EP1157187B1 - Metallschmelze-bohrverfahren - Google Patents
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Classifications
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B4/00—Drives for drilling, used in the borehole
- E21B4/06—Down-hole impacting means, e.g. hammers
- E21B4/14—Fluid operated hammers
Definitions
- the present invention relates to a melt-drilling method for introduction dimensionally accurate bores, in particular of large diameter, in rock, at the Abraumschmelze in by the effect of temperature and pressure Cracked surrounding rock is compressed and during drilling By solidifying melt a borehole casing is created.
- This known drill head made of a high temperature resistant metal, such as e.g. Molybdenum or tungsten is, by means of heating elements on a Temperature above the melting temperature (1000 - 2000 ° C) of the rock heated and by means of consuming extensible jacking rods under high Pressure in the rock, which then melts pressed.
- a high temperature resistant metal such as e.g. Molybdenum or tungsten
- the drill head is subject to the Corrosion of the molten rock a great wear, so that this sometimes has to be changed.
- a melt drilling rig and a method of operating the plant, which are of the compression of the overburden into the surrounding rock and the Borehole casing makes use of is also known from DE 195 01 437 A1 known.
- the device described here is used in salt tunnels and uses the molten salt itself as a drilling medium.
- the known systems must be equipped with complex supply lines be equipped to the enormous amount of energy over several kilometers Drill depth to be fed to the drill head for heating.
- the object of the invention is an energy-saving universally applicable To provide drilling method with which in each rock substrate, both horizontal as well as vertical, especially in continuous jacking Deep holes, shafts and tunnels, especially with large ones Borehole diameters, e.g. more than 1 meter, ready-made can be.
- the invention also aims to special materials for general Use to be proposed in melt drilling methods.
- Bohrmedium a metal-containing melt through line elements the is fed by melting to be worn borehole bottom.
- heated metal containing to carry out the drilling process Melt which is understood to mean pure molten metal, e.g. Molten iron of about 2000 ° C filling temperature, as low viscosity Drilling medium is poured into the drilling direction in the first line element, so that the molten metal directly above the bottom of the hole from the last Leaves line element and the rock of the bottom of the hole melts and erodes.
- Melt which is understood to mean pure molten metal, e.g. Molten iron of about 2000 ° C filling temperature, as low viscosity Drilling medium is poured into the drilling direction in the first line element, so that the molten metal directly above the bottom of the hole from the last Leaves line element and the rock of the bottom of the hole melts and erodes.
- the solidified melt which is also a melt mixture of Metal and rock can form, forms between conduction element and Drill hole inside a pressure seal, so that due to the extremely high Temperature gradients in the rock and the pressure generated automatically Tearing of the rock material takes place, especially the lighter Abraumschmelze is pressed into the surrounding rock.
- the loss of molten metal which is due to the compression and the Solidification can, at the beginning of the hole, the first line element through a tracking of molten metal can be compensated.
- This tracking can be both continuous and discontinuous, since the volume of on the bottom of the hole upstanding melt column acts as a stock.
- the method of the invention thus opens up the possibility, even at depths of over 10 kilometers in a single step downhole holes, without promoting the wellbore melt and use coolant, with this method at temperatures above 3000 ° C, rock pressures of above 100 ⁇ 10 6 Pa (1000 bar), melt cutting pressures of up to 1000 ⁇ 10 6 Pa (10,000 bar) or more, and with a line element weight of over 10,000 t at the drilling target, which conventional mechanical drilling technology can not provide.
- melt used as a drilling medium magnetic metals, e.g. Contains iron, cobalt or nickel, or completely consists of such a metal or metal alloys.
- magnetic metals e.g. Contains iron, cobalt or nickel, or completely consists of such a metal or metal alloys.
- erfindungsgmä O method can also be used with various non-magnetic Molten metals, e.g. Copper can be worked, but offers e.g. Iron smelting here in particular, since the cost of such Melt are low, iron is readily available and at atmospheric pressure one high evaporation point of about 3000 ° C has.
- the drilling devices can not only be the invention Device, but to act around all the Schmelzbohrvortechnischen, as e.g. out US Pat. No. 3,357,505 and especially DE 2 554 101 are known.
- the line elements that are preferred for Implementation of the method according to the invention are used, such formed in that with the melted or solidified melt mass in Contact surfaces are made of a high temperature resistant material.
- the material is e.g. so chosen that its coefficient of friction is less than 0.5 and the material a has low surface tension to ensure that between Material and melt no wetting takes place.
- Graphite can be used as a material material for the drilling device and in particular for the line elements meet all required requirements. This is graphite For example, parallel to the stratification, a good heat and electricity conductor, acts but perpendicular to the stratification as an insulator. Graphite can therefore be used for thermal Isolation of the molten metal and also used for power line. It has Furthermore, a high strength and high lubricity, can be like metal edit and in the green state dimensionally pre-form and traversformen.
- graphite lies in the fact that it is both of metal as well as the rock melts, as desired, is not wetted and at Normal pressure in a non-oxidizing atmosphere to about 3000 ° C temperature resistant is.
- graphite is characterized by the fact that the Strength with increasing temperature also increases, the train or Compressive strength at about 2500 ° C its maximum of about 100 or 400 MPa reached.
- the drilling method is preferably under Schutzgasatmos Georgre carried out, or at least started.
- the protective gas is Argon, which does not by itself prefer due to its high density escapes the borehole. As drilling progresses, the Graphite elements no longer an oxygen atmosphere, so that the Protective gas supply can be adjusted.
- conduit elements used for the process are substantially individual cylinder pieces, in particular from the graphite to be understood, which have a central bore.
- the individual cylinder pieces where the ratio of outside diameter to large inside diameter, and in particular larger than 10 to 1, can be joined together so that a graphite tubing is formed in the Melt drilling method according to the invention both the function of Melt drilling head, drill rig body and supply and pressure linkage takes over.
- the melt can additionally be heated by electricity to ensure that the melt in the heated liquid state reaches the bottom of the hole.
- an iron melt as an electrically conductive liquid both the Function of the energy transport to the meltable rock as well as the Take over the function of the conductor.
- the flow of current can here at a topmost line element, i. at the Start of the hole through the metal melt guided in the line elements, via the molten metal present at the bottom of the hole back over the outer solidified metallic borehole casing to be closed. It is too possible, the flow through the graphite tubing to the melt above the To conduct borehole bottom.
- the current for heating the molten metal can in this case directly or inductively in the Melt be coupled.
- Conducting elements e.g. further graphite cylinders on the respective previous element be attached.
- the thickness of the melt cushion under the graphite tubing is about 10 centimeters.
- the drilling speed is about 5 mm per second, with too Note that the hole according to the invention without a Bohrkopf circuit, done without cooling and without promotion of overburden.
- a Bohrkopf crisp is unnecessary because of the graphite existing line elements may be mechanically identical, so that a any burn on the lowest element is not detrimental. However, should Care should be taken here that the exposed to a possible burn each lowest cable segment in the vicinity of the combustion zone none having electrical elements whose burnup destroys or malfunctions leads.
- An essential point of the inventive concept is that between the solidified cast metal well casing and the outside of graphite existing pipelines due to the extraordinary Material properties of the graphite no obstructive adhesion arises, so that the graphite tubing actually without significant friction losses in the depth can slide and later is just as easy to lift.
- Electromagnetic control tensile, holding or compressive forces on the Line elements are exercised.
- the depth of gravity of the Line elements is therefore manipulated, so that the thickness of the Melt pad on which the conduit elements are adjustable.
- the later uplift can be further facilitated by the fact that the finished Borehole supportive flooded with particular pressurized water is, wherein in the case of intended fluid mining or energy training of the lower production range of such a well remains uncoated and the Melt-glazed borehole wall under the delivery pressure of the water broken up and released the fluids or high temperature geothermal water become.
- controllable magnetic devices which act as a valve for the supplied molten metal, so that the Flow of the molten metal can be influenced in the interior of the line elements.
- valves (solenoid valves) according to the invention, it is possible that in each line element by locking the solenoid valve a Part of the entire molten metal strand rising on the bottom of the borehole is worn, so that the increasing weight of the molten metal strand on several breakpoints can be distributed, which result from the fact that the individual line elements of the graphite tube strand with the holding / guiding magnet held in the cast iron casing of the well become.
- the weight pressure of the molten metal column It is possible to vary the weight pressure of the molten metal column. It can be supplied to the bottom of the well, for example, by the targeted opening of the gas valves a predefined amount of molten metal or impulsively the entire weight of the molten metal strand in the bottom of the hole come into effect by simultaneous opening of all solenoid valves. At a depth of 10,000 m, the pressure of the molten iron column already exceeds 700 ⁇ 16 6 Pa (7000 bar).
- pulse-like control of the valves can be in the melt above the Borehole bottom causing a vibration that causes a suction effect, thereby freed the bottom of the hole from molten rock and so the Drilling progress increased.
- the magnetic devices according to the invention for the formation of Holding / guiding magnets or solenoid valves or others Control devices whose effects are based on magnetic forces can e.g. consist of embedded in insulating graphite conductive graphite coils. It is also conceivable, the devices from in coil-shaped graphite channels to form flowing molten metal. Here, the channels in the graphite be formed existing Kauslementen.
- melt-drilling process in a protective gas-filled pilot hole begins, which is lined with a metal tube, which at the surface, is anchored in particular in a reinforced concrete ceiling.
- This steel pipe Pre-drilling should have a depth of about 30 to 50 meters, taking at least the bottom meter of metal piping should be left free.
- the reinforced concrete ceiling is designed to be thick and surrounds the well bore over a large area, thus at the start of the molten metal drilling operation and at the onset crushing of the molten rock and possible molten metal parts in the surrounding rock a breakthrough of Melt is prevented to the surface.
- the first hole is turned off in the metallic pre-drilled hole Lowered line element, which by means of a manipulator device and / or takes place with the help of arranged in the elements guide / holding magnets.
- the molten metal is in the interior of the pipe filled until the molten metal between the inserted into the well Conduit elements and the inner wall of the conventional pilot hole to the Ascending edge of metal tube shuttering. There she connects to this by welding.
- the diameter of the graphite tubing is so too dimensioned that the outside of the pipe elements and the inside of the Metal tube in the heated state abut each other to a Penetrate the liquid molten metal to prevent.
- the lowermost acting as a drill pipe element at least one Magnetpumpen- / nozzle arrangement, by means of which the molten metal in Form shot at least one melt jet on the bottom of the hole can be.
- induction coils by the flowing Molten metal itself may be formed (corresponding coil-shaped Flow channels in the drill head), it is possible to overheat the melt jet in such a way that a jet of extraordinarily high temperature of several thousand degrees or a plasma jet with which an extraordinary rate of drilling progresses reach.
- This superheated melt or plasma jet generated when entering the Melt a local overheating, especially in the middle area, so that there the rock erosion is optimized.
- the Melting jet directed to the places in the borehole bottom, where the removal is lowest.
- About the uneven rock erosion in the borehole bottom can be such picture that electrical pulses e.g. over the melt column and / or the graphite pipeline sent to the bottom of the hole and the duration of the there reflected pulses are measured.
- About the area of Melting column / graphite tube and the duration of the pulses can be such a create topographic image of the bottom of the borehole, evaluate it and evaluate one Achieve control of the melt jet.
- the drilling process can be advantageously also optimized by the Melt is rotated above the bottom of the hole in rotation, so that the towards the molten metal lighter rock melt upwards and through the centrifugal force is conveyed to the outside and pressed into the cracks.
- the rotation of the melt can be effected by the magnet arrangement which also deflects the melt jets.
- the axis of rotation of the melt is given by the melt jet, so that the axis of rotation of Melt is adjustable.
- the controls may be around at least three conductor in contact with the melt act in the line elements are embedded. By controlling these conductors with Polyphase flow, a Schmelzerotation can be achieved. By different currents at the phases will be the axis of rotation of the rotating melt, in particular by about up to 60 °.
- melt fractions are heated by the current flow, whereby the Melt fractions remain liquid and by gravity back towards Fall back to the bottom of the hole.
- a recovery of the molten metal fractions from the rock tears is also still favored by that arranged by the in the line elements Magnets exerted an attraction on the pressed molten metal parts can be.
- a schematic embodiment of the invention is shown in the figure shown.
- the pre-drilling with insertion and anchoring of a thick-walled metal pipe (3), e.g. Made of steel, in the underground ensures the start of the molten metal drilling process without additional cooling.
- the control of the molten metal cone (14) takes place in the Line elements provided control lines from the surface.
- the molten iron and the liberated rock melt fill the available Space around the drill head element (18) of the graphite tubing (1) under pressure increase in the melt.
- Part of the molten iron is above the drill head element (18) of the holding magnet (8) to the graphite tubing (I) in a desired Strength, such as the metal tube of the pilot hole, concentrated and to a uniform cast iron casing (11) in continuously progressive Melt drilling process formed.
- the lighter rock melt drifts on and under the pressure of the pumped melt or under pressure of advancing graphite tubing (1) because of the rock splitting into Side rock pressed.
- Compressed iron melt is subject to heating by means of current flow and flows when advancing the graphite tubing (I) due to gravity back into the deeper melting zone around the Melt cone (14) back.
- the drilling progress rate increases with the temperature and relative Pressure increase in the melt beam compared to the ambient melt and its impulse sequence (suction effect) as well as with the circulating speed of the Melting jet or the rotational speed of the rotating melt.
- the weight of the graphite casing string increases (1) along with molten metal strand, until its weight and that for the Melt compression necessary pressure in the molten zone in equilibrium and the graphite tubing (1) slides on a melt pad.
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Schmelzbohrverfahren zur Einbringung
maßhaltiger Bohrungen, insbesondere von großem Durchmesser, in Gestein, bei
dem die Abraumschmelze in das durch Temperatur- und Druckeinwirkung
aufgerissene Umgebungsgestein verpreßt wird und bei dem während des Bohrens
durch erstarrende Schmelze eine Bohrlochverschalung erstellt wird.
Das Einbringen von Bohrungen in Gestein, mittels der Aufschmelzung des
abzutragenden Gesteins, ist allgemein bekannt. So offenbart z.B. das Dokument
US 3357505 einen Bohrkopf, mit dem die Aufschmelzung von Gestein betrieben
wird.
Dieser bekannte Bohrkopf, der aus einem hochtemperatur-beständigen Metall, wie
z.B. Molybdän oder Wolfram besteht, wird mittels Heizelementen auf eine
Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur (1000 - 2000°C) des Gesteines
aufgeheizt und mittels aufwendig verlängerbarer Vortriebsgestänge unter hohem
Druck in das Gestein, welches sodann aufschmilzt, eingepreßt.
Die Problematik des Abtransportes der im Bohrvorgang entstehenden
Abraumgesteinsschmelze, wird hier dadurch gelöst, daß die Gesteinsschmelze in
eine Öffnung des Bohrkopfes eindringt und sodann, durch einen schnellen
Gasstrom innerhalb eines Führungsrohres an die Oberfläche befördert wird.
Trotz der widerstandsfähigen Materialien unterliegt der Bohrkopf durch die
Korrosionseinwirkung des geschmolzenen Gesteins einem großen Verschleiß, so
daß dieser mitunter gewechselt werden muß.
Es ist weiterhin bekannt, die Abraumproblematik dadurch zu lösen, daß neben
dem naturgemäß am Bohrkopf vorherrschenden extrem hohen
Temperaturgradienten zwischen der Gesteinsschmelze und dem umliegenden
festen Gestein die Schmelze einem hohen Druck ausgesetzt wird, um durch
Temperatur-/Druckbeanspruchung eine Spaltbildung und ein Aufreißen des
umliegenden festen Gesteins zu bewirken, in das die Abraumgesteinsschmelze
verpreßt werden kann. Insofern ist es durch diese Methode nicht länger
erforderlich, das Abraummaterial an die Oberfläche zu fördern.
Ebenfalls ist es bekannt, daß bei der Herstellung von Schmelzbohrungen die
Gesteinsschmelze um den Bohrkopf herum gepreßt wird, so daß die Schmelze
oberhalb und um den Schmelzbohrkopf herum insbesondere auch aufgrund
vorgesehener Kühlmaßnahmen erstarrt und das Bohrloch mit einer gleichmäßigen
glasigen Schmelzschicht verschalt.
Eine derartige Vorrichtung, bei der das Gestein durch eine H2/O2 - Flamme
geschmolzen wird, ist aus der DE 2 554 101 bekannt.
Eine Schmelzbohranlage und ein Verfahren zum Betrieb der Anlage, welche von
der Verpressung des Abraumes ins umliegende Gestein und der
Bohrlochverschalung Gebrauch macht ist auch aus der DE 195 01 437 A1
bekannt. Die hier beschriebene Vorrichtung wird in Salzstollen eingesetzt und nutzt
das aufgeschmolzene Salz selbst als Bohrmedium.
Bei den bekannten Vorrichtungen ergibt sich die Problematik, daß durch die
oberhalb und um das Bohrgerät erstarrende Schmelze eine Haftung zwischen
Bohrgerätewandung und Bohrlochverschalung entsteht, die üblicherweise durch
spezielle hydraulische Vortriebs- und Hebeanlagen für einen weiteren Bohrvortrieb
überwunden werden muß.
Dementsprechend muß bei den bekannten Verfahren, mit einem stetigen
hydraulischen Andruck gearbeitet werden, was die gesamte Bohranlage sehr
aufwendig macht, da diese für enorme Drücke von bis zu mehreren tausend
Tonnen ausgelegt sein muß.
Eine aus der US 5 168 940 bekannte Bohrvorrichtung verwendet für den Bohrkopf
eine Metallkeramik-Mischung, um Abnutzung zu verringern und Adhäsionskräfte
zwischen Bohrkopfoberfläche und Gesteinsschmelze leichter zu überwinden.
Die bekannten Anlagen müssen mit aufwendigen Versorgungsleitungen
ausgestattet werden, um die enorme Energiemenge über mehrere Kilometer
Bohrtiefe dem Bohrkopf zur Beheizung zuzuführen.
Aufgrund des Umschmelzens des Bohrkopfes gestaltet sich hier ebenfalls das
spätere Heben des Bohrgeräts problematisch.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein energieeinsparendes universell einsetzbares
Bohrverfahren bereitzustellen, mit dem in jedem Gesteinsuntergrund, sowohl
horizontal als auch vertikal insbesondere im kontinuierlichen Vortrieb
Tiefstbohrungen, Schächte und Tunnel, insbesondere mit großem
Bohrlochdurchmessern, von z.B. mehr als 1 Meter, nutzungs-fertig eingebracht
werden können.
Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Durchführung dieses Verfahrens zur Verfügung zu stellen, mit dem ein
Schmelzbohrprozeß ohne zusätzliche Kühlungsmaßnahmen, ohne zeitaufwendige
Bohrgestänge-Montagen, ohne bewegliche Bauteile, ohne Bohrkopf-Wechsel,
ohne Abraum-Förderung und ohne nachträgliche Verschalungs- und
Verrohrungsarbeiten kostengünstig und einfach durchgeführt werden kann.
Die Erfindung stellt ebenfalls darauf ab, spezielle Werkstoffe zur generellen
Verwendung bei Schmelzbohrverfahren vorzuschlagen.
Diese Aufgaben werden unter anderem erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als
Bohrmedium eine Metall enthaltende Schmelze durch Leitungselemente dem
durch Aufschmelzung abzutragenden Bohrlochgrund zugeführt wird.
D.h., daß zur Durchführung des Bohrverfahrens erhitzte Metall enthaltende
Schmelze, unter der auch reine Metallschmelze zu verstehen ist, z.B.
Eisenschmelze von etwa 2000° C Einfülltemperatur, als niedrigviskoses
Bohrmedium in das in Bohrrichtung erste Leitungselement eingegossen wird, so
daß die Metallschmelze direkt über dem Bohrlochgrund aus dem letzten
Leitungselement austritt und das Gestein des Bohrlochgrundes aufschmilzt und
abträgt.
Das Abtragen des aufgeschmolzenen Abraumgsteines wird hierbei dadurch
begünstigt, daß das Gestein eine deutlich geringere Dichte als die Metallschmelze
hat, so daß die Gesteinsschmelze automatisch auf der Metallschmelze
aufschwimmt. Der Bohrlochgrund wird somit selbsttätig und kontinuierlich von der
aufgeschmolzenen Gesteinsschmelze befreit.
Durch den hohen statischen Druck, der sich durch die in den Leitungselementen
stehende Metallschmelzesäule ergibt, wird bewirkt, daß in dem
erfindungsgemäßen Verfahren, die aus dem untersten Leitungselement
austretende Metallschmelze mit dem Abraummaterial (Gesteinsschmelze)
zwischen die Außenseite der Leitungselemente und die Bohrlochinnenwand
geführt wird, wo sie im Laufe des Bohrfortschritts erstarrt. Da der Bohrprozeß ohne
weitere Kühlungsmaßnahmen erfolgt, ergibt sich gegenüber bekannten
Schmelzrohrverfahren eine Energie- und Kosteneinsparung von über 50%.
Die erstarrte Schmelze, bei der es sich auch um eine Schmelzemischung aus
Metall und Gestein handeln kann, bildet zwischen Leitungselement und
Bohrlochinnenwand einen Druckverschluß, so daß aufgrund der extrem hohen
Temperaturgradienten im Gestein und des erzeugten Druckes automatisch ein
Aufreißen des Gesteinsmateriales erfolgt, wobei vor allem die leichtere
Abraumschmelze in das Umgebungsgestein verpreßt wird.
Der Schwund an Metallschmelze, der sich durch die Verpressung und die
Erstarrung ergibt, kann am Bohrungsanfang, am ersten Leitungselement durch
eine Nachführung von Metallschmelze kompensiert werden. Diese Nachführung
kann sowohl kontinuierlich als auch diskontinuierlich erfolgen, da das Volumen der
auf dem Bohrlochgrund aufstehenden Schmelzesäule als Vorrat wirkt.
Insofern ist es erfindungsgemäß möglich, in einem kontinuierlichen Bohrvorgang
durch Gesteinschmelzeverpressung ein formstabiles verschaltes, insbesondere
metallguß-verschaltes Bohrloch herzustellen, welches große Durchmesser, z.B.
von mehr als 1 Meter und im wesentlichen beliebige Profile aufweisen kann, wobei
aufgrund der automatischen Metallgußverschalung dieses Bohrloch ohne weitere
Nachbearbeitung seiner Nutzungsbestimmung zugeführt werden kann. Hierbei
kann die Bohrung nicht nur senkrecht, sondern auch horizontal sowie unter
anderen Winkeln zur Erdoberfläche erfolgen, so daß Bohrungen für die
unterschiedlichsten Verwendungszwecke wie z.B. Geotherm-Kraftwerke,
Versorgungsleitungen oder Tunnel erstellt werden können.
Dies bedeutet, daß in dem erfindungsgemäßen Metallschmelze-bohrverfahren in
einem einzigen Arbeitsgang ein Bohrloch erschmolzen, die Bohrlochschmelze ins
Seitengestein verpreßt und aus der erkalteten Gesteinsschmelze eine
druckverpreßte stabile Bohrlochverschalung entsteht, die gleichzeitig noch durch
eine nahtlose Metallwandung verrohrt wird.
Vorteilhafterweise eröffnet das erfindungsgemäße Verfahren somit die Möglichkeit,
Bohrlöcher der genannten Dimensionen selbst in Tiefen von über 10 Kilometer in
einem Arbeitsgang metallverschalt niederzubringen, ohne die Bohrlochschmelze
fördern und Kühlmittel einsetzen zu müssen, wobei mit diesem Verfahren bei
Temperaturen von über 3000° C, Gebirgsdrücken von über 100·106Pa (1000 bar),
Schmelzeschneiddrücken von bis zu 1000·106Pa (10 000 bar) oder mehr und mit einem
Leitungselementegewicht von über 10 000 t am Bohrziel gearbeitet werden kann,
was die herkömmliche mechanische Bohrtechnik nicht leistet.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn die als Bohrmedium eingesetzte Schmelze
magnetische Metalle, wie z.B. Eisen, Kobalt oder Nickel enthält, bzw. vollständig
aus einem solchen Metall oder Metall-Legierungen besteht. Bei dem
erfindungsgmäßen Verfahren kann auch mit verschiedenen nichtmagnetischen
Metallschmelzen , wie z.B. Kupfer gearbeitet werden, jedoch bietet sich z.B.
Eisenschmelze hier in besonderem Maße an, da die Kosten einer derartigen
Schmelze gering sind, Eisen leicht verfügbar ist und bei Atmosphärendruck einen
hohen Verdampfungspunkt von ca. 3000° C hat.
Durch die Verwendung einer magnetischen Schmelze ergibt sich, wie später
erklärt wird, die Möglichkeit die gesamte Bohrvorrichtung elektromagnetisch zu
manipulieren bzw. zu steuern.
Da in dem Schmelzbohrverfahren bereits bei Atmosphärendruck mit einer
überhitzten Eisenschmelze von ca. 3000° C gearbeitet werden kann, werden an
die Leitungselemente, durch die die Eisenschmelze dem Bohrlochgrund zugeführt
wird, höchste Materialanforderungen gestellt.
Es wird generell vorgeschlagen, die verschiedenartigsten Bohrvorrichtungen zur
Herstellung von Schmelzbohrungen in Gestein, mit denen das abzutragende
Gestein aufschmelzbar ist und mittels derer durch die im Schmelzvorgang
und/oder in das Bohrloch eingebrachte Schmelze eine aus erstarrter Schmelze
gebildete Bohrlochverschalung erstellbar ist, in vorteilhafter Weise derart
auszugestalten, daß die mit der geschmolzenen oder erstarrten Schmelzemasse in
Kontakt stehenden Flächen der Bohrvorrichtung aus einem hochtemperaturfesten
Werkstoff bestehen.
Bei den Bohrvorrichtungen kann es sich nicht nur um die erfindungsgemäße
Vorrichtung, sondern um alle Schmelzbohrvorrichtungen handeln, wie sie z.B. aus
der US 3 357 505 und insbesondere der DE 2 554 101 bekannt sind.
Hier ist zu beachten, daß unter dem Begriff Schmelze sowohl die bei den
herkömmlichen Verfahren entstehende reine Gesteinsschmelze als auch die
entsprechend dem hier vorgestellten erfindungsgemäßen Verfahren in das
Bohrloch eingebrachte Schmelze bzw. die entstehende Misch-Schmelze aus
beiden zu verstehen ist.
Dementsprechend werden bevorzugt auch die Leitungselemente, die zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt werden, derart
ausgebildet, daß die mit der geschmolzenen oder erstarrten Schmelzemasse in
Kontakt stehenden Flächen aus einem hochtemperaturfesten Werkstoff bestehen.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung sind zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens die Leitungselemente insgesamt aus dem
bevorzugten Werkstoff gefertigt, da hierdurch eine Verbundkonstruktion und eine
übermäßige Komplexität der Einzelkomponenten vermieden wird.
Um eine Haftung zwischen der erstarrten Schmelze und den Elementen von
Bohrvorrichtungen und insbesondere der Leitungselemente der
erfindungsgemäßen Bohrvorrichtung zu verhindern, ist der Werkstoff z.B. so
gewählt, daß sein Reibungskoeffizient kleiner 0,5 ist und der Werkstoff eine
geringe Oberflächenspannung aufweist, um zu gewährleisten, daß zwischen
Werkstoff und Schmelze keine Benetzung stattfindet.
Als ausgewähle Werkstoffe eignen sich z.B. Graphit oder auch
Metallverbundkeramiken.
Graphit kann als Werkstoffmaterial für die Bohrvorrichtung und insbesondere für
die Leitungselemente allen geforderten Ansprüchen gerecht werden. So ist Graphit
beispielsweise parallel zur Schichtung, ein guter Wärme- und Stromleiter, wirkt
aber senkrecht zur Schichtung als Isolator. Graphit kann daher zur thermischen
Isolation der Metallschmelze und auch zur Stromleitung eingesetzt werden. Es hat
weiterhin eine hohe Festigkeit und eine hohe Gleitfähigkeit, läßt sich wie Metall
bearbeiten und ist im Grünzustand maßhaltig vor- und auszuformen.
Ein besonderer Vorteil von Graphit liegt weiterhin darin, daß es sowohl von Metall
als auch von den Gesteinsschmelzen, wie gewünscht, nicht benetzt wird und bei
Normaldruck in einer nichtoxidierenden Atmosphäre bis ca. 3000° C temperaturbeständig
ist. Darüber hinaus zeichnet sich Graphit dadurch aus, daß dessen
Festigkeit mit steigender Temperatur ebenfalls zunimmt, wobei die Zug- bzw.
Druckfestigkeit bei etwa 2500°C ihr Maximum von etwa 100 bzw. 400 MPa
erreicht.
Da Graphit jedoch unter Sauerstoffatmosphäre ab ca. 400°C oxidiert, d.h.
verbrennt, wird das Bohrverfahren bevorzugt unter Schutzgasatmospäre
durchgeführt, bzw. zumindest begonnen. Bei dem Schutzgas handelt es sich
bevorzugt um Argon welches aufgrund seiner hohen Dichte nicht von selbst aus
dem Bohrloch entweicht. Mit fortschreitendem Bohrfortschritt unterliegen die
Graphitelemente nicht mehr einer Sauerstoffatmosphäre, so daß die
Schutzgasversorgung eingestellt werden kann.
Unter den für das Verfahren eingesetzten Leitungselementen sind im wesentlichen
einzelne Zylinderstücke, insbesondere aus dem genannten Graphit zu verstehen,
die eine zentrale Bohrung aufweisen.
Die einzelnen Zylinderstücke, bei denen das Verhältnis von Außen-Durchmesser
zu Innen-Durchmesser groß, und insbesondere größer als 10 zu 1 ist, können
miteinander verbunden werden, so daß ein Graphitrohrstrang ausbildbar ist, der im
erfindungsgemäßen Schmelzbohrverfahren sowohl die Funktion von
Schmelzbohrkopf, Bohrgeräterumpf und Versorgungs- sowie Druckgestänge
übernimmt.
Es ist ebenfalls vorteilhaft, daß aufgrund des Metallgehaltes gemäß der Erfindung
die Schmelze zusätzlich durch Strom geheizt werden kann, um zu gewährleisten,
daß die Schmelze im erhitzen flüssigen Zustand den Bohrlochgrund erreicht.
Hierbei kann z.B. eine Eisenschmelze als elektrisch leitende Flüssigkeit sowohl die
Funktion des Energietransports zum aufzuschmelzenden Gestein als auch die
Funktion des Stromleiters übemehmen.
Der Stromfluß kann hier bei einem obersten Leitungselement, d.h. am
Bohrungsanfang durch die in den Leitungselementen geführte Metallschmelze,
über die am Bohrlochgrund vorliegende Metallschmelze zurück über die äußere
erstarrte metallische Bohrlochverschalung geschlossen werden. Es ist ebenfalls
möglich, den Strom durch den Graphitrohrstrang bis zur Schmelze über dem
Bohrlochgrund zu führen.
Der Strom zur Heizung der Metallschmelze kann hierbei direkt oder induktiv in die
Schmelze eingekoppelt werden.
Mit fortschreitender Bohrtiefe ist es vorgesehen, daß am Bohrungsanfang weitere
Leitungselemente, also z.B. weitere Graphitzylinder am jeweils vorherigen Element
befestigt werden.
Somit ergibt sich im Endeffekt ein Leitungsstrang aus Graphitrohr, welcher sich
über die gesamte Tiefe der Bohrung erstreckt. Aufgrund der geringeren Dichte von
Graphit gegenüber der Metallschmelze schwimmt der Graphitrohrstrang zunächst
auf der Schmelze auf und gleitet unter Nachführung von Metallschmelze und
Abtragung des Bohrgrundes der Tiefe entgegen. Letzlich ergibt sich ein
Gleichgewicht zwischen dem zur Schmelzeverpressung nötigen Preßdruck und
dem in der Schmelze herrschenden Druck aufgrund der Gewichtskraft des
aufstehenden Graphitrohrs und der Schmelzesäule.
Die Dicke des Schmelzekissens unter dem Graphitrohrstrang beträgt hierbei etwa
10 cm. Die Bohrgeschwindigkeit liegt bei etwa 5 mm pro Sekunde, wobei zu
beachten ist, daß die Bohrung erfindungsgemäß ohne einen Bohrkopfwechsel,
ohne Kühlung und ohne Förderung von Abraum erfolgt.
Ein Bohrkopfwechsel erübrigt sich schon deswegen, weil die aus Graphit
bestehenden Leitungselemente mechanisch identisch sein können, so daß ein
eventueller Abbrand am untersten Element nicht nachteilig ist. Jedoch sollte
hierbei darauf geachtet werden, daß das einem eventuellen Abbrand ausgesetzte
jeweils unterste Leitungselment in der Umgebung der Abbrandzone keine
elektrischen Elemente aufweist, deren Abbrand zur Zerstörung oder Fehlfunktion
führt.
Ein wesentlicher Punkt des erfindungsgemäßen Gedankens ist es, daß zwischen
der erstarrten Metallguß-Bohrlochverschalung und der Außenseite der aus Graphit
bestehenden Leitungselemente aufgrund der außergewöhnlichen
Materialeigenschaften des Graphits keine behindernde Haftung entsteht, so daß
der Graphitrohrstrang tatsächlich ohne wesentliche Reibungsverluste in die Tiefe
gleiten kann und später genauso leicht zu heben ist.
Dies ergibt sich durch die geringe Oberflächenspannung gegenüber der Schmelze
und die geringen Reibungskoeffizienten von Graphit, die sogar mit zunehmender
Temperatur kleiner werden.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die einzelnen Leitungselemente in ihrer
insbesondere dick ausgestalteten Wandung ansteuerbare Magnetvorrichtungen
aufweisen, durch die die Leitungselemente in der erstarrten metallischen
Bohrlochverschalung, die in bevorzugter Weise aus Eisen besteht, wie ein
Magnetgleiter geführt und/oder gehalten werden können.
Um zu gewährleisten, daß die einzelnen Elektromagnete von außerhalb des
Bohrloches angesteuert werden können, weisen die einzelnen Leitungselemente
interne Steuerleitungen und untereinander entsprechende Kontaktstellen auf, über
die die Magnetvorrichtungen über den gesamten Leitungsstrang hinweg mit
Steuersignalen versorgt werden können.
Durch diese Ausführung ist es möglich, zwischen der metallischen
Bohrlochverschalung und den genannten Magnetvorrichtungen ein magnetisches
Wanderfeld zu realisieren, so daß der Graphitrohrstrang durch entsprechende
Ansteuerung der Magnetvorrichtungen im Bohrloch wie ein Magnetgleiter auf- und
abgefahren werden kann. Dies ermöglicht es insbesondere, die Druckverhältnisse
am Bohrlochgrund zu beeinflussen und den Graphitrohrstrang am Ende des
Bohrvorhabens wiederum zu heben.
Es können somit in Verbindung mit der magnetischen Bohrlochverschalung durch
elektromagnetische Ansteuerung Zug-, Halte- oder Druckkräfte auf die
Leitungselemente ausgeübt werden. Die in der Tiefe wirkende Gewichtskraft der
Leitungselemente ist daher manipulierbar, so daß auch die Dicke des
Schmelzekissens, auf dem die Leitungselemente schwimmen einstellbar ist.
Die spätere Hebung kann noch dadurch erleichtert werden, daß das fertiggestellte
Bohrloch unterstützend mit insbesondere druckbeaufschlagtem Wasser geflutet
wird, wobei im Falle von beabsichtigtem Fluidmining oder Energiemining der
untere Produktionsbereich eines derartigen Bohrloches unverrohrt bleibt und die
steinschmelzeverglaste Bohrlochwandung unter dem Förderdruck des Wassers
aufgebrochen und die Fluide oder Hochtemperatur-Geothermwasser freigesetzt
werden.
In einer weiteren Ausgestaltung ist es zusätzlich vorgesehen, innerhalb der
Wandung der Leitungselemente weitere ansteuerbare Magnetvorrichtungen
einzusetzen, die für die zuzuführende Metallschmelze als Ventil wirken, so daß der
Fluß der Metallschmelze im Inneren der Leitungselemente beeinflußt werden kann.
Durch diese erfindungsgemäße Installation der Ventile (Magnetventile) ist es
möglich, daß in jedem Leitungselement durch Verriegelung des Magnetventiles ein
Teil des gesamten auf dem Bohrlochgrund aufstehenden Metallschmelzestranges
getragen wird, so daß das zunehmende Gewicht des Metallschmelzestranges auf
mehrere Haltepunkte verteilt werden kann, die sich dadurch ergeben, daß die
einzelnen Leitungselemente des Graphitrohrstranges mit den Halte/Führungsmagneten
in der Gußeisenverschalung des Bohrloches festgehalten
werden.
Somit ist es möglich, den Gewichtsdruck der Metallschmelzesäule zu variieren. Es
kann so beispielsweise durch die gezielte Öffnung der Magentventile eine
vordefinierte Menge an Metallschmelze dem Bohrlochgrund zugeführt werden oder
aber durch gleichzeitige Öffnung aller Magnetventile impulsartig die gesamte
Gewichtskraft des Metallschmelze-Stranges im Bohrlochgrund zur Wirkung
kommen. In 10 000 m Tiefe beträgt dabei der Druck der Eisenschmelze-säule
bereits über 700·166Pa (7000 bar).
Durch impulsartige Ansteuerung der Ventile kann in der Schmelze über dem
Bohrlochgrund eine Vibration erzeugt werden, die einen Saugeffekt hervorruft,
dadurch den Bohrlochgrund von geschmolzenem Gestein befreit und so den
Bohrfortschritt erhöht.
Die erfindungsgemäßen Magnetvorrichtungen zur Ausbildung von
Halte/Führungsmagneten bzw. Magnetventilen oder auch anderer
Steuereinrichtungen, deren Wirkungen auf magnetischen Kräften beruhen, können
z.B. aus in isolierenden Graphit eingelassenen leitenden Graphitspulen bestehen.
Ebenso ist es denkbar, die Vorrichtungen aus in spulenförmigen Graphitkanälen
fließende Metallschmelze zu bilden. Hierbei können die Kanäle in den aus Graphit
bestehenden Leitungslementen ausgebildet sein.
Um das erfindungsgemäße Schmelzbohrverfahren in Gang zu setzen, ist es
vorteilhaft wenn der Schmelzbohrvorgang in einer schutzgasgefültten Vorbohrung
beginnt, die mit einem Metallrohr ausgekleidet ist, welches an der Oberfläche,
insbesondere in einer Stahlbetondecke verankert ist. Diese stahlverrohrte
Vorbohrung sollte eine Tiefe von etwa 30 bis 50 Meter aufweisen, wobei
mindestens der untere Meter von Metallverrohrung freibleiben sollte.
Weiterhin ist es nötig an der Bohroberfläche, Stromaggregate, eine
Metallschmelzanlage mit Füllautomaten sowie eine Vorrichtung zur Befestigung
der einzelnen Leitungselemente untereinander vorzusehen. Weitere
Vorrichtungen, wie z.B. überdimensionale Bohrtürme oder hydraulische Druck- und
Hebeanlagen sind bei dem erfindungsgemäßen Bohrverfahren nicht nötig.
Es ist darauf zu achten, daß die Stahlbetondecke entsprechend dick ausgelegt ist
und das Bohrloch großflächig umgibt, damit beim Start des Metallschmelze-Bohrvorgangs
und bei der einsetzenden Verpreßung der Gesteinsschmelze und
eventueller Metallschmelzeanteile in das umliegende Gestein ein Durchbruch der
Schmelze zur Oberfläche hin verhindert wird.
Da üblicherweise schon im Gestein Risse vorhanden sind, bedarf es nur einiger 10
bar Druck, um die vorhandenen Risse weiter zu erweitern und eine Verpreßung zu
ermöglichen. Dies bedeutet, daß die genannte Tiefe von etwa 30 bis 50 Meter
einer konventionellen Vorbohrung ausreicht, um das erfindungsgemäße
Metallschmelzverfahren zu starten.
Zu Beginn der Bohrung wird in die metallisch ausgeschalte Vorbohrung das erste
Leitungselement abgesenkt, welches mittels einer Manipulatorvorrichtung und/oder
mit Hilfe der in den Elementen angeordneten Führungs-/Haltemagnete erfolgt.
Nach entsprechender Montage mehrerer Leitungselemente, die bis dicht vor den
Bohrlochgrund vorstoßen, wird die Metallschmelze in das Innere der Leitung
eingefüllt, bis die Metallschmelze zwischen den in das Bohrloch eingesetzten
Leitungselementen und der Innenwand der konventionellen Vorbohrung bis zum
Rand der Metallrohrausschalung emporsteigt. Dort verbindet sie sich mit dieser
durch Verschweißung. Der Durchmesser des Graphitrohrstranges ist dabei so zu
bemessen, daß die Außenseite der Leitungselemente und die Innenseite des
Metallrohres im erhitzten Zustand schlüssig aneinanderliegen, um ein
Durchdringen der flüssigen Metallschmelze zu verhindern.
Hierdurch bildet sich ein Druckverschluß, so daß der Schmelzbohrvorgang
gestartet werden kann. Darüber hinaus wird auch durch die Verbindung zwischen
dem Metallschmelzestrang bzw. dem Graphitrohrstrang und dem in die
Vorbohrung eingesetzten Metallrohr der Stromkreislauf zur unterstützenden
Heizung der Metallschmelze geschlossen.
Zur Optimierung der Abtragung von Gestein am Bohrlochgrund ist es vorteilhaft,
daß das unterste als Bohrkopf wirkende Leitungselement wenigstens eine
Magnetpumpen-/ -düsenanordnung aufweist, mittels derer die Metallschmelze in
Form wenigstens eines Schmelzestrahles auf den Bohrlochgrund geschossen
werden kann.
Durch weitere vorgesehene Induktionsspulen, die durch die fließenden
Metallschmelze selbst gebildet sein können (entsprechende spulenförmige
Flußkanäle im Bohrkopf), ist es möglich, den Schmelzestrahl derart zu überhitzen,
daß sich ein Strahl außerordentlich hoher Temperatur von mehreren tausend Grad
oder ein Plasmastrahl ergibt, mit dem sich ein außerordentlicher Bohrfortschritt
erreichen läßt.
Dieser überhitzte Schmelze- bzw. Plasmastrahl erzeugt beim Eindringen in die
Schmelze eine lokale Überhitzung, insbesondere im mittleren Bereich, so daß dort
der Gesteinsabtrag optimiert wird.
Durch die Ausbildung wenigstens eines Schmelzestrahles, der bevorzugterweise
mittels einer im untersten Leitungselement vorgesehenen Magnetspulenanordnung
ausrichtbar ist, besteht weiterhin die Möglichkeit, einer ungleichmäßigen
Gesteinsabtragung am Bohrlochgrund entgegenzuwirken, die sich durch
verschiedene Gesteinsarten/Gesteinsanisotropie ergeben kann. Hierzu wird der
Schmelzestrahl auf die Stellen im Bohrlochgrund gerichtet, bei denen der Abtrag
am geringsten ist.
Über den ungleichmäßigen Gesteinsabtrag im Bohrlochgrund kann man sich derart
ein Bild machen, daß elektrische Impulse z.B. über die Schmelzesäule und/oder
den Graphitrohrstrang bis zum Bohrlochgrund gesendet und die Laufzeit der von
dort reflektierten Impule gemessen werden. Über die Fläche der
Schmelzesäule/des Graphitrohres und die Laufzeit der Impulse läßt sich so eine
topografische Aufnahme des Bohrlochgrundes erstellen, auswerten und eine
Steuerung des Schmelzestrahles erreichen.
Je nach Ausrichtung des Schmelzestrahls erfolgt in vorteilhafter Weise im Bereich
um den Strahl herum eine erhöhte Gesteinsabtragung, so daß sich ein in
Strahlrichtung kegelförmiger Bohrlochgrund ergibt, wodurch die gesamte
Angriffsfläche für die heiße Metallschmelze erhöht wird und eine größere Gesamt-Abtragrate
realisierbar ist.
Die hier erwähnten Magnetanordnungen sind durch in den Leitungselementen
integrierte Steuerleitungen ansteuerbar, wobei sich weiterhin vorteilhaft bemerkbar
macht, daß diese Magnetanordnungen verschleißfrei arbeiten.
Um unterhalb der im untersten Leitungselement (Bohrkopf) integrierten
Magnetspulenanordnung eine freie Beweglichkeit des Metallschmelzestrahles zu
gewährleisten, ist es sinnvoll, im Bohrkopf eine insbesondere zentral angeordnete
trichterförmige Ausnehmung auszubilden, innerhalb der der Schmelzestrahl z.B.
um bis zu 60 Grad in alle Richtungen gegenüber der Metallschmelzesäule
verschwenkt werden kann.
Der Bohrvorgang kann vorteilhafterweise auch dadurch optimiert werden, daß die
Schmelze über dem Bohrlochgrund in Rotation versetzt wird, so daß die
gegenüber der Metallschmelze leichtere Gesteinsschmelze nach oben und durch
die Fliehkraft nach außen gefördert und in den Rissen verpreßt wird.
Die Rotation der Schmelze kann dabei durch die Magnetanordnung bewirkt
werden, die auch die Schmelzestrahlen ablenkt. Die Rotationsachse der Schmelze
ist dabei durch den Schmelzestrahl gegeben, so daß auch die Rotationsachse der
Schmelze einstellbar ist.
Vorteilhaft ist es, wenn wenigstens im unteren, über die gesamte Länge des
Elements verteilt, bevorzugt aber in mehreren der unteren Leitungselementen in
identischer Weise auf die Schmelze wirkende Steuerelemente vorgesehen sind,
die eine Rotation der Schmelze bzw. eine Ausrichtung der Strahlen bewirken. In
diesem Fall ist ein Abbrand der Leitungselemente unschädlich und wirkt sich nicht
auf die Steuerung der Schmelze(-strahlen) aus.
So kann z.B. zum Einbringen einer 10 km tiefen Bohrung ein unterer Bereich von
identischen Leitungselemente über eine Länge von 100 m verwendet werden, so
daß selbst bei großem Abbrand am Ende der tiefen Bohrung noch ein
ansteuerbares Leitungselement den Bohrkopf bildet.
Als eine einfache Ausführung kann es sich bei den Steuerelementen um
wenigstens drei mit der Schmelze in Kontakt stehende Stromleiter handeln, die in
den Leitungselementen eingelassen sind. Durch Ansteuerung dieser Leiter mit
Mehrphasenstrom kann eine Schmelzerotation erreicht werden. Durch
unterschiedliche Stromstärken an den Phasen wird die Rotationsachse der
rotierenden Schmelze schwenkbar, insbesondere um etwa bis zu 60°.
Ebenso ist es möglich die Steuerelemente, wie schon früher erwähnt, durch
Graphitspulen oder in Kanälen fließende Schmelze zu bilden.
Eventuell mitverpreßte Metallschmelzeanteile sind dadurch rückgewinnbar, daß
auch diese Schmelzeanteile durch den Stromfluß heizbar sind, wodurch die
Schmelzeanteile flüssig bleiben und durch die Schwerkraft wieder in Richtung
Bohrlochgrund zurücksinken.
Eine Rückgewinnung der Metallschmelzeanteile aus den Gesteinsrissen wird auch
noch dadurch begünstigt, daß durch die in den Leitungselementen angeordneten
Magnete eine Anziehungskraft auf die verpreßten Metallschmelzeanteile ausgeübt
werden kann.
Unter dem Einfluß der magnetsichen Anziehungskräfte wird dabei die Ausbildung
einer reinen Metallverschalung des Bohrloches begünstigt.
Durch die Beeinflussung dieser Anziehungskräfte ist es ebenso möglich, gezielt ein
Bohrloch ohne Verschalung herzustellen. Hierzu werden beim Bohrvorgang die die
Anziehungskraft bewirkenden Magnetvorrichtungen abgeschaltet, so daß die
leichtere Gesteinsschmelze immer auf der Metallschmelze aufschwimmt und
erstarrt ohne durch die Anziehgungskraft weggedrückt zu werden.
Dementsprechend wird sich so eine Verschalung aus reinem Gestein ausbilden.
Ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Abbildung
dargestellt.
Die Vorbohrung mit Einbringung und Verankerung eines dickwandigen Metallrohrs
(3), z.B. aus Stahl, im Untergrund sichert den Start des Metallschmelze-Bohrverfahrens
ohne zusätzliche Kühlung.
Ein Rohrstrang (1) aus mehreren Leitungselementen (9), die vollständig aus
Graphit bestehen, wird über einen Hydraulikautomaten (Manipulator) mit dem
Bohrkopfelement (18) zuerst, elementweise aus den einzelenen Leitungselementen
(9) zusammengesetzt.
(Der Übersicht wegen sind in der Schemazeichnung Oberflächen-vorrichtungen wie
Manipulator, Metallschmelzeanlage mit Fülleinrichtung und Stromaggregate mit
Stromanschlüsse nicht dargestellt).
Sobald der Graphitrohrstrang (1) mit seinen Elementen (9) in das schutzgasgefüllte
Metallrohr (3) der Vorbohrung gleitet, übernehmen die Führ- und Haltemagnete (8)
den weiteren Vortrieb des Graphitrohrstrangs (1). Ist das Ende der
Vorbohrungsverrohrung (3) erreicht und das Bohrkopfelement (18) eine Handbreit
vor dem Bohrlochgrund angelangt, kann der Metallschmelze-Bohrvorgang durch
das Einfüllen z.B. von Eisenschmelze beginnen und kontinuierlich bis zum Bohrziel
fortgesetzt werden, während die Eisenschmelzezuführung (10) wegen des
Schmelzevorrats im Metallschmelzestrang (2) diskontinuierlich erfolgen kann, so
daß zwischenzeitlich die elementweise Verlängerung des Graphitrohrstrangs (I)
durch den Manipulator an der Oberfläche ausgeführt werden kann.
Durch Aktivierung mindestens einer Magnetpumpe (4) und Magnetdüse (5) wird
eine definierte Menge der bereits überhitzten Eisenschmelze des
Metallschmelzestrangs (2) durch Magnetkraft komprimiert, weiter überhitzt und
unter hohem Druck durch die Magnetdüse (5) gepreßt und als Schmelze- oder
Plasma-Strahl auf den Bohrlochgrund (19) geschossen, wobei durch die schnelle
Abfolge des Vorgangs ein Impulsstrahl (17) entsteht, wodurch die Abschmelz- und
Abtragwirkung noch verstärkt wird.
Um einen gleichmäßigen Abtrag am Bohrlochgrund zu gewährleisten wird der
Eisenschmelzestrahl durch mindestens drei Drehmagnete (6) wie ein Kegel (14) in
der Funktion eines "Fluidrollenmeißels" um die Achse des Schmelze-Strahles (15)
gedreht, wobei der Kegel durch Magnetkraft im Winkel um etwa 60 Grad in alle
Richtungen schwenkbar (16) ist. Da der Schmelze-Strahl durch die auf ihn
wirkende Magnetkraft jeden Schwenk automatisch mitmacht ist ein gleichmäßiger
Abtrag des Gesteins vor dem Bohrkopfelement (18) des Graphitrohrstrangs (1)
gesichert.
Die Steuerung des Metallschmelzekegels (14) erfolgt über in den
Leitungselementen vorgesehene Steuerleitungen von der Oberfläche aus.
Die Eisenschmelze und die freigesetzte Gesteinsschmelze füllen den verfügbaren
Raum um das Bohrkopfelement (18) des Graphitrohrstrangs (1) unter Druckanstieg
in der Schmelze. Ein Teil der Eisenschmelze wird oberhalb des Bohrkopfelementes
(18) von den Haltemagneten (8) um den Graphitrohrstrang (I) in einer gewünschten
Stärke, wie beispielsweise die des Metallrohrs der Vorbohrung, konzentriert und zu
einer einheitlichen Gußeisenverrohrung (11) im kontinuierlich fortschreitenden
Schmelzbohrverfahren ausgebildet.
Bedingt durch die Dichte der Eisenschmelze treibt die leichtere Gesteinsschmelze
auf und wird unter dem Druck der eingepumpten Schmelze bzw. unter dem Druck
des vorrückenden Graphitrohrstrang (1) wegen der Gesteinsaufspaltung ins
Seitengestein verpreßt. Mitverpreßte Eisenschmelze unterliegt der Aufheizung
mittels Stromdurchfluß und fließt beim Vorrücken des Graphitrohrstrangs (I)
aufgrund der Schwerkraft wieder in die tieferliegende Schmelzzone um den
Schmelzekegel (14) zurück.
Die Bohrfortschrittgeschwindigkeit erhöht sich mit der Temperatur- und der relativen
Druckerhöhung im Schmelze-Strahl gegenüber der Umgebungsschmelze und
seiner Impulsfolge (Saugeffekt) sowie mit der Umlaufgeschwindigkeit des
Schmelzestrahles bzw. der Umlaufgeschwindigkeit der rotierenden Schmelze.
Mit zunehmender Bohrtiefe nimmt das Eigengewicht des Graphitrohrstrangs (1)
samt Metallschmelzestrang zu, bis dessen Gewicht und der für die
Schmelzeverpressung notwendige Druck in der Schmelzzone im Gleichgewicht
sind und der Graphitrohrstrang (1) wie auf einem Schmelzekissen gleitet.
Zur Aufrechterhaltung dieses Zustands sorgen die in jedem
Graphitrohrstrangelement installierten Magnetventile (7), die jedes für sich einen
Teil des Metallschmelzestrangs tragen, so daß das zunehmende Gewicht des
Metallschmelzestrangs bei zunehmender Tiefe sich auf viele Haltepunkte verteilt.
Das gleiche gilt für die Haltemagnete (8) im Außenbereich des Graphitrohrstrangs,
die sich mit magnetischer Kraft an der Gußeisenverschalung (11) des Bohrlochs
halten.
Ist ein ausreichender Gewichtsdruck im Metallschmelzestrang (2) aufgebaut, kann
dieser hydraulische Druck in Kombination mit Magnetpumpe (4) und Magnetdüse
(5) zur Bildung des Schmelze-Strahls (15) genutzt werden, indem impulsmäßig alle
Magnetventile (7) gleichzeitig öffnen und eine kleine konkrete Menge
Eisenschmelze freisetzen. In 10.000 m beträgt der Druck einer Eisenschmelzesäule
bereits über 7000 bar, wenn alle Magnetventile (7) gleichzeitig öffnen.
Nach Freipumpen des Metallschmelzestrangs (2) und Erreichen des Bohrziels wird
der Graphitrohrstrang (1) mit Hilfe der Halte- und Führmagnete (8) wieder gleitend
zurückgeführt und der Graphitrohrstrang elementweise demontiert. Hierzu kann das
Bohrloch unterstützend mit druckbeaufschlagtem Wasser geflutet werden.
Claims (28)
- Schmelzbohrverfahren zur Einbringung maßhaltiger Bohrungen, insbesondere von großem Durchmesser, in Gestein, bei dem die Abraumschmelze in das durch Temperatur- und Druckeinwirkung aufgerissene Umgebungsgestein verpreßt wird und bei dem während des Bohrens durch erstarrende Schmelze eine Bohrlochverschalung (11) erstellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Bohrmedium eine reine Metallschmelze (2) durch Leitungselemente (9) dem durch Aufschmelzung abzutragenden Bohrlochgrund (19) zugeführt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem untersten Leitungselement (9) über dem Bohrlochgrund (19) austretende reine Metallschmelze (2) zwischen die Außenseite der Leitungselemente (9) und die Bohrlochinnenwand geführt wird und dort erstarrt.
- Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erstarrte Schmelze einen Druckverschluß bildet.
- Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die reine Metallschmelze (2) durch Strom geheizt wird.
- Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromfluß durch die in der Leitung (9) geführte Schmelze (2) und die erstarrte Bohrlochverschalung (11) geschlossen ist.
- Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit Bohrfortschritt am Bohrungsanfang weitere Leitungselemente (9) am jeweils vorherigen Element (9) befestigt werden.
- Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der durch Verpressung und Erstarrung entstandene Schwund an Metallschmelze (2) am Bohrungsanfang durch Schmelzenachführung (10) kompensiert wird.
- Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzbohrvorgang in einer Vorbohrung beginnt, die mit einem Metallrohr (3) ausgekleidet ist, welches an der Oberfläche, insbesondere in einer Stahlbetondecke verankert ist.
- Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzbohrvorgang unter Schutzgasatmosphäre begonnen wird.
- Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungselemente (9) bis kurz über den Bohrgrund (19) in das Metallrohr abgesenkt werden.
- Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Absenkung der Leitungselemente (9) mittels einer Manipulatorvorrichtung und/oder mit Hilfe der in den Elementen (9) angeordneten Führungs-/Haltemagnete (8) erfolgt.
- Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Rückgewinnung/Hebung der Leitungselemente (9) in den Leitungselementen (9) angeordnete Magnetvorrichtungen (8) angesteuert werden.
- Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur vereinfachten Rückgewinnung/Hebung der Leitungselemente (9) das Bohrloch insbesondere mit Druckwasser geflutet wird.
- Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das unterste Leitungselement (9) wenigstens eine Magnetpumpen-/-düsenanordnung (4,5) aufweist, mittels derer die Metallschmelze in Form wenigstens eines Schmelze-/Plasmastrahles (15) auf den Bohrlochgrund (19) geschossen wird.
- Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens das unterste Leitungselement (9) mindestens eine Steueranordnung (6) aufweist, über die die Schmelze-/Plasmastrahlen (15) ausgerichtet werden und/oder mittels der die über dem Bohrgrund (19) befindliche Metallschmelze in Drehung versetzt wird.
- Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzestrahl (15) insbesondere mittels einer Induktionsspulenanordnung weiter erhitzt wird und einen Plasmastrahl bildet.
- Verwendung einer reinen Metallschmelze als Bohrmedium zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche.
- Bohrvorrichtung zur Herstellung von Schmelzbohrungen in Gestein, mit der das abzutragende Gestein aufschmelzbar ist und mittels der durch die im Schmelzvorgang entstandene und/oder in das Bohrloch eingebrachte Schmelze eine aus erstarrter Schmelze gebildete Bohrlochverschalung (11) erstellbar ist, mit einem Rohrstrang (1), der elementweise aus mehreren Leitungselementen (9) zusammensetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Leitungselemente (9) eine reine Metallschmelze (2) als Bohrmedium einem untersten Leitungselement (9), zuführbar ist, um einen Bohrlochgrund (19) durch Aufschmelzung abzutragen.
- Bohrvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der geschmolzenen oder erstarrten Schmelzemasse in Kontakt stehenden Flächen der Leitungselemente (9) aus Graphit bestehen.
- Bohrvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß ein Leitungselement (9) insgesamt aus Graphit besteht.
- Bohrvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß ein Leitungselement (9) einem Zylinderstück mit einer zentralen Bohrung entspricht.
- Bohrvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Außendurchmesser zu Innendurchmesser des Leitungselements (9) größer 10:1 ist.
- Bohrvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wandung eines Leitungselements (9) ansteuerbare Magnetvorrichtungen (8) angeordnet sind, die in Verbindung mit der metallischen Bohrlochverschalung (11) als Halte- und/oder Führungsmagneten (8) einsetzbar sind.
- Bohrvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wandung eines Leitungselements (9) Magnetvorrichtungen angeordnet sind, die für die zu führende Schmelze als Ventil (7) einsetzbar sind.
- Bohrvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß das unterste Leitungselement (9) den Bohrkopf (18) bildet und eine insbesondere zentral angeordnete trichterförmige Ausnehmung aufweist.
- Bohrvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 18 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens das unterste Leitungselement (9,18) wenigstens eine Magnetanordnung aufweist, die eine Pumpe (4) bilden zur Förderung der Schmelze und insbesondere zur Ausbildung wenigstens eines ausrichtbaren Schmelzestrahles (15).
- Bohrvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 18 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens im untersten Leitungselement (9,18) Steuerelemente (6) vorgesehen sind, durch die die Schmelze in Rotation versetzbar und/oder schwenkbar ist bzw. ein Schmelze-/Plasmastrahl (15) ausrichtbar ist.
- Bohrvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 18 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelemente (6) aus wenigstens 3 mit der Schmelze in Kontakt stehenden Stromleitern bestehen.
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