerhalb des Rohrstranges 1 befindenden Wassermenge durch Öffnungen 20 in Verbindung, die zu diesem Zweck im Schmelzkopf 4 angebracht sind. Ein Ausweiten des Wasserkessels 19 wird dadurch verhindert, daß am oberen Rand des Kessels in dem Maße, wie der Schmelzkopf 4 in der Eismasse 3 absinkt, in der Umgebung des Rohrstranges 1 mit Hilfe des Kühlmantels 10 das Wasser wieder gefroren ■ wird, so daß sich oberhalb des Kessels 19 wieder eine Eisschicht bildet, die sich dicht an die Außenwand 11 des Röhrstranges 1 anlegt.

Es entsteht somit durch ein gesteuertes Schmelzen und Wiederfrieren des Eises ohne mechanischen Kraftaufwand ein Bohrloch, das infolge Fehlens mechanischer Seitenkräfte außerordentlich gerade abgeteuft werden kann und dessen Durchmesser in weiten Grenzen beliebig gewählt werden kann, weil die beim sonst üblichen Bohren auftretenden Faktoren, die den Durchmesser der Bohrung beschränken, hier nicht Vorliegen. Bei Bedarf kann der Rohrstrang 1 nach Fertigstellen der Bohrung als Auskleidung in dem Bohrloch belassen werden, obwohl die ringförmig gefrorene Eisschicht, die den Rohrstrang 1 umgibt, eine glatte und fehlerfreie Auskleidung ergibt, die in vielen Fällen einen Verzicht auf eine Auskleidung überhaupt möglich macht. Die Möglichkeit, Bohrlöcher mit großem Durchmesser zu erstellen, ist andererseits für das Einbringen von Förderleitungen für Erdöl von Bedeutung, wenn diese Förderleitungen fest einzementiert und gegebenenfalls mit einer Wärmeisolierung umgeben werden sollen. Andererseits kann es besonders dann, wenn das zu fördernde Erdöl sehr warm ist, von Vorteil sein, den doppelwandigen Röhrstrang als Auskleidung im Bohrloch zu belassen und auf Seiner ganzen Länge mit Kühleinrichtungen zu versehen, die gewährleisten, daß die Wandungen des Bohrloches gefroren bleiben und dadurch ihre Stabilität behalten.

Es ist möglich, die elektrischen Leitungen und die Kühlleitungen ebenso wie das Pumprohr 18 im Inneren des Rohrstranges 1 zu verlegen und auf eine doppelwandige Ausbildung des Rohrstranges zu verzichten. Eine Verlegung dieser Leitungen im Inneren des Rohrstranges kann möglicherweise für das Anbringen von Kupplungen vorteilhafter sein. Weiterhin ist es möglich, statt eines Kühlmantels Kühlschlängen vorzusehen, die an der Innenseite des Rohrstranges oder von dessen Außenwand angebracht sind. Solche Kühlschlangen können sich dann auch, möglicherweise mit nach oben abnehmender Dichte, über die ganze Länge des Röhrstranges erstrecken. Weiterhin besteht die Möglichkeit, an Stelle getrennter Heiz- und Kühlelemente oder zusätzüch zu solchen Elementen eine Peltier-Anordnung einzusetzen, deren Kühlüngseiemente am unteren Ende des Rohrstranges und deren Heizelemente ίίη Bereich des Schmelzkopfes angeordnet sind.

Claims

Patentansprüche:

1. Vorfahren zum Abteufen von Bohrungen in Eis, bei dem an der Sohle der Bohrung das EiS durch Wärmezufuhr geschmolzen, wird, dadurch gekennzeichnet, däß das Schmelzwasser nur in dem Mäße abgepumpt wird, daß am Böden der Bohrung stets eine Wassermenge in -einem Wasserkessel verbleibt, ünd daß die Bohrlochwandung wenigstens in dem sich an diese WäSSerffienge anschließenden Bereich bis hinab in die Wassermenge so stark gekühlt wird, daß von einem Teil des Schmelzwassers ein das Bohrloch begrenzender Eismantel gebildet wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Röhrsträng Und einer elektrischen Heizemrichtüng am unteren I Ende des Röhrstrangs, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung aus einem ringförmigen Schmelzkopf (4) besteht, daß der Röhrsträng (1)

. oberhalb des Schmelzköpf eS (4) mit einer seine Außenwand (11) auf einer Unter Ö° C liegenden Temperatur hältenden Kühlvorrichtung (10) ünd an seiner Innenseite mit einer Wärmeisolierung (17) versehen ist und daß im Iniieren des Bohrstrangs (1) ein Pumprohr (18) zürn Entfernen des Schmelzwassers angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sehmelzköpf (4) an seinem unteren Ende eine Schneide (5) aufweist,

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 öder 3, dadurch gekennzeichnet, däß der Schmelzköpf (4) von dem Röhrsträng (1) thermisch isoliert angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung des SchmelzköpfeS (4) aus Heizelemente« (6) besteht und zu diesen Heizelementen (6) führende elektrische Leitungen (7) durch Hohlräume (9) des gegebenenfalls doppelwandig ausgebildeten- Röhrsträngs (1) hindurchgeführt sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß am unteren Ende des Röhrsträngs (1) KüMmäntel (1Ö) oder Kühlschlangen angebracht sind, denen über Leitungen (15 und 16), die durch Hohlräume (9) des gegebenenfalls doppelwandig ausgebildeten Rohrstrangs (1) hindurchgeführt sind, ein Kühlmittel zugeführt wird.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zürn Beheizen des Schmelzkopfes (4) und Kühlen des Rohrstrangs (1) eine Peltier-Anordnung Anwendung findet.

8. Vorrichtung" nach einem der Ansprüche 2 bis 1, dadurch gekennzeichnet, däß am unteren Ende des Rohrstrangs Fühler, insbesondere zur Temperaturmessung und Messung des Wässerstandes im Röhrstrang angebrächt sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen