DE2554101C2 - Schmelzbohrgerät - Google Patents

Description

Durch diese Art der indirekten Energieübertragung und bedingt durch die Art der Energiequellen werden die Konstruktion und Arbeitsweise dieser Schmelzbohrgeräte kompliziert und erhöhen die Gesamtbohrdauer und Gesamtbohrkosten.

Die Subterrenetediinologie (Gesteinschmelzbohrtechnik) macht sich die Gesetzmäßigkeiten der Lithofractechnik zunutze, die auch der Hydrofractechnik zugrunde liegen. Die Hydrofractechnik wird bei der Erdöl-Gewinnung 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 in der Flüssigkeit die Scherkräfte des umhegenden Gesteins übersteigt und dadurch lange, schmale, diskusförmige Spalten entstehen läßt, deren Durchmesser das 500—600fache des Durchmessers vom Bohrloch erreichen. Von Lithofrac 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 Schmeizbohrgerät unterscheidet sich von den beiden obengenannten, vom Los Alamos Scientific Laboratory entwickelten Schmelzbohrgeräten durch folgende Vorteile:

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Die Erfindung betrifft ein Schmeizbohrgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1; ein solches Gerät kann mit Flüssigwasserstoff und Flüssigsauerstoff arbeiten, wobei die Übertragung der notwendigen Schmelzenergie auf das zu schmelzende Gestein direkt durch die Knallgasflamme erfolgt. Das Schmeizbohrgerät, kann in einem Untergrund beliebiger Beschaffenheit und einem Gestein beliebiger Härte und Temperatur eingesetzt werden. Es ist darüber hinaus, wie es im nachfolgenden aufgezeigt wird, im Prinzip 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 der Subterrenetechnologie des Los Alamos Scientific Laboratory, USA, auf, in dem auch zwei Schmeizbohrgerät-Varianten entwickelt wurden:

Typ 1: Elektrical Subterrene
Typ 2: Nuclear Subterrene

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 direkte Energieübertragung der Knallgasflamme auf das zu schmelzende Gestein ist

a) eine sehr hohe Schmelztemperatur möglich, da das wannefeste Material des Bohrkopfes nicht der Spitzentemperatur der Knallgasflamme von über 3000⁰C direkt ausgesetzt ist, sondern von der Gesteinsschmelze -umgeben ist, deren Temperatur um mehrere 100⁰C niedriger liegt, zudem kann der Bohrkopf von innen durch den flüssigen Brennstoff gekühlt werden,

b) die doppelte Höhe der Schmelztemperatur einsetzbar, wie sie über die indirekte 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 Bohrfortschritts-Geschwindigkeit.

Durch das direkte Aufschmelzen des Gesteins durch die Knallgasflamme entfallen für das Schmeizbohrgerät komplizierte Einrichtungen und

Kühlsysteme für die Energieversorgungseinheiten und für die Energieübertragung auf den Schmelzbohrkopf. Dadurch wird das mit Flüssigwasserstoff und Flüssigsauerstoff gespeiste Schmeizbohrgerät 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 auf minus 250⁰C bzw. auf minus 190⁰C 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

Das Schmelzbohrgerät kann mit Durchmessern von wenigen Zentimetern bis zu einigen Metern gebaut werden, dessen äußere Form entsprechend der gewünschten Bohrlochform 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 treten unter hohem Druck über Austrittsdüsen an der Spitze des Bohrkopfes aus und vereinigen sich zur KnaÜgasflamme, 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 3000⁰C erheblich über der der Gesteinsschmelze liegt. Die Bohrkopfspitze und die Austrittsdüsen werden von innen her durch eine Brennstoff-Kühlschlange gegen Korrosionsschäden geschützt Das bei dem Verbrennungsprozeß entstehende Wasser aus Wasserstoff und Sauerstoff erniedrigt den Schmelzpunkt des Gesteins und erhöht damit die Bohrfortschrittsgeschwindigkeit des Schmelzbohrgeräts. Das Schmelzbohrgerät erhält seine Schubkraft, die von einem Druck- und Steuerungsgerät über dem Bohrloch für die Fortschrittsbewegung geliefert wird, über Druckrohr bzw, Führungsgestänge sowie durch eine über dem Bohrgerät im Bohrloch reichende Wassersäule.

Beim Vorrücken des Bohrgeräts drückt sich die geschmolzene Gesteinsmasse entlang des Bohrkopfes bis in die Kühlzone des Bohrgerätkörpers 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 erreicht, die zwischen den mit auf minu£ 250⁰C gekühlten Wasserstoff und den auf minus 190⁰C gekühlten Sauerstoff gefüllten Kühlkammern und der Außenwand des Schmelzbohrgerätes im Bereich der Kühlzone eingebaut sind. Die Heat Pipes sorgen für einen schnellen Wärmeaustausch, so daß die Gesteinsschmelze die Wärine an den flüssigen Wasserstoff und Sauerstoff abgeben kann und erstarrt. Die erstarrte Gesteinsschmelze bildet entlang der Kühlzone zum einen eine feste und dichte Bohfloehversehalung, 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 ■'kherkräfte des umliegenden Gesteins übertrifft und lange, schmale Spalten ins Gestein reißt. Die Gesteinsschmelze dringt in diese Spalten ein und beschleunigt dadurch zum einen den Schmelz vorgang Uiid damit den Bohrfortschritt und zum anderen wird die überschüssige geschmolzene Gesteinsmasse in diese Spalten abgedrückt, so daß kein Abraumgestein beim Bohrvorgang entsteht Auf diese Weise entsteht für die glasartige BohrlochverschaJung eine Verankerung im umliegenden Gestein, die ihre Festigkeit außerordentlich erhöht.
Die Erfindungsaufgabe des Schmelzbohrgeräteir. besteht darin, die hohe Temperatur von etwa 3000⁰C, die bei der Vereinigung von Wasserstoff und Sauerstoff entsteht, direkt zur Aufschmelzung des Gesteins zu nutzen und den hochtemperaturfesten Bohrgerätkopf zum Einpressen der Gesteinsschmelze in das umliegende Gestein einzusetzen, das durch die »Lithofrac«-Wirkung der unter Druck stehenden Gesteinsschmelze aufgerissen wird und so das erschmolzene Gestein des Bohrlochraumes aufnimmt Gelöst wird die gestellte Aufgabe ber einem Schmelzbohrgere r der eingangs zitierten Art durch die im Anspruch 1 g-ekennzeichneten Einzelheiten. Die durch Auskühlung erstarrte Gesteinsschmelze bildet dabei eine verdichtete Bohrloch- bzw. Tunnelwandung.

Bekannt nach dem Stand der Technik sind »Sauerstofflaiiicn«, die mit Knallgas und verflüssigtem Sauerstoff zum Gesteinschmelzen verwandt werden, wenn es darum geht erschütterungslos Wände zu durchbohren. Bei diesen Wanddurchbrüchen stellt sich nicht das Problem der Gesteinschmelze-Abführung und der Bohrlochverschalung.

Mit der Methode der Lithofractechnik, die im Prinzip der Hydrofractechnik entspricht, wird beim Schmelzbohrvorgang

a) ein kontinuierliches Bohren mit hoher Fortschrittsgeschwindigkeit möglich

b) ein Bohrgutabtransport überflüssig und

c) eine Bohrlochverschalung beim kontinuierlichen Schmelzbo!:rvorgang miterstellt, die in ihrer Fe- -tigkeit 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 und großem Bohrlochdurchmesser nicht zuließen. Durch das Schmelzbohrgerät 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 Bohrfortschrittsgeschwindigk'jit erhöht sich mit zunehmender Eigentemperatur des zu durchbohrenden Gesteins.

In der Zeichnung ist in F i g. 1 ein Vertikalschnitt durch ein senkrecht nach unten arbeitendes Schmelzbohrgerät zu sehen t :)d in F i g. 2 eine Querschnittzeichnung, die die Lage der drei Druckrohre bzw. Führungs-

eo stangen 6 und die der Wasserstoff-Sauerstoffzuleitung 2 zeigen soll.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist das Schmelzbohrgerät an ein dreiteiliges, dickwandiges Druckrohr bzw. Führungsgestänge 6 starr befestigt. 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 Ad und 4e an die Kühlkammern Aa und Ab abgeben. Im Bereich der Kühlzone 4 findet der Wärmeaustausch mittels Heat Pipes 4czwischen der flüssigen Gesteinsmasse und dem 5 auf minus 250⁰C gekühlten Wasserstoff und dem auf minus 190° C gekühlten Sauerstoff in den Kühlkammern Aa und Ab statt. Die Gesteinschmelze kühlt im Bereich der Kühlzone 4 rasch ab und erstarrt zu einer festen, glasartigen Masse, während das verflüssigte Gas durch 10 die Wärmeaufnahme gasförmig wird und unter hohen Druck gerät Unter diesem Druck strömen die beiden Gase Wasserstoff und Sauerstoff über die Düsen la und

1 b aus und vereinigen sich zu der Knallgasfhmme 1, die unter hohem Druck und hoher Temperatur direkt auf 15 das zu schmelzende Gestein auftritt und sich in das Gestein einfrißt

Damit cirh auf prnfipn Rrthrlänapn Hac Oriirtra^ctän-

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ge 6 nicht verbiegt, werden in entsprechenden Abständen Druckrohrstabilisierungsringe 7 eingelegt, die die drei Druckrohre 6 und die Energiezuführungsleitungen

2 fest umschließen und sich gegen die Bohrlochwandung abstützen.

Über die hohlen Druckrohre 6 wird bei Bedarf Kühlwasser in den oberen Innenraum des Bohrgerätkörpers 5 gepumpt, das die Innenwände des Bohrgerätes oberhalb der Kühlzone 4 umspült und nach geleisteter Kühlarbeit sich oberhalb des Schmelzbohrgeräts als Wasserdrucksäule aufbaut.

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Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (4)

Patentansprüche:

1. Schmelzbohrgerät zum Bohren mittels der lithofracturingtechnik, bei der das Gestein zum Schmelzen gebracht und die Gesteinsschmelze in die dabei im angrenzenden Gestein erzeugten Spalten gedruckt sowie gleichzeitig auf der Bohrlochwand eine feste, undurchlässige Verschalung aus erstarrter Gesteinsschmelze gebildet wird, wobei das Bohrgerät mit einem konischen Schmelzkopf aus feuerfestem Material versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmelzbohrgerät Leitungen (2a, 2b) für die Zufuhr von verflüssigtem Wasserstoff und Sauerstoff aufweist, die jeweils im Bereich des Schmelzkopfes (3) nebeneinander ausmünden, wobei mindestens eine Knallgasflamme (1) erzeugbar ist, durch welche die Energie zum Aufschmelzen des Gesteins auf das zu durchbohrende Gestein übertragbar ist

2. Schmeizbohrgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das feuerfeste Material des Bohrkopfes (3) von innen her mittels der zugeführten Brenngase kühlbar ist

3. Schmelzbohrgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in emer Kühlzone (4) des Geräts der Gesteinsschmelze über Kühlschlangen (4c) Wärme entziehbar ist, die auf die Leitungen (2a, 2b) für die Zufuhr des verflüssigten Wasserstoffs und Sauerstoffs übertragbar ist

4. Schmelibohrgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich Kühlwasser über ein dreiteiliges hohles Druckrohrgestänge (6) in den Innenraum des Schmelzbohrger^tes oberhalb der Kühlzone (4) zur zusätzlichen Kühlung der Bohrlochverschalung einieitbar ist

1. durch die Energiequellen selbst (Durchbrennen des Reaktors) und

2. durch die thermische Belastungsgrenze des feuerfesten Schmelzkopf-Materials.