DE19500024A1

DE19500024A1 - Dampf-Jet Schmelzbohrverfahren

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Publication number: DE19500024A1
Application number: DE1995100024
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-01-02
Filing date: 1995-01-02
Publication date: 1996-07-04
Also published as: DE19501437A1; DE19501438A1

Description

Bekannt sind Schmelzbohrverfahren, die mit Flamm- oder Plasmastrahl das Gestein aufschmelzen oder durch "Spelling-Effekt" abtragen. Bei diesen Verfahren blieben viele Probleme ungelöst, wie der Schmelze- oder Bohrkleinabtransport, Kavernen bildung, Kühlprobleme, Elektrodenabbrand, um nur einige zu nennen.

Gelöst werden all diese Probleme mit dem H₂/O₂-Schmelzbohrverfahren, das nach dem Prinzip des Schmelzevollverdrängungsverfahrens bei kontinuierlichem Bohrfortschritt bis zum Bohrziel arbeitet (DE 25 54 101 C2 und DE 37 01 676 A1).

Dieses nahezu ideale Bohrverfahren, das auch bei Tiefstbohrungen kontinuierlich bis zum Bohrziel ohne Bohrkopfwechsel und ohne Bohrgutförderung arbeitet und mit Bohrlochdurchmessern von 10 cm bis zu 10 m arbeiten kann, verpreßt die anfallende Bohrlochschmelze total ins umliegende Gestein und läßt die Schmelze im oberen Kühlzonenteil des kontinuierlich fortschreitenden Schmelzbohrgeräts zu einer festen Bohrlochverschalung erstarren.

Wasserstoff/Sauerstoff ist für Schmelzbohrverfahren an sich der ideale Energieträger durch,

- hohe Schmelztemperatur von 3500°C bei stöchiometrischer Verbrennung
- Einführung des Verbrennungsprodukts "Wasserdampf" in die Gesteinsschmelze
- Zuleitung unter hohem Druck über einen geringen Rohrleitungsquerschnitt.

Negativ wirkt sich dagegen das immer noch wirksame "Hindenburgsyndrom" und das potentielle Gefahrenmoment bei Lagerung, Transport und Umgang mit Wasserstoff und Sauerstoff aus, insbesondere in flüssiger Form, so daß die Nutzung des H₂/O₂- Schmelzbohrverfahrens für vielfältigen Einsatz im Tiefbau, speziell in Wohn gebieten, wegen restriktiver Vorschriften auf Schwierigkeiten stößt. Gleichzeitig bildet das notwendige Versorgungsequipment für Flüssig- oder Hochdruckgase in Form von Vorratsgasbehältern, Druckerzeugern und Kühlaggregaten einen nicht unerheblichen Kostenfaktor für mobile Bohranlagen beim Einsatz in der Tiefbau industrie, wie beispielsweise zu Gründungs-, Brunnen- und Ankerbohrungen in beliebigem Untergrund.

Das Dampf-Jet-Schmelzbohrverfahren arbeitet ebenfalls nach dem Prinzip des Schmelzeverdrängungspozesses bei kontinuierlichem Vortrieb:

Aufgabe dieser Patentanmeldung ist es, die potentiellen Schmelzbohranwendungen, wie sie das H₂/O₂-Schmelzbohrverfahren bietet, durch das Dampf-Jet Schmelz bohrverfahren allgemein nutzbar zu machen, indem Wasserstoff und Sauerstoff als Energieträger und Druckmedien durch die leicht verfügbaren und handhabbaren Medien Strom und Wasser ersetzt werden.

Das Aufschmelzen des Gesteins erfolgt über Hochtemperaturdampf, der in einem Dampferzeuger durch kaskadenförmiges Aufheizen entsteht. Zuerst verdampft ein vorerhitzter Wasserhochdruckstrahl, der über einen Hydro-Jet in einen Dampf erzeuger eingeschossen wird. Der entstandene Dampf wird mittels einer Hoch frequenzwärmequelle bis hin zum Plasma aufgeheizt. Das Plasma wird durch ein Magnetfeld eingeschnürt und über eine Magnetdüse durch einen Hydro-Jetstrahl aus überhitztem Hochdruckwasser geschickt, wobei der Dampf, der außerdem zur Kühlung der Plasmaaustrittsöffnung dient, auf die hohe Temperatur aufgeheizt wird, die für ein "Dampfschmelzen" notwendig ist. Dieser letzte Schritt der Dampfauf heizung bis über 2000°C findet so bereits außerhalb des Schmelzbohrgerätes in der Schmelzzone statt.

Die Wärme- und Druckenergieübertragung auf das zu schmelzende Gestein mittels Dampf, als Wasserstoff- und Sauerstoffersatz, bringt den weiteren Vorteil einer drastischen Schmelzpunkterniedrigung und Verringerung der Schmelzeviskosität, was zur entsprechenden Erhöhung der Bohrfortschrittsgeschwindigkeit führt, da durch Einbau von OH-Gruppen die Sauerstoffbrücken im Si-O-Netzwerk zusammenbrechen.

Die Druckbohrkopfspitze ist mit einem zentralen und mindestens drei seitlichen Dampfaustrittsdüsen (Steam-iets) versehen, wobei die drei seitlichen Steam-Jets so gerichtet sind, daß sie die Dampfschmelze wie in einen Zyklon um die Bohrkopf spitze in Bewegung setzen.

Durch die Rotation der Schmelze wird ein schnellerer Schmelzeabtrag erreicht, wobei die rotierende Schmelze die Funktion eines Rollenmeißels übernimmt.

Durch differenzierte Impulsgebung über die Hydro-Jets oder die Hochfrequenzspulen der seitlichen Steam-Jets steuert sich der Dampf-Jet- Schmelzbohrautomat.

Die Kombination von Hydro-Jet und Hochfrequenzwärmequelle zu einem Dampf- und Plasma-Jet schafft ein universell einsetzbares Schmelzbohrverfahren das noch einfacher und wirkungsvoller als das H₂/O₂-Schmelzbohrverfahren arbeitet, aber ohne dessen Akzeptanzprobleme.

Die Vorteile des Dampf-Jet Schmelzbohrverfahrens:

1. Durch die Kombination von Hydro-Jet und Hochfrequenzwärme zur Hochtemperatur-Dampferzeugung über Plasmaproduktion wird ein Schmelzbohr prozeß wie beim H₂/O₂-Schmelzbohrverfahren möglich ohne die problematische Zuführung von Wasserstoff und Sauerstoff.
2. Die Energiezufuhr erfolgt unproblematisch über Stromkabel und Wasserhoch druckleitungen, die nach dem Tubecoil-System ohne Unterbrechung bis zum Bohrziel nachgeführt werden können.
3. Der Schmelzprozeß wird nicht durch Brenngase aufrechterhalten, die nur über einen engen, idealen Schmelzzonenbereich verfügen und stöchiometrisch exakt verbrannt werden müssen, sondern durch überhitzten Dampf und Plasma, die diesen Begrenzungen nicht unterliegen. Der Aufbau des für den Schmelzbohr prozeß notwendigen Schmelzedrucks braucht nicht mehr kostenaufwendig über Brenngase, wie Wasserstoff und Sauerstoff, sondern kostengünstig über den Wasserhochdruck der Hydro-Jets durchgeführt werden.
4. Beim "Dampfschmelzen" kommt es gegenüber "Trockenschmelzen" zu einer drastischen Senkung des Schmelzpunktes und einer dramatischen Verringerung der Viskosität durch Aufbrechen der Sauerstoffbrücken infolge Einbaus von OH- Gruppen in die hochschmelzenden, gesteinsbildenden Oxide und mineral bildenden Si-O-Netzwerke. Die Bohrfortschrittsgeschwindigkeit gegenüber "Trockenschmelzen" erhöht sich dementsprechend rapide.
5. Der Druckaufbau und die Druckregelung in der Schmelze erfolgt durch Koppelung von Hochfrequenzerzeuger und Hydro-Jet, dessen Durchflußmenge den notwendigen Energiefluß regelt und die Bohrfortschrittsgeschwindigkeit im wesentlichen bestimmt.
6. Das "Dampfschmelzen" erfordert keine Abstandhaltung von der Schmelzbrust des Gesteins wie bei Brenngasflammen, die eine definierte optimale Schmelzzone haben.
7. Unter dem mit zunehmender Tiefe steigenden geostatischen Druck der Dampfschmelze wird das Schmelzbohrgerät durch eine spezielle Konstruktion des Bohrkopfes ab einer bestimmten Bohrtiefe selbsttätig vorgetrieben. Der Druckbohrkopfquerschnitt ist unten größer als oben, so daß der Druckbohrkopf mantel als Druckfläche genutzt wird, die das Gerät nach unten treibt.
8. Der Dampf-Jet arbeitet als Schmelzbohrautomat, der seinen Vortrieb entsprechend der maximalen Energie- und Kühlwasserzuführung über einen Computer organisiert und die exakte Richtungseinhaltung durch Richtungs korrektur eines auf den Erdmittelpunkt fixierten Kreisels bestimmt.
9. Die verpreßte Dampfschmelze und die daraus erstarrte Bohrlochverschalung bilden ein von Mikroporen dominiertes, rißfestes Gesteinsmaterial.
10. Selbstfahrende Dampf-Jet-Schmelzbohrautomaten für die Tiefbauindustrie, für den Brunnenbau und andere Bohreinsätze können wegen der kostengünstigen und gefahrlosen Betreibung über Wasserhochdruck und Strom vielfältig zum Einsatz kommen.

Claims

1. Dampf-Jet-Schmelzbohrverfahren für den kontinuierlichen Vortrieb von selbsttragenden Bohrlöchern mit kleinen und übergroßen Bohrlochdurchmessern in beliebigem Untergrund, dadurch gekennzeichnet, daß leicht verfügbare und problemlos einsetzbare Medien wie Wasser und Strom als Druck- und Wärme energieträger genutzt werden, die in Kombination von Hochfrequenzwärme und Hydro-Jet in einem Dampferzeuger, der sich im Inneren des Schmelzbohrgerätes befindet und Hochtemperaturdampf über einen Dampf-Plasmastrahl produziert, mit dem der Untergrund beschleunigt aufgeschmolzen und die entstehende Dampfschmelze beim Vortrieb ins Umfeld des Bohrlochs verpreßt und im oberen Kühlzonenbereich des Schmelzbohrautomaten (Dampf-Jet) zu einer festen Bohrlochverschalung erstarrt, wobei die entstehenden Reibungskräfte am Bohrgerätmantel beim Vortrieb durch hydraulischen Andruck über den Druck- und Versorgungsstrang überwunden werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochdruck wasserstrahl des Hydro-Jets kaskardenartig auf Dampftemperaturen von über 2000°C gebracht wird, wobei die letzte Stufe der Überhitzung in der Schmelzzone stattfindet, derart, daß der in den Dampferzeuger eingeschossene, vorerhitzte Hochdruckwasserstrahl des Hydro-Jets sofort verdampft, der Dampf von der Hochfrequenzspule, die den Dampf- und Plasmaerzeuger umgibt, so stark aufgeheizt wird, daß der Dampf ionisiert und ein Plasma bildet, das elektrischleitend durch ein Magnetfeld so eingeschnürt wird, daß zum einen die Innenwandung des Dampferzeugers vor dem Plasma geschützt wird und zum anderen im Austrittsbereich zu einer magnetischen Düse verengt wird, wobei in diesen Austrittsbereich durch einen Hydro-Jet über im Kühlkreislauf vorerhitztes Hochdruckwasser eingeblasen wird, das diesen Plasmaaustrittsbereich kühlt und sich selbst so aufheizt, daß ein "Dampfschmelzen" mit hohem Wirkungsgrad einsetzt.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Dampf als Energie- und Druckmedium den Schmelzbohrvorgang in Eigenschaft von überhitztem Wasser dramatisch beschleunigt, derart, daß durch Aufbrechen der Sauerstoffbrücken infolge Einbaus von OH-Gruppen die SI-O- Netzwerke zerstört werden, die dem Gestein die Festigkeit verleihen und damit eine drastische Schmelzpunkterniedrigung und Verringerung der Schmelze viskosität eintritt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfschmelze bei der Aushärtung aus einem rißfesten, von Mikroporen dominierten Gesteinsmaterial besteht, das als wirksamer Druckverschluß gegenüber der am Schmelzbohrgerät aufsteigenden Schmelze fungiert.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in der Schmelze, bedingt durch den dampfinjizierten Druck und dem mit zunehmender Bohrtiefe sich aufbauenden geostatischen Druck, durch spezielle Konstruktion des Druckbohrkopfes für den Eigenvortrieb des Dampf- Jet-Schmelzbohrautomaten genutzt wird, derart, daß der Durchmesser des Druckbohrkopfes größer ist als der obere, den Bohrlochschaft formende Bohrgerätskörper und so der weite Druckbohrkopfmantel als Druckfläche für den Vortrieb genutzt werden kann und daß der verdickte Druckbohrkopf Durchlässe für die aufsteigende Schmelze aufweist, über die sie als Vortriebsmedium wirksam werden kann.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckbohrkopf mit einem zentralen und mindestens drei seitlichen Dampf- bzw. Plasmaaustrittsdüsen (Steam-Jets) versehen und derart ausgerichtet sind, daß die ständig neu entstehende Dampfschmelze um den Druckbohrkopf in rotierende Bewegung versetzt wird und damit einen schnelleren, gleichmäßigen sowie zielgerichteten Bohrfortschritt ermöglichen.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die seitlichen Steam-Jets zur Steuerung des Schmelzbohrgeräts eingesetzt werden, derart, daß der Massestrom in den einzelnen Steam-Jets nach Bedarf erhöht wird oder der Dampf- bzw. Plasmastrom gepulst wird, was sowohl über die Hochfrequenzspulen wie auch über die Hydro-Jets erfolgen kann.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Dampf-Jet-Schmelzbohranlage vollautomatisch und computer gesteuert arbeitet, dessen Ablauf einzig von vorgegebener Bohrrichtung und maximaler Abschmelzgeschwindigkeit sowie hydraulischer Vortriebskraft bestimmt wird, derart, daß im Bohrkopfmantel eingebaute Druckspannungs messer den hydraulischen Andruck sofort begrenzen sobald der Bohrkopf aufsetzt und nur Andruckskräfte freisetzt, die zur Überwindung der Reibungskräfte notwendig sind.

9. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß Dampf-Jet Schmelzbohrautomaten, die nur für Bohrtiefen unter 100 m eingesetzt werden, ihre Hochfrequenzenergie über Hohlleiter zugeführt bekommen, derart, daß die Hochfrequenzenergieerzeuger außerhalb des Schmelzbohrautomaten montiert werden, wodurch auch Schmelzbohrgeräte mit geringem Bohrlochdurchmesser möglich werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Schmelzbohrautomaten für Einsätze in der Tiefbauindustrie mit relativ geringen Bohrtiefen, im Gegensatz zu Tiefstbohrungen, für die Mehrfachnutzung konstruiert werden, derart, daß die Form des Schmelzbohrautomaten von oben nach unten leicht konisch zuläuft und der Außenmantel des Schmelzbohrautomaten, mit Ausnahme der Druckbohrkopfspitze, mit einer Hülle aus beispielsweise wärmefestem Graphit mit hoher radialer Wärmeleitfähigkeit versehen wird, die bei Erreichung des Bohrlochziels im Bohrloch verbleibt und der Schmelzbohrautomat aufgrund seiner konischen Form, durch Ziehen zurückgewonnen werden kann.