DE2554101A1

DE2554101A1 - Fluessigwasserstoff-sauerstoff-gesteinschmelzbohrer

Info

Publication number: DE2554101A1
Application number: DE19752554101
Authority: DE
Inventors: Werner Foppe
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-12-02
Filing date: 1975-12-02
Publication date: 1977-06-08
Also published as: DE2554101C2

Description

Flüssigwasserstoff-Sauerstoff-Gesteinschmeizbohrer.
Die Erfindung betrifft ein Schmelzbohrgerät, das mit Flüssiqwasserstoff und Flüssigsauerstoff arbeitet, wohei die Übertragung der notwendigen Schmelzenergie auf das zu schmelzende Gestein direkt durch die Knaligasflamme erfolgt.
Die Erfindung betrifft ein Schmelzbohrgerät, das in einem Untergrund beliebiger Beschaffenheit und einem Gestein beliebiger Härte und Temperatur eingesetzt werden kann.
Das Schmeizbohrgerät, wie es im nachfolgenden aufgezeigt wird, ist zur Senkrechtbohrung konzipiert, kann jedoch durch einige nicht wesentliche und in der Technik bekannte Vorrichtungen zum Bohren in allen Ebenen umgebaut werden.
Die Erfindung baut auf die Subterrenetechnologie des Los Alamos Scientific Laboratory USA auf, in dem auch zwei Gesteinschmelzhohrgerätvarianten entwickelt wurden. Typ 1. Electrical Subterrene Typ 2. Nuclear ßubterrene Beide Typen haben gemein, daß sie ihre Schmelzenergie aus einer im Bohrgerät befindlichen Energiequelle beziehen ( Kernreaktor oder Lichtbogen ), von der die Energie über Heat Pipes auf den Schmelzkopf übertragen wird, der dann das Gestein aufschmilzt. Bei dieser Form der indirekten Energieübertragung auf das zu schmelzende Gestein ist die Höhe der eingesetzten Schmelztemperatur begrenzt: 1. durch die Energiequellen selbst ( Durchbrennen des Reaktors ) und 2. durch die thermische Belastungsgrenze des feuerfesten Schmelzkopfmaterials.
Durch diese Art der indirekten Energieübertragung und bedingt durch die Art der Energiequellen wird die Konstruktion und Arbeitsweise dieser Schmelzbohrgeräte kompliziert und erhöht die Gesamtbohrdauer und Gesamtbohrkosten.
Die subterrenetechnologie macht sich die Gesetzmäßigkeiten der Lithofracturingtechnik zunutze, die auch der Hydrofracturingtechnik zugrunde liegen.
Die Hydrofracturingtechnik wird bei der Erdölgewinnung angewandt, um Rohöl oder Erdgasquellen üppiger sprudeln zu lassen. Dieser Effekt wird erreicht, indem in den unteren Teil des Bohrlochs durch Druckpumpen Wasser oder Öl eingepresst wird, wobei der Druck die Scherkräfte des umliegenden Gesteins übersteigt und dadurch lange, schmale, diskusförmige Spalten entstehen läßt, deren Durchmesser das 50 - hOfache des Durchmessers vom Bohrloch erreichen.
Von Lithofracturing spricht man, wenn in der Gesteinsschmelze ein Druck erzeugt wird, der den der Scherkräfte des umliegenden Gesteins übertrifft und so ebenfalls zur Gesteinsspaltung führt.
Das nachfolgend erläuterte, erfindungsmäßige Schmelzbohrgerät unterscheidet sich von den beiden obengenannten vom Los Alamos Scientific Laboratory entwickelten Schmelzbohrgeräten durch folgende Vorteile: 1. Durch die direkte Energieübertragung der Knallgasflamme auf das zu schmelzende Gestein ist a.) eine sehr hohe Schmelztemperatur möglich, da das wärmefeste Material des Bohrkopfes nicht der Spitzentemperatur der Knallgasfiamme von über 3000°C direkt ausgesetzt ist, sondern von der Gesteinsschmelze umgeben ist, deren Temperatur um mehrere 100°C niedriger liegt, zudem kann der Bohrkopf von innen durch den flüssigen Brennstoff gekühlt werden.
b.) die doppelte Höhe der Schmelztemperatur einsetzbar, wie sie über nukleare oder elektrische Beheizung möglich ist, wodurch der Wirkungsgrad der einzusetzenden Schmelzenergie gesteigert und die Bohrfortschrittsgeschwindigkeit beachtlich erhöht werden kann.
c.) eine Wasserdampfzufuhr in die Schmelzzone möglich, die sich aus der Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser ergibt. Die Einführung von Wasser in die Schmelzzone erniedrigt den Schmelzpunkt des Gesteins und erhöht damit die Bohrfortschrittsgeschwindigkeit, 2. Durch das direkte Aufschmelzen des Gesteins durch die Knallgasflamme entfallen für das Schmelzbohrgerät komplizierte Einrichtungen und Kühlsysteme für die Enerqieversorqungseinheiten und für die Energieübertragung auf den Schmelzbohrkopf. Dadurch wird das mit Flüssigwasserstoff- und Sauerstoff gespeiste Schmelzbohrgerät a.) einfach in der Konstruktion b.) betriebssicher beim Bohrvorgang, und c.) kostengünstiger in der Herstellung und im Gebrauch.
3. Durch den flüssigen Wasserstoff und Sauerstoff, die beide auf minus 2500C abgekühlt sind, wird in der Kühlzone des Schmelzbohrgeräts in der aufsteigenden Gesteinsschmelze ein rascher Kühleffekt erreicht, der a.) durch die schnelle Auskristallisierung der Gesteinsschmelze die Festigkeit der glasartigen Bohrlochverschalung erhöht, b.) eine Erhöhung der Bohrfortschrittsgeschwindigkeit ermöglicht, c.) einen beträchtlichen Teil an Abwärme dem Schmelzprozess wieder zuführt.
Die Erfindungsaufgabe besteht darin, ein Schmelzbohrgerät großen Durchmessers zu schaffen, von einfacher Konstruktion, mit einfacher Handhabung, mit hohem energetischem Wirkungsgrad und hoher Bohrfortschrittsgeschwindigkeit, und mit niedrigen Gesamtbohrkosten. Dadurch soll der Subterrenetechnologie zu ihrem Durchbruch verholfen werden2 die unter anderen Anwendungsmögiichkeiten vorallem durch die kostengünstige Erschließung der Erdwärme an allen Punkten der Erde hervortritt, wodurch eine unabhängige Energieversorgung aller Länder möglich wird.
Das Flüssigwasserstoff-Sauerstoff-Schmelzbohrgerät kann mit Durchmessern von wenigen Zentimetern bis über zehn Meter gebaut werden, dessen äußere Form entsprechend der gewünschten Bohrlcchform gestaltet werden kann, wobei das kreisförmige Bohrloch die Regel sein wird. Das Schmelzbohrgerät hat die Form eines großen Bleistiftes, wobei die Mine die Wasserstoff- und Sauerstoffzuführung repräsentiert und die Bleistiftspitze die Knallgasflamme darstellt.
Der Wasserstoff und Sauerstoff tritt unter hohem Druck über die Austrittsdüsen ( 1a und Ib ) an der Spitze des Bohrkopfs ( 3 ) aus und vereinigt sich zur Knallgasflamme ( 1 ), die mit hoher Temperatur das Gestein direkt aufschmilzt. Das abschmelzende Gestein umgibt das feuerfeste Material des Bohrkopfes und schützt so den Bohrkopf gegen die Temperaturspitzen der Knallgasflamme, deren Temperatur von über 3000°C erheblich über der der Gesteinsschmelze liegt. Die Bohrkopfspitze und die Austrittsdüsen werden von innenher durch eine Flüssigsauerstoffkühischlange gegen Korrosionsschäden geschützt.
Das bei dem Werbrennungsprozess entstehende Wasser aus Wasserstoff und Sauerstoff erniedrigt den Schmelzpunkt des Gesteins und erhöht damit die ßohrfortschrittsgeschwindigkeit des Schmelzbohrgeräts. Das Schmelzbohrgerät erhält seine Schubkraft, die von einem Druck- und Steuerungsgerät ( 8 ) über dem Bohrloch für die Fortschrittsbewegung geliefert wird, über ein dreiteiliges Druck- und Führungsgestänge ( 6 Beim Vorrücken des Bohrgeräts drückt sich die geschmolzene Gesteinsmasse entlang des Bohrkopfes bis in die Kühlzone ( 4 ) des Bohrgerätkörpers ( 5 ) hoch. In dieser Zone wird die flüssige Gesteinsmasse plötzlich abgekühlt und erstarrt rasch zu einer festen, glasartigen Gesteinsmasse von großer Festigkeit und Dichte. Der schnelle Kühleffekt wird über Heat-pipes ( 4c ) erreicht, die zwischen de mit auf minus 2500C gekühlten Wasserstoff und Sauerstoff gefüllten Kühlkammern ( 4a und 4b ) und der Außenwand des Schmelzbohrgerätes im Bereich der Kühlzone eingebaut sind. Die Heat Pipes sorgen für einen schnellen Wärmeaustausch, so daß die Gesteinsschmeize die Wärme an den auf minus 2500C gekühlten Waseerstoff und Sauerstoff abgibt und erstarrt. Die erstarrte Gesteinsschmelze entlang der Kühlzone bildet zum einen eine feste und dichte Bohrlochverschalung, die mit ihren Eigenschaften eine Stahlbetonverschalung übertrifft, und bildet zum anderen einen dichten Druckverschluß gegenüber der Gesteinsschmelze um den Bohrkopf.
Beim kontinuierlichen Vorrücken des Schmelzbohrgerätes entsteht in der Gesteinsschmelze entlang des Bohrkopfes ein lithostatischer Druck, der die Scherkräfte des umliegenden Gesteins übertrifft und lange, schmale Spalten ins Gestein reißt. Die Gesteinsschmelze dringt in diese Spalten ein und beschleunigt dadurch zum einen den Schmelzvorgang und damit den Bohrfortschritt, und zum anderen wird die überschüssige geschmolzene Gesteinsmasse in diese Spalten abgedrückt, so daß kein Mbraumgestein beim Bohrvorgang entsteht. Auf diese Weise entsteht für die glasartige Bohrlochverschalung eine Verankerung im umliegenden Gestein, die ihre Festigkeit außerordentlich erhöht.
Mit der Methode der Lithofracturingtechnik, die im Prinzip der Hydrofracturingtechnik entspricht, wird beim Schmelzbohrvorgang a.) ein kontinuierliches Bohren mit hoher Fortschrittsgeschwindigkeit möglich, b.) ein Bohrgutabtransport überflüssig, und c.) eine Bohrlochverschalung beim kontinuierlichen Schmelzbohrvorgang miterstellt, die in ihrer Festigkeit Stahlbeton übertrifft. Damit werden durch das Gesteinschmelzbohrgerät mit einem Schlag drei Hindernisse beseitigt, die in der bisherigen Bohrtechnik einen schnellen und kostengünstigen Bohrvorgang in heißem Gestein mit großem Bohrlochdurchmesser nicht zuließen. Durch das Schmelzhohrgerät werden diese beim Bohrvorgang ursprünglich negativen Faktoren in positive umgewandelt. Das aufgeschmolzene Abraummaterial wird zum Aufbau einer festen Bohrlochverschalung verwandt. Die Bohrlochverschalung selbst erlaubt einen kontinuierlichen Bohrfortschritt auch in lockerem Untergrund und wasserführenden Gesteinsschichten. Die Bohrfortschrittsgeschwindigkeit erhöht sich mit zunehmender Eigentemperatur des zu durchbohrenden Gesteins.
In der Zeichnung ist in Fig. 1 ein Vertikalschnitt durch ein senkrecht nach unten arbeitendes Flüssigwasserstoff-Sauerstoff-Schmelzbohrgerät zu sehen und in Fig. 2 eine Querschnittzeichnung, die die Lage der drei Druck- und Führungsstangen ( 6 ) und die der Wasserstoff-Sauerstoffzuleitung ( 2 ) zeigen soll.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist das Schmelzbohrgerät an ein dreiteiliges Druck- und Führungsgestänge ( 6 ) starr hefestigt. Das Gestänge erhält seinen Druck und seine Führung über einen oberhalb des Bohrloches befindlichen Druckgeber, der sich in der Versorgungseinheit ( 8 ) befindet. Die Energiezufuhr mit flüssigem Wasserstoff und Sauerstoff erfolgt über die wärmeisolierten Zuleitungsrohre ( 2 ), die den flüssigen Wasserstoff und Sauerstoff über die Ventile ( 4d und 4e ) an die Kühlkammern ( 4a und 4b ) abgeben. Im Bereich der Kühlzone ( 4 ) findet der Wärmeaustausch mittels Heat Pipes ( 4c ) zwischen der flüssigen Gesteinsmasse und dem auf minus 250°C gekühlten Wasserstoff und Sauerstoff in den Kühlkammern ( 4a und 4b ) statt. Die Gesteinsschmelze kühlt im Bereich der Kühlzone ( 4 ) rasch ab und erstarrt zu einer festen, glasartigen Masse, während das verflüssigte Gas durch die Wärmeaufnahme gasförmig wird und unter hohen Druck gerät. Unter diesem Druck strömen die beiden Gase Wasserstoff und Sauerstoff über die Düsen ( 1a u. Ib ) aus und vereinigen sich zu der Knallgasflamme ( 1 ), die unter hohem Druck und hoher Temperatur direkt auf das zu schmelzende Gestein auftritt und sich in das Gestein einfrißt.
Damit sich auf großen Bohrlängen das Druckgestänge ( 6 ) nicht verbiegt, werden in entsprechenden Abständen Druckrohrstabilisierunqsringe ( 7 ) eingelegt, die die drei Druckrohre und die Energiezuführungsleitungen ( 2 ) fest umschließen und sich gegen die Bohrlochwandung abstützen.
Üher die hohlen Druckrohre ( 6 ) wird bei Bedarf Kühlwasser in den oberen Innenraum des Bohrgerätkörpers ( 5 ) gepumpt, das die Innenwände des Bohrgeräts oberhalb der Kühlzone ( 4 ) umspült und nach geleisteter Kühlarbeit sich oherhalb des Schmelzbohrgeräts als Wasserdrucksäule aufbaut.
Patentansprüche Leerseite

Claims

Patentansprüche 1. Schmeizbohrgerät, das unter Ausnutzung der Lithofracturingtechnik das zu durchbohrende Gestein aufschmilzt, die überschüssige Gesteinsschmelze in die vom Schmelzbohrgerät geschaffenen Spalten im umliegenden Gestein abdrückt und bei seinem kontinuierlichen Schmelzbohrfortschritt gleichzeitig entlang seines Bohrkörpers eine feste undurchlässige Bohrlochverschalung aus erstarrter Gesteinsschmelze aufbaut, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmelzhohrgerät seine Schmelzenergie aus flüssigem Wasserstoff und Sauerstoff bezieht und im Bereich des Schmelzkopfes ( 3 ) über eine oder mehrere Hnallgasflammen ( 1 ) die notwendige Energie zum Aufschmelzen des Gesteins direkt auf das zu schmelzende Gestein überträgt, wodurch mit einer Schmelztemperatur von über 3000ob gearbeitet werden kann die mit indirekter Schmelzmethode über den Schmelzkopf selbst nicht erreicht werden kann, da die Korrosion im feuerfesten Material des Schmelzbohrkopfes zu groß sein würde.
2. Schmeizbohrgerät, nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das feuerfeste Material des Bohrkopfes ( 3 ) von innen her mit den Brennstoffen gekühlt unc von außen durch die Gesteinsschmelze, dessen Temperatur um mehrere 1000C niedriger liegt als die Spitzentemperatur der Knaligasflamme, qegen eben diese Spitzentemperatur der Hnallgasflamme gEschützt wird.
3. Schmelzbohrgerät, nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß durch die direkte Beaufschlagung des zu schmelzenden Gesteins durch die Hnallgasflamme in die Schmelzzone Wasserdampf eingeführt wird, das als Werbrennungsprodukt aus Wasserstoff und Sauerstoff entsteht erheblich zur Schmelzpunkterniedrigung des Gestein beiträgt und die Bohrfortschrittsgeschuindigkeit dadurch erhöht.
4. Schmelzbohrgerät, nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß in der Kühlzone ( 14 ) der Eesteinsschmelze über Heat Pipes ( 4c ) rasch Warme entzogen wird, die an den auf minus 250 C gekühlten Wasserstoef und SauerstofF übergeht, wodurch zum ein die Bohrfotschrittsgeschwindigkeit durch den schnellen Abkühleffekt sich erhöhen läßt, und die Festiqkeit der plötzlich auskristallisierenden Gesteinsmasse zunimmt; wodurch zum anderen der Wärmeverlust sich gering halten läßt, da die zurückqewonnene Warme über die Brennstoffe der Schmelzzone wieder zugeführt wird.
5. Schmelzbohrgerät, nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß Kühlwasser über das dreiteilige, hohle Druckrchrgestänge ( 6 ) in den Innenraum des Schmelzhohrgerätes oberhalb der Kühizone ( 4 ) zur zusätzlichen Kühlung der Bohrlochverschalung geleitet wird, das sich nach geleisteter Kühlarbeit oberhalb des Schmelzbohrgerätes als Gruckgassersäule aufbaut, wodurch mit zunehmender Bohrlochtiefe die notwendige Erhöhung des Überdrucks in der Gesteinsschmeize ausgeglichen wird.