DE2808687A1

DE2808687A1 - Verfahren und anlage zum niederbringen von bohrloechern

Info

Publication number: DE2808687A1
Application number: DE19782808687
Authority: DE
Inventors: Wouter Hugo Van Eek; Arnold Willem Josephu Grupping
Original assignee: EEK WOUTER HUGO VAN PROF
Current assignee: EEK WOUTER HUGO VAN PROF
Priority date: 1977-03-04
Filing date: 1978-03-01
Publication date: 1978-09-07
Also published as: FR2382575A1; GB1597535A; NL7702354A; FR2382575B1; BE864538A; CA1076552A; US4191266A

Description

HUBERT BAUER PATENTANWALT

H. BAUER PAT.-ANW. · LOTHRINGER STRASSE 1!3/ECKEWILHELMSTRASSb - D-SIOO AACHEN

Deutsches Patentamt ZweibrUckenstr. 12

8000 München 2

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TKLKOHAMME: !"ATENTBAUER AACHEN

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B/Du (846)

AACIIKN

24. Febr. 1978

Patentanmeldung

Anm.: Professor Woυter Hugo van Eek, Groot Haesebroekseweg 56, NL - Wassenaar (Niederlande)

Bez.; Verfahren und Anlage zum Niederbringen von Bohrlöchern

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Niederbringen von Bohrlöchern in die Erdkruste mit Hilfe eines Meißelbohrers unter Benutzung kalter Bohrflüssigkeiten und erstreckt sich auf eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.

Es ist bekannt, Bohrungen mit Hilfe kalter Bohrflüssigkeiten, welche die Bohrlochwandungen einfrieren, in die Erdkruste niederzubringen. Bestimmte Tonformationen, die bei Benutzung nicht gekühlter BohrflUssigkeiten nicht stabil sind und den Bohrvorgang somit beeinträchtigen, behalten bei Benutzung gekühlter Bohrflüssigkeiten ihren Zusammenhang und bleiben am Platze. Außerdem können durch Benutzung dieser kalten^: Bohrflüssigkeiten mit hoher Leistung Bohrkerne aus nicht konsolidierten Gesteinsarten entnommen werden, weil diese Kerne gefrieren und während des Bohrvorgangs nicht leicht zerfallen.

Es ist einleuchtend, daß die Temperatur des zirkulierenden Mediums unter dem Gefrierpunkt der Flüssigkeiten in der zu gefrierenden Gesteinsformation zu liegen und dem Gefrierpunkt des zirkulierenden Mediums zu entsprechen oder ihn sogar zu übersteigen hat. Als Bohrmedium können verschiedenartige Flüssigkeiten dienen, wie beispielsweise Salzwasser, eine Salzwasserdicktrübe, Öl - ζ. B. Dieselöl - oder eine Öl-Wasser-Emulsion. Das Kühlen der Bohrflüssigkeit kann auf bekannte Weise geschehen, wobei oftmals hierfür festes Kohlendioxyd benutzt wird. Die Bohrlöcher können mit einem Isolationsmantel ausgestattet werden, damit bei der Beförderung des Mediums möglichst wenig Kälte verlorengeht.

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Ein besonderes Problem ist das Bohren von Löchern mit einem kleinen Durchmesser (sog. slim holes) durch Formationen, die weiche oder plastische Tone oder weiches Schiefergestein (slates) enthalten. Unter diesen Bedingungen ist der Bohrfortschritt mit den sog. Warzenmeißeln (insert bits), Diamantmeißeln ο. α. zum Bohren von harten Gesteinsarten geeigneten Meißeln infolge der sog. Klurnpenbildung (balling up) nur gering. Weil aber der Meißel möglichst lange auf der Bohrlochsohle bleiben soll, ist es eben wegen des geringen Verschleißes erwünscht, einen dieser Meißeltypen zu benutzen. Der Diamantmeißel ist im allgemeinen zu bevorzugen, weil es bei ihm keine Lager gibt.

Eine der erfindungsgemäßen Aufgaben ist es nunmehr, das Niederbringen von Bohrungen durch Gebirge, die Ton, weiches Schiefergestein u. dgl. enthalten, mit Hilfe von Meißeln, die sich besser für harte Gesteine eignen, zu ermöglichen·

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Bohrungen durch Gebirge, die weiche oder plastische Tone, weiches Schiefergestein u. dgl. enthalten, mit Hilfe von für härtere Gesteinsarten geeigneten Meißeln gebohrt, wenn die kalte Bohrflüssigkeit stets genügend Frigorien enthält, um wenigstens einen Teil des Gebirges im Bereich des Meißelkopfs zu gefrieren. Es wird hierfür die Verwendung eines Diamantmeißels bevorzugt.

Es hat sich herausgestellt, daß die vorerwähnte Klumpenbildung nicht auftritt, wenn zumindest das Gebirge im Bereich der Bohrlochsohle infolge ausreichender Wärmeentziehung durch die Bohrflüssig-

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keit gefroren ist. Dabei verwandelt sich der Nachteil, welcher der Verwendung eines Diamantmeißels an sich anhaftet, in einen Vorteil. Man kann die Rotationsgeschwindigkeit des Diamantmeißels steigern (z. B. von 100 - 200 U/min auf 400 U/min) und dabei gilt: je höher die Drehzahl des Meißels, je geringer der für jede Umdrehung erforderliche Vorschub, um im Endeffekt den gleichen oder sogar noch einen besseren Bohrfortschritt im Vergleich zu andersartigen Meißeln erreichen zu können. Die Folge des geringen Bohrfortschritts je Rotation besteht darin, daß es besser möglich ist, den Ton und ähnl. gering durchlässige Formationen im Bereich des Meißelkopfs dermaßen zu gefrieren, daß die oben erwähnte Klumpenbildung nicht auftritt. Es sei in diesem Zusammenhang bemerkt, daß das Gefrieren von Sandschichten und ähnl. durchlässigen Formationen sich gewöhnlich für die Verwirklichung des erforderlichen Bohrfortschritts erübrigt, weil diese Schichten gewöhnlich mühelos mit Diamantmeißeln durchbohrt werden können.

Aufgrund des vorgenannten, an sich bekannten Standes der Technik, wobei die Bohrlochwandung mit Hilfe einer Kaltspülung gefroren wird, wäre nunmehr das Durchbohren von Tonen und weichen Schiefergesteinsarten mit Meißeln, die sonst nur für harte Gesteinsarten geeignet sind, möglich. Dieses bekannte Gefrierverfahren hat aber den Nachteil, daß die der Bohrflüssigkeit zuführbare Kälte mengenmäßig gering ist. Da die Temperatur der Erdkruste mit der Teufe zunimmt, wird es unter einer gewissen Teufe nicht mehr möglich sein, eine ausreichende Kältemenge mit niedriger Temperatur heranzuführen, um die Umgebung der Bohrlochsohle ausreichend zu gefrieren. Die bekann-

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te Methode eignet sich daher nur zum Gefrieren von Bohrungen geringer Tiefe.

Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, daß Verfahren, wodurch die kalte Bohrflüssigkeit stets genügend Frigorien enthält, um einen Teil des Gebirges im Bereich des Meißelkopfs gefrieren zu können, besser zu gestalten und somit das Bohren mit Meißeln für harte Gesteine auch in weichen Gebirgsschichten in großer Teufe zu ermöglichen. Dabei soll die gefrorene Bohrlochwandung insofern die Funktion der üblichen Stahlbekleidungsrohre übernehmen, als es er möglicht wird, ohne diese Rohre Bohrlöcher in größere Teufe niederzubringen.

Auf diese Weise kann mit einem Meißel von geringerem Durchmesser ein Bohrloch angesetzt werden. Dies ist insbesondere beim Tiefseebohren günstig, weil dann ein Steigleitungssystem (Verbindung zwischen Bohrschiff und Seeboden) von nur geringem Durchmesser, vorzugsweise <:200 mm, benötigt wird und somit leicht zu handhaben ist.

Das Gefrieren von Bohrungen bis in große Teufen wird nunmehr dadurch ermöglicht, daß erfindungsgemäß eine Bohrflüssigkeit verwendet wird, die zu Festkörpern gefrorene oder erstarrte Flüssigkeitsteilchen enthält. Die Bohrflüssigkeit kann aus einer organischen Flüssigkeit, z. B. Öl, bestehen, worin sich Eispartikel befinden. Auch kann die Bohrflüssigkeit eine Öl-Wasser-Emulsion sein, deren Wasserpartikel zunächst gefroren sind. Die gefrorene wässrige Komponente kann eine wässrige Salzlösung vorzugsweise von etwa eutektischer Zusammensetzung sein.

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Vorzugsweise wird man aus umwelttechnischen Gründen sowie zur Brandverhütung eine wässrige Salzlösung als Bohrflüssigkeit von etwa eutektischer Zusammensetzung bevorzugen, in der Eis von mehr oder weniger gleicher Zusammensetzung wie die Flüssigkeit selbst aufgenommen ist.

Auf diese Weise wird der Kältewirkung der Bohrflüssigkeit die Schmelzkälte des eutektischen Eises hinzugefügt, wodurch weit mehr Frigorien je Zeiteinheit in das Bohrloch eingebracht werden können. Als Grundlage zur Herstellung von eutektischem DickspUlungseis können Lösungen vieler Salze bzw. Salzgemische gefroren werden, wie z. B. wässrige Lösungen von NaCl_?, MgCl« oder CaCl^. So ist eutektisches Eis von NaCl₉ ein sehr geeignetes Medium, das einen Schmelzpunkt von -21,12 C aufweist.

Das eutektische Eis wird auf eine der aus der Technik bekannten Weisen an der Erdoberfläche hergestellt und in fein verteiltem Zustand der gleichfalls auf die gleiche niedrige Temperatur gebrachten Bohrflüssigkeit zugemischt, wonach beide zusammen durch das Bohrgestänge in das Bohrloch gepumpt werden. Nachdem das Eis geschmolzen ist, tritt es als Bohrflüssigkeit zusammen mit der ursprünglich nicht gefrorenen Bohrflüssigkeit und dem Bohrgut durch den ringförmigen Raum zwischen dem Bohrgestänge und der Bohrlochwandung hinaus, wonach das Bohrgut abgesiebt oder sonstwie soweit wie möglich entfernt wird. Sodann wird ein Teil der gereinigten Bohrflüssigkeit der Eismaschine zugeführt und erneut eingefroren. Der Rest der Bohrflüssigkeit wird in einem Kühler auf etwa eutektische Temperatur gebracht, wonach beide Teile gemischt und wieder in das Bohrloch ein-

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gepumpt werden. Es entsteht auf diese Weise ein kontinuierlicher Zyklus in einem geschlossenen Kreislaufsystem. Evtl. kann auch die ganze Dickspülung durch die Eismaschine geführt und teilweise gefroren werden.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß während des Gefriervorgangs das Ausströmen von Flüssigkeit in das Gebirge oder das Zufließen von Gebirgswasser im Bereich der Bohrlochsohle möglichst beschränkt wird. Ein solcher Flüssigkeitszustrom könnte nämlich den Gefriervorgang beeinträchtigen, weil z. B. die nicht gefrierende Salzlösung in das Gebirge eindringt. Das Auftreten eines derartigen Stroms ist auch aus anderen Gründen, wie beispielsweise wegen der Möglichkeit, daß die Bohrflüssigkeit verdünnt wird, unerwünscht. Es wird deshalb angestrebt, den Druck der Flüssigkeitssäule im ringförmigen Raum zwischen dem Bohrgestänge und der Bohrlochwandung in der Bohrlochsohle etwa dem jeweiligen Druck der im zu durchbohrenden Gestein befindlichen Flüssigkeit anzugleichen. Dabei wird sogar ein etwas niedrigerer Druck bevorzugt.

Das beabsichtigte Ergebnis kann erreicht werden, wenn die Flüssigkeitssäule im genannten ringförmigen Raum ein niedriges spezifisches Gewicht hat, d. h. niedriger als das der eutektischen Salzlösung. Das niedrige spezifische Gewicht der Flüssigkeit läßt sich erhalten, indem man der durch das Bohrgestänge hinunterfließenden Bohrflüssigkeit ein Gas, z. B. Luft oder Stickstoff, zugibt. Die Bohrflüssigkeit bildet durch die Zugabe dieses Gases eine Art Schaum, dem ggf. auch Stabilisatoren beigemischt werden. Das Gas kann auch im gekühlten Zustand als Flüssigkeit zugemischt werden,

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wodurch die Abkühlung oder die kühlende Wirkung der Bohrflüssigkeit noch gesteigert wird. Statt eines Gases kann der wässrigen Bohrflüssigkeit eine leichte, nicht mischbare Emulsion bildende Flüssigkeit zugesetzt werden, z. B. Kohlenwasserstoff, wie Kerosin oder Dieselöl.

Wenn die Wichte der Flüssigkeit niedrig genug ist und der obere Teil des ringförmigen Raums zwischen Bohrgestänge und Bohrlochwandung mit mindestens einer Stopfbuchse mit kontinuierlich einstellbaren Drosseln ausgestattet ist, kann der Druck der Flüssigkeitssäule an der Bohrlochsohle geregelt werden. Der Überdruck an der Drossel kann so eingestellt werden, daß dieser Druck und der Druck der geschäumten Flüssigkeitssäule einschließlich Reibungsverluste im ringförmigen Raum zusammen unter dem Druck des Gebirgswassers liegen.

In der Zeichnung wird dies durch die graphische Darstellung gemäß Fig. 1 näher erläutert:

Auf der senkrechten Achse ist die Teufe unter der Erdoberfläche M aufgetragen und auf der waagerechten Achse der hydraulische Druck des Gebirgswassers (spez. Gew. =1). Die Kurve α zeigt diesen Druck bei zunehmender Teufe. Punkt A zeigt den Druck in χ Meter Teufe (z. B. 20 M Pa in 2000 Meter Teufe). Kurve b zeigt den Druck der Flüssigkeit im ringförmigen Raum in gleicher Teufe, falls die Flüssigkeit nur aus einem eutektischen Salzgemisch besteht (z. B. in 2000 Meter-Teufe 1,2 χ 20 = 24 ti Pa, wenn die Wichte der Flüssigkeit 1,2 beträgt). Punkt C der Kurve c zeigt den Druck, wenn die FlUs-

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sigkeitssöule durch Zusatz eines Gases leichter ist (Schaum). Der Abstand C-M ist der Druck an der Drossel, wenn der Druck der Flüssigkeitssäule im Bereich der Bohrlochsohle dem Druck des Gebirges entspricht. Die Kurve C stellt den Druckverlauf dar, wenn der Druck an der Bohrlochsohle etwas unter dem Gebirgsdruck liegt. Der Abstand C-M ist der jeweilige Druck an der Drossel bzw. der erforderliche Druck. Punkt S bezeichnet, in welcher Tiefe der Unterdruck in einen Überdruck bezogen auf den Gebirgsdruck übergeht.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, daß bei Verlängerung des Bohrgestänges durch zusätzliche Rohre der Zufluß von Gebirgswasser vorübergehend verhindert wird, indem man die Bohrlochwandung nötigenfalls bis zur Sohle durch leichte Erhöhung des Gegendrucks im oberen Teil des ringförmigen Raums gefriert. Weiterhin kann die schon genannte einstellbare Drossel derartig konstruiert sein, daß sie aufdie gesamte an der Tagesoberfläche vorhandene Bohrflüssigkeitsmenge anspricht. Eine Kontrolle des Bohrflüssigkeitsstandes in den verschiedenen oberirdischen Anlageteilen kann dazu erforderlich sein. Ein weiteres Mittel ist die kontinuierliche Bestimmung des Salzgehalts der Lösung.

Wie bereits dargelegt, ist es auch möglich, nur eine Salzwasserspülung mit Eis einzusetzen. In diesem Falle gibt es einen Überdruck im unteren Bereich des Bohrlochs. Es werden in diesem Falle FiI-tratverluste im durchlässigen Gebirge, wie Sandschichten, auftreten, wodurch ein Gefrieren dieses Gebirges ausgeschlossen ist.

Nicht durchlässige Gebirgsschichten, wie Tone, werden aber auch in

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diesem Falle noch gefrieren, wodurch die Möglichkeit zum Einsatz von Diamantmeißeln oder anderen für harte Formationen geeigneten Bohrern offenbleibt.

Es kann dann erforderlich sein, daß zur Vermeidung weiterer Bohrflüssigkeitsverluste diese Flüssigkeit mindestens einen die Bohrlochwandung verputzenden Stoff enthält. Dies ist erfindungsgemäß möglich bei Anwendung der schon genannten Dickspülung, in der eine kältebeständige Tonkomponente, wie Atapulgit und Flockgel, zur Verbesserung der verputzenden Wirkung enthalten ist.

Genauso wie eutektisches Eis in einer Eismaschine aus einer eutektischen Salzlösung hergestellt werden kann, läßt sich auch aus dieser Bohrflüssigkeit in einer Eismaschine Eis gewinnen. Dieses SpU-lungseis kann dann mit der gekühlten, noch nicht gefrorenen Bohrflüssigkeit vermischt werden. Wird dann das Gemisch von Eis und Flüssigkeit durch eine Gaseinspritzung oder durch Zusatz einer leichten nicht mischbaren organischen Flüssigkeit derart leichter gemacht, daß der Druck auf die Bohrlochsohle gerade etwas niedriger als der Gebirgsdruck ist, so wird diese Spülung mit der verputzenden Wirkung nicht oberhalb des Punkts S von Fig. 1 in durchlässiges Gebirge eindringen können, wodurch auch dieses Gebirge gefrieren wird. Eine Stopfbuchse mit einstellbaren Drosseln oben im ringförmigen Raum ist nach wie vor unentbehrlich. Wenn es erwünscht ist, können durch eine Drosselung der Gaszufuhr, nachdem das Bohrloch eine Zeitlang im Bereich des Meißels gut gefroren ist, Korrekturen vorgenommen werden. Die dadurch schwerer gewordene Dickspülung wird dann nicht in das Gebirge eindringen können.

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Will man aber nur die Formationen oder andere geringe oder gar nicht durchlässige Schichten gefrieren, kann man das Bohrloch auch mit der genannten verputzenden Bohrflüssigkeit ohne Zusatz eines Gases weiter abteufen, was ein zusätzlicher Vorteil ist, weil die Dickspülung an sich bereits solche Eigenschaften aufweist, die zur angemessenen Verputzung der nicht gefrorenen Schichten führen.

Sollte der Meißel in bestimmter Teufe auf eine Schicht stoßen, in der sich Flüssigkeit und/oder Gas unter einem Druck befindet, der weitaus höher ist als der hydrostatische Druck der Bohrflüssigkeit, so wird das Loch dadurch verschlossen werden können, daß man einen Packer, der sich in einiger Entfernung vom Meißel im Gestänge befindet, sich gegen die runde gefrorene Wandung des Bohrlochs ausdehnen läßt, während das Bohrgestänge innen mit einem Rückschlagventil ausgestattet werden kann. Es ist in diesem Zusammenhang noch besser, wenn man die Dickspülung durch Zusatz eines Gases aufschäumen läßt, also nicht durch Zusatz von Dieselöl oder Kerosin. Beim plötzlichen Anbohren von Schichten mit höherem Druck kann die Gaszufuhr sofort gesperrt werden. Die schon genannte Dickspülung mit ihren gut verputzenden Eigenschaften wird sogar beim Auftauen der Bohrlochwandung gewöhnlich keine nennenswerten Verluste mit sich bringen. Schließlich ist die Abscheidung eines Gases, wie Luft oder Stickstoff, an der Tagesoberfläche einfacher als die Abscheidung von Kerosin oder Dieselöl, obwohl solches durch das Ausmaß, indem schaumstabilisierende Chemikalien beigegeben werden, bedingt wird.

Die Erfindung wird weiterhin anhand von Fig. 2 der Zeichnung erläu-

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text, worin ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Anlage dargestellt ist.

Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt der Bohrung beim Niederbringen. Ein Kernmeißel T, der einen Kern 2 bohrt, ist über einen Spülmotor 3 und Schwerstartgen 4 on einem hohlen Bohrgestänge 5 befestigt, welches mit einem Isolationsmantel 6 ausgestattet ist. Der Motor 3 wird durch die Bohrflüssigkeit angetrieben. Es entsteht auf diese Weise ein Loch 7 in Erdschichten 8.

Die eutektische SalzwasserspLFlung wird hergestellt, indem man aus einem Teil der bohrflüssigkeit in einer Eismaschine 9 Eis gewinnt, das einem Saugbehälter Tl zugeführt wird, wo es mit der wässrigen Salzlösung vermischt wird, die in einem Kühler 12 abgekühlt ist und gleichfalls dem Saugbehälter 11 zugeführt wird. Das Gemisch wird durch eine andere Pumpe 14- angesaugt, fließt durch das hohle Bohrgestänge 5 hinunter durch die Öffnungen im Meißel 1 und steigt anschließend über den ringförmigen Raum zwischen dem Bohrgestänge 5 und einer Bohrlochwandung 15 bzw. einem Bohrlochschutzrohr 16 wieder hoch.

Das Bohrgestänge 5 ist außerdem mit mindestens einem Packer 17 ausgerüstet, der den ringförmigen Raum an der gefrorenen Bohrlochwandung 15 abschließen kann. Das hohle Bohrgestänge 5 kann mit Hilfe eines Rückschlagventils 18 automatisch gesperrt werden, um ein Zurückfließen der Flüssigkeit zu verhindern.

In der Verbindung zwischen dem Bohrlochschutzrohr 16 und einem

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Rüttelsieb 20 befindet sich zunächst ein Drosselventil 19 und danach ein Abscheider 21. Das Drosselventil 19 regelt aen erwünschten Gegendruck auf die Bohrlochsohle, und der Abscheider 21 trennt die Luft von der Dickspülung. Das Bohrmehl, ggf. die Kerne und evtl. noch Eis, wenn diese nicht im Abscheider 21 eingefangen sind, werden auf dem Rüttelsieb 20 aus der Bohrflüssigkeit entfernt, wonach die Dickspülung über einen Sammelbehälter 22 mit Hilfe einer Pumpe durch die Eismaschine 9 oder ggf. einen Kühler 12 verpumpt werden kann.

Eine zusätzliche Dickspülung bzw. Chemikalien können über einen Einlaß 23 in den Sammelbehälter 22 eingespeist werden. Schließlich wird die Luft mit Hilfe eines Verdichters 13 über eine Leitung 24 in das hohle Bohrgestänge 5 eingeführt.

Die Zone, die durch die gefrierende Dickspülung um das Bohrloch gefroren wurde, ist durch die gestrichelte Linie 25 markiert. Das Bohrgerät wird an der Tagesoberfläche durch eine in der Ölindustrie allgemein bekannte Hebevorrichtung betätigt. Die Kapazität dieser Hebeanlage kann bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens gewöhnlich niedriger sein als bei Anwendung der bisher üblichen Verfahren bei ähnlichen Teufen.

Die Erfindung betrifft schließlich auch eine Anlage, die es ermöglicht, mit Hilfe eines Bohrwerkzeugs, das normalerweise für harte Gesteine geeignet ist, Bohrlöcher mit einem Durchmesser von vorzugsweise weniger als 200 mm in Ton oder in weiches Schiefergestein enthaltende Formationen niederzubringen.

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Die erfindungsgemäße Anlage ist auch dadurch gekennzeichnet, daß im Bohrflüssigkeitskreislauf an der Tagesoberfläche zumindest eine Kältemaschine 12 zum Kühlen der Bohrflüssigkeit, ferner eine Eismaschine 9 zum Gefrieren eines Teils der Bohrflüssigkeit und schließlich Mittel 10, 11 und 14 vorgesehen sind, mit deren Hilfe die gekühlte und gefrorene Kühlflüssigkeit durch den Kreislauf gepreßt und dem Bohrgestänge zuführbar ist.

Außerdem kann ein Verdichter 13 vorgesehen sein, mit dessen Hilfe Gas in die Bohrflüssigkeit eingebracht wird. Die Kältemaschine 12 und die Eismaschine 9 können ggf. eine konstruktive Einheit bilden.

Schließlich sind zur Druckregulierung im Bohrloch mindestens eine Stopfbuchse und mindestens ein einstellbares Drosselorgan 19, z. B. im Anschlußstück vor dem Abscheider 21, vorgesehen.

Die Erfindung wird noch erläutert mit einem nicht beschränkenden Zahlenbeispiel (in SI-Einheiten):

Ein Bohrloch von 1500 m Teufe wird mit Hilfe eines Diamantmeißels, der mit Diamantpulver belegt ist, auf einen Durchmesser von 127 mm gebohrt. Die Länge des Meißels (drilling tool) mit dem Bohrmotor beträgt ungefähr 10 m. Die Bohrstange besteht aus Röhren von etwa 3 kg/m mit einem Außendurchmesser von 73 mm. Die Stange ist mit einem Isolationsmantel ausgestattet, der eine Dicke von 12, 5 mm aufweist, so daß der Gesamtdurchmesser des Gestänges 98 mm beträgt. Der Isolationswert des Mantels beträgt 0,3 W (mK).

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Die mittlere Bohrgeschwindigkeit beträgt 3 mm/sec. Die Gesteinstemperatur auf dem Boden des Bohrlochs beträgt 55 C bei einer Oberflächentemperatur von 10 C. Die Bohrflüssigkeit hat die nachfolgende Zusammensetzung: NaCl„ 296 g/l Wasser, Atapulgit 40 g/l V/asser, Flockgel 15 g/l Wasser. Die Massendichte (spezif. Gewicht) beträgt 1200 kg/m . Die plastische Viskosität beträgt 7 mPa s bei +20 C und 21 mPa s bei -20 C. Die scheinbare Viskosität beträgt 9,0 mPa s bei +20° C und 24,5 mPa s bei -20° C. Diese Bohrflüssigkeit enthält 10 VoI.-^ Eis derselben Zusammensetzung. Die Flüssigkeit wird in einer Menge von 8,2 l/s in Umlauf gebracht, tritt dabei im Bohrloch mit einer Temperatur von -20 C ein und mit einer Temperatur von -10 C aus. Die Menge der abzuführenden Wärme (= zuzuführende Frigorien) soll ca. 530 kj/s sein. Der Flüssigkeitsdruck an der Bohrlochsohle ist 17,6 MPa und unter Zufügung von Luft oder Stickstoff 14,8 MPa. Der Druck auf das Drosselventil 19 an der oberen Seite des Ringraums wird ungefähr 12 MPa betragen.

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L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Niederbringen von Bohrlöchern in die Erdkruste mit Hilfe eines Meißelbohrers unter Benutzung kalter Bohrflüssigkeit ten, dadurch gekennzeichnet, daß Bohrungen durch Gebirge, die weiche oder plastische Tone, weiches Schiefergestein (slates) υ. dgl. enthalten, mit Hilfe eines für härtere Gesteine geeig=> neten Meißels eingebracht werden, wobei die kalte Bohrflüssigkeit stets ausreichend Frigorien enthält, um wenigstens einen Teil des Gebirges im Bereich des Meißelkopfs zu gefrieren»

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung

eines Diamantmeißels·

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2_g dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrflüssigkeit bis zu Festteilen gefrorene ©d@r erstarrte Flüssigkeitspartikel zugegeben werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Bohrflüssigkeit eine organische Flüssigkeit, z_o B_e ©in öl_? ir» der Eispartikel enthalten sind,verwendet wird_o

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Bohrflüssigkeit eine Ül-Wasser-Emulsion, deren Wasserpartikel in erster Linie gefroren sind, verwendet

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder S₅, dadurch gekennzeichnet, daß

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™»«»MAL INSPECTED

als gefrorene wässrige Komponente eine wässrige Salzlösung verwendet wird, die vorzugsweise von etwa eutektischer Zusammensetzung ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als kalte Bohrflüssigkeit eine wässrige Salzlösung von etwa eutektischer Zusammensetzung verwendet wird, in der Eis von gleicher Zusammensetzung enthalten ist·

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Salz NaCl, MgCl. oder CaCl. verwendet wird.

9· Verfahren nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck der Flüssigkeitssäule im ringförmigen Raum zwischen dem Bohrgestänge und der Bohrlochwand so gewählt wird, daß er dem jeweiligen Druck der im gebohrten Gebirge befindlichen Flüssigkeiten etwa entspricht oder diesen Druck unterschreitet.

10· Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitssäule im ringförmigen Raum zwischen dem Bohrgestänge und der Bohrlochwand auf ein niedriges spez. Gewicht gehalten wird.

11· Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrflüssigkeit ein Gas beigegeben wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas in gekühltem und flüssigem Zustand beigemischt wird.

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13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Gas belade ie Bohrflüssigkeit einen Schaum bildet.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet^ daß dem Schaum ein Sterilisierungsmittel beigemischt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der wässrigen Bohrflüssigkeit eine leichte, nicht mischbare und eine Emulsion bildende FAüssigkeit, z. B. ein Kohlenwasserstoff, zugesetzt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 3 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck an der Bohrlochsohle im oberen Teil des ringförmigen, einen Kreislauf bildenden Raums mit Hilfe mindestens einer Stopfbuchse mit kontinuierlich einstellbaren Drosseln geregelt wird_o

17. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrflüssigkeit außerdem mindestens ein das Bohrloch verputzender Stoff zugegeben wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß als verputzender Stoff eine kältebeständige Schioferkomponente, beispielsweise Atapulgit und Flockgel, verwendet wird.

19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohr» flüssigkeit, welche aus einer wässrigen Salzlösung von etwa eutektischer Zusammensetzung besteht und verputzende Stoffe hält, abgekühlt und zumindest teilweise gefroren wird.

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20. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die niederzubringende Bohrung einen Durchmesser von < 200 mm erhält.

21. Anlage zum Bohren in Tone, weiches Schiefergestein (slates) υ. ähnl. weiches Gestein enthaltende Gebirgsschichten mit Hilfe von Bohrwerkzeugen, die gewöhnlich für härtere Gebirgsschichten angewendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Bohrflüssigkeitskreislauf (19, 20, 21, 22, 11 und 14) an der Tagesoberfläche zumindest eine Kälteanlage (12) zum Kühlen der Bohrflüssigkeit, eine Eismaschine (9) zum Gefrieren eines Teils der Bohrflüssigkeit sowie Mittel (10, 11 und 14) befinden, mit deren Hilfe die gekühlte und gefrorene Bohrflüssigkeit vermischt durch den Kreislauf preßbar und dem Bohrgestänge zuführbar ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Kältemaschine (12) und die Eismaschine (9) zu einer konstruktiven Einheit gestaltet sind.

23. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (13) vorgesehen sind, mit deren Hilfe der Bohrflüssigkeit im oberen Teil des Bohrgestänges (5) ein Gas zusetzbar ist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Mittel einen Verdichter (13) umfassen.

25. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß im oberen Teil des ringförmigen Raums zwischen dem Bohrgestänge (5)

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und der Bohrlochwandung (15) mindestens eine Stopfbuchse und zumindest eine einstellbare Drossel (19) vorgesehen sind.

26. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß sich über dem Bohrmeißel (1) ein Packer (17) befindet, mit dem der ringförmige Raum zwischen dem Bohrgestänge (5) und der gefrorenen Bohrlochwandung (15) absperrbar ist.

27. Verfahren nach den Ansprüchen 7 bis 16, gekennzeichnet durch die Verwendung von Mitteln zur kontinuierlichen Bestimmung des Salzgehaltes der Bohrflüssigkeit.

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