EP4536929A1 - Teil eines bohrkopfes für ein plasma-puls-geo-bohrsystem - Google Patents
Teil eines bohrkopfes für ein plasma-puls-geo-bohrsystemInfo
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- EP4536929A1 EP4536929A1 EP23730351.6A EP23730351A EP4536929A1 EP 4536929 A1 EP4536929 A1 EP 4536929A1 EP 23730351 A EP23730351 A EP 23730351A EP 4536929 A1 EP4536929 A1 EP 4536929A1
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- rod
- electrodes
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- 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
- E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
- E21B7/14—Drilling by use of heat, e.g. flame drilling
- E21B7/15—Drilling by use of heat, e.g. flame drilling of electrically generated heat
-
- 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
- E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
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Definitions
- Deep drilling into hard, crystalline rock represents a major challenge for conventional rotary drilling systems as it involves high bit wear and frequent bit replacement, low penetration rates and poor process efficiency.
- PPGD Plasma-Pulse Geo-Drilling
- the PPGD technology uses high voltage of several 100 kilovolts in the form of electrical pulses increasing at nanosecond speeds through the rock, creating a plasma in the rock that shatters the rock from the inside out, i.e. against its low tensile strength, without mechanical abrasion of a drilling tool, thereby creating a deep borehole becomes.
- Rossi et al Advanced drilling technologies to improve the economics of deep georesource utilization
- Applied Energy Symposium: MIT A+B, August 12-14, 2020, Cambridge, USA it is indicated that by means of a drill head initial part 2, a high-voltage pulse generator 1 and electrodes in a borehole filled with water 5, a borehole including propulsion can be achieved due to the high-voltage pulses.
- Figure 2b is a schematic side view of the drill head start part, without high-voltage connections and generator and
- Figure 3 shows a schematic perspective of another drill head start part with outer slightly tilted rod electrodes. Description
- High-voltage cables 10 can be connected to the connecting flanges 211, 211' as an embodiment of the high-voltage supply 10 of a high-voltage generator 1, which is indicated in Figure 2a with a high-voltage symbol. Sufficient stability must also be achieved in the drill head connection section 21 so that short circuits are prevented. Although no mechanical loads occur here as in classic rotary drilling systems, since there is no rotational movement, the pressure with which the drill head start part 2 is pressed onto the rock 4 in the feed direction is quite high. Ideally, the axial load on the drill head start part 2 is practically zero.
- the rod electrodes 200 are each connected to the first connecting flange 211 or to the second connecting flange 211 'without short circuits or flashovers. This means that different stick electrodes 200 can have different polarizations.
- L/a of 1: 1 to 5: 1 is advantageous.
- the length L of the stick electrodes 200 is measured regardless of the attachment between the tip of the stick electrode 200 and the rear end of the stick electrode 200 opposite the tip.
- the n rod electrodes 200 with different polarities were arranged in such a way that the distance a between the next adjacent rod electrodes 200 is at least 10 mm, rather larger than 40mm, particularly preferably 48mm.
- the cross-sectional area Q of the electrode section 20 must be chosen to be greater than the cross-sectional area q of the drill head connection section 21 so that the drill head start part 2 creates a sufficiently large borehole and can be tracked into the borehole.
- the cross-sectional area q or the maximum diameter corresponds to the diameter of the second connecting flange 211 '.
- outer rod electrodes 200' which are furthest away from the central longitudinal axis, are arranged not parallel to the longitudinal axis, but at an angle away from the longitudinal axis.
- This embodiment is shown schematically in FIG. 3, with only an upper half of the drill head start part 2' being shown.
- the angle of the outer rod electrodes 200' to the longitudinal axis should be 1.5° and more.
- Rock parts broken out during operation so-called cuttings, are reduced in size by the uniform, homogeneous arrangement of the rod electrodes 200 in such a way that the transport diameter for removal is safely achieved and the cuttings are prevented from jamming in the drill head start part 2.
- Good drilling results were achieved in the tests carried out, which are also advantageous in continuous drilling operations.
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Abstract
Bei einem Bohrkopfanfangsteil (2) als Teil eines Bohrkopfes für ein Plasma-Puls-Geo-Bohrsystem, wobei der Bohrkopfanfangsteil (2) mindestens einen Elektrodenabschnitt (20) mit mehreren metallischen Stabelektroden (200) umfasst, an welchem eine Hochspannungszuführung (10) befestigbar ist und die Stabelektroden (200) durch einen Hochspannungspulsgenerator (1) mit unterschiedlich polarisierten Spannungsimpulsen beaufschlagbar sind, soll ein kontinuierlicher Bohrbetrieb mit gesteigerter Effizienz bei Benutzung von Wasser als Bohrspülung erreicht werden. Dies wird dadurch erreicht, dass am Elektrodenabschnitt (20), ein Bohrkopfanschlussabschnitt (21) in Form eines Gestells mit Zuführstreben (210) und mindestens zwei Anschlussflanschen (211, 211') elektrisch verbunden befestigt oder angeformt ist und die Stabelektroden (200) des Elektrodenabschnitts (20) parallel zueinander verlaufend und auf einer planen Elektrodenfläche abschliessend mit gleicher Länge (L) mit Durchmessern (d) kleiner 20 mm ausgerichtet ausgestaltet sind, wobei eine Querschnittsfläche (Q) des Elektrodenabschnitts (20), auf welcher die Stabelektroden (200) verteilt sind, grössergleich einer Querschnittsfläche (q) des Bohrkopfanschlussabschnitts (21) auf welcher Zuführstreben (210) und die mindestens zwei Anschlussflansche (211, 211') verteilt sind, gewählt ist.
Description
Teil eines Bohrkopfes für ein Plasma-Puls-Geo-Bohrsvstem
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung beschreibt einen Bohrkopfanfangsteil als Teil eines Bohrkopfes für ein Plasma-Puls-Geo-Bohrsystem, wobei der Bohrkopfanfangsteil mindestens einen Elektrodenabschnitt mit mehreren metallischen Stabelektroden umfasst, an welchem eine Hochspannungszuführung befestigbar ist und die Stabelektroden durch einen Hochspannungspulsgenerator mit unterschiedlich polarisierten Spannungsimpulsen beaufschlagbar sind.
Stand der Technik
Der Zugang zu tiefen Energieressourcen (Geothermie, Kohlenwasserstoffe) aus tiefen Lagerstätten wird in den nächsten Jahrzehnten eine grundlegende Rolle spielen. Allerdings ist das Bohren zur Gewinnung tiefer Georessourcen extrem teuer. Tiefbohrungen in hartes, kristallines Gestein stellt eine grosse Herausforderung für konventionelle Drehbohrsysteme dar, da sie einen hohen Bohrkronenverschleiss und häufigen Bohrkronenaustausch, niedrige Penetrationsraten und ein schlechte Prozesseffizienz aufweisen.
Mit dem Ziel der Verbesserung der Gesamtwirtschaftlichkeit der Erschliessung tiefer Georessourcen in hartem Gestein, sehen wir die Plasma-Pulse Geo-Drilling (PPGD) Technologie als Ausweg. Das resultierende Plasma-Puls-Geo-Bohrverfahren und die dazu notwendigen technischen Mittel führen zu einer massiven Kostenreduktion und Vereinfachung der Tiefbohrungen im Vergleich
zur Verwendung konventioneller Drehbohrsysteme, wenn das Plasma- Puls-Geo-Bohrsystem optimiert ist.
Plasma-Pulse Geo-Drilling (PPGD) Technologie zur Verwendung in Tiefbohrprozessen, also Tiefbohrungen zur Erschliessung von Erdöl-, Erdgaslagerstätten und Geothermiebohrungen, mit Endteufen ab wenigen Metern bis zu einigen Kilometern hatte seinen Ursprung in Russland. PPGD entfaltet potenziell seinen Vorteil im kristallinen Gestein und ist damit prädestiniert für Geothermie oder andere Aktivitäten in hartem Gestein.
Die PPGD Technologie verwendet Hochspannung von mehreren 100 Kilovolt in Form von nanosekundenschnell ansteigenden elektrischen Impulsen durch das Gestein, wodurch ein Plasma im Gestein erzeugt, das das Gestein von innen heraus, d. h. gegen seine geringe Zugfestigkeit ohne mechanischen Abrieb eines Bohrwerkzeugs zertrümmert, wodurch ein Tiefenbohrloch erzeugt wird. In Rossi et al «Advanced drilling technologies to improve the economics of deep georesource utilization», Applied Energy Symposium : MIT A+B, August 12-14, 2020, Cambridge, USA, wird angedeutet, dass mittels eines Bohrkopfanfangsteils 2, eines Hochspannungspulsgenerators 1 und Elektroden in einem mit Wasser 5 gefüllten Bohrloch eine Bohrung samt Vortrieb aufgrund der Hochspanungspulse erreicht werden kann. Dabei wird keine sich abnutzende Bohrkrone verwendet und es kann anscheinend doch eine hohe Penetrationsrate (rate of penetration (ROP)) erreicht werden, die ein gezeigtes Bohrloch erzeugt. Mittels eines Hochspannungsimpulses wird ein Plasmakanal (Streamer) 3 initiiert. Der Streamer 3 breitet sich durch das Gestein 4 aus und bricht dabei das Gestein 4 von innen heraus. Die Elektroden sind in den Bohrkopf eingebettet und der Prozess ist von einer Bohrspülung 5 im Bohrloch umgeben (z. B. Öl oder Wasser). Die gesamte Konstruktion bildet ein Plasma-Puls-Geo-Bohrsystem 0, wie in Figur 1 gemäss Stand der Technik gezeigt.
Damit dieses Verfahren jedoch Gestein wirksam zu brechen vermag, muss der Plasmakanal durch das Gestein und nicht entlang der Gesteinsoberfläche, d. h. durch die Flüssigkeit, verlaufen. Dies wird in erster Linie durch einen schnellen Puls-Anstieg erreicht. Die Anstiegszeit ist ein wichtiger Faktor, wegen der bemerkenswerten Abhängigkeit der Durchschlagsfestigkeit von Materialien mit der Zeit der gepulsten Spannungsanwendung.
Ziel ist es heute Wasser bzw. eine auf Wasser basierende Flüssigkeit als Bohrspülung zu verwendet, zur Vereinfachung des Verfahrens. Während das in Russland in den 1960er Jahren entwickelte EPB (Elektro-Pulse-Boring) Verfahren, unter Nutzung von Öl als Bohrspülung Isolier- und Spülmedium verwendet werden musste, soll ein neues Verfahren nun eine wasserbasierte Bohrspülung nutzen, was Kosten spart und die Umwelt schützt.
Allerdings hat die PPGD Technologie noch nicht die Effizienz, Zeitersparnis und Bohrqualität erreicht, die gewünscht ist. Folglich kann sich dieses Verfahren und die Plasma-Puls-Geo-Bohrsystem nicht erfolgreich auf dem Markt durchsetzen.
Darstellung der Erfindung
Die oben beschriebenen aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile, sollen durch die vorliegende optimierte Vorrichtung und das damit durchführbare Verfahren beseitigt werden.
Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt ein Plasma- Puls-Geo-Bohrsystem zur Durchführung des PPGD derart zu optimieren, dass ein kontinuierlicher Betrieb mit maximaler Effizienz bei Benutzung von Wasser respektive einer auf Wasser basierenden
Flüssigkeit als Bohrspülung zu schaffen. Entsprechend wurde ein Teil des Bohrkopfes für ein Plasma-Puls-Geo-Bohrsystem ausgebildet.
Variationen von Merkmalskombinationen bzw. geringfügige Anpassungen der Erfindung sind in der Detailbeschreibung zu finden, in den Figuren abgebildet und in die abhängigen Patentansprüche aufgenommen worden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachstehend im Zusammenhang mit den anliegenden Zeichnungen beschrieben.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie der Zeichnungen. Es sind dargestellt in
Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht eines aus dem Stand der Technik bekannten Plasma-Puls-Geo-Bohrsystems, wobei die Bezugszeichen auch im Rest der Beschreibung der Erfindung gelten.
Figur 2a zeigt eine schematische Perspektive eines optimierten Bohrkopfanfangsteiles, während
Figur 2b eine schematische Seitenansicht des Bohrkopfanfangsteiles, ohne Hochspannungsanschlüsse und Generator und
Figur 2c einen Ausschnitt aus der Schnittansicht gemäss Schnittlinie A-A aus Figur 2b durch den Elektrodenabschnitt des Bohrkopfanfangsteiles zeigt.
Figur 3 zeigt eine schematische Perspektive eines weiteren Bohrkopfanfangsteiles mit äusseren leicht verkippten Stabelektroden.
Beschreibung
Das bekannte Plasma-Puls-Geo-Bohrsystem 0 mit Hochspannungspulsgenerator 1, an welchem mittels Hochspannungszuführung 10 ein Bohrkopfanfangsteil 2, umfassend einen Bohrkopfanschlussabschnitt 21 und einen frontseitigen Elektrodenabschnitt 20 mit einer Mehrzahl von n Stabelektroden 200 wurde hier optimiert. Der gesamte Bohrkopfanfangsteil 2 als Teil eines weitere Merkmale umfassenden Bohrkopfes wird in ein Bohrloch bis zu einer Bohrlochsohle eingebracht. Damit kann ein optimierter Ausbruch von Gestein 4 in einem Bohrloch, welches mit Wasser als Bohrspülung 5 oder einer auf Wasser basierenden, also kleiner gleich 100% Wasser enthaltende Bohrspülung 5 gefüllt ist, erreicht werden, wobei der bekannte Plasmakanal pulsweise erzeugt wird.
Zur Verbesserung des Ausbruchsverhaltens bei der Bohrung mittels Plasma-Puls-Geo-Bohrsystems 0, ist die Form des Bohrkopfanfangsteiles 2, bzw. des Elektrodenabschnitts 20, in welchem hier eine Mehrzahl von n Stabelektroden angeordnet ist, von besonderer Bedeutung.
Aus dem Stand der Technik war bekannt, dass die Anzahl von Elektroden erhöht werden sollte oder es wurden Elektroden mit „Auflageschuhen", welche konzentrisch angeordnet sind, eingeführt. Auch Ringe und Platten sowie Klauen in mannigfacher Ausgestaltung wurden im Bereich der Elektroden angeordnet. Diese einfachen Änderungen brachten aber keine befriedigenden Ergebnisse.
Um das Ausbruchverhalten und damit die Ausbruchleistung zu optimieren, musste eine optimale Anordnung und Form der Plus- und Minuselektroden gefunden werden, welche den gesamten Bohrquerschnitt gleichermassen bedient und vor allem in der Randzone des Bohrkopfanfangsteiles 2 einen Überausbruch generiert, damit der Bohrkopfanfangsteil 2 beim Nachführen während des Bohrvorganges
sicher folgen kann. Dabei muss immer eine prozesssichere Zuführung der Hochspannungimpulse erreicht sein und der gesamte Bohrkopfanfangsteil 2 eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweisen. Dies ist mit der im Weiteren näher beschriebenen Anordnung von Stabelektroden 200 im Elektrodenabschnitt 20 erreicht worden. Die Längen L aller Stabelektroden 200 sind derart gewählt, dass alle Spitzen der Stabelektroden 200 bündig auf einer planen Elektrodenfläche abschliessen, sodass ein gleichmässiges Aufliegen aller Stabelektroden 200 im Bohrloch, auf der planen Bohrlochsohle erreicht ist.
Der Bohrkopfanfangsteil 2 ist als metallisches Gestell ausgebildet, umfassend mindestens den Elektrodenabschnitt 20 und einen Bohrkopfanschlussabschnitt 21, welche aneinander befestigt oder angeformt sind.
Vom Elektrodenabschnitt 20 ragen eine Mehrzahl von n Stabelektroden 200 weg, in die vom Bohrkopfanschlussabschnitt 21 abgewandte Richtung. Die Längsrichtung ist mit dem gestrichelten Pfeil markiert, wobei die Pfeilspitze in die Vorschubrichtung des Bohrkopfanfangsteiles 2 zeigt.
Die n Stabelektroden 200 sind aus Stabilitätsgründen stabförmig und voll ausgeführt, sodass sie gegeneinander isoliert über eine möglichst grosse Fläche verteilt sind, entlang der Querschnittsfläche des Elektrodenabschnitts 20. Die n Stabelektroden 200 sind derart am elektrisch leitfähigen Bohrkopfanschlussabschnitt 21 befestigt, dass es bei hohen elektrischen Spannungen keine Überschläge oder Kurzschlüsse gibt. Der Bohrkopfanschlussabschnitt 21 ist darum im Wesentlichen als metallisches Gestell, umfassend mehrere Zuführstreben 210 mit direktem oder indirekten Kontakt zu den n Stabelektroden 200 und mindesten zwei Anschlussflansche 211, 211' an welchen die Zuführstreben 210 befestigt oder angeformt sind.
Die Anschlussflansche 211, 211' dienen in der Regel der Befestigung des Bohrkopfanfangsteils 2 an weiteren Bauteilen des Bohrkopfes und/oder an der Hochspannungszuführung 10.
An den Anschlussflanschen 211, 211' können Hochspannungskabel 10 als eine Ausführung der Hochspannungszuführung 10 eines Hochspannungsgenerators 1 angeschlossen werden, welcher in Figur 2a mit einem Hochspannungszeichen angedeutet ist. Auch im Bohrkopfanschlussabschnitt 21 muss eine ausreichende Stabilität erreicht sein, damit Kurzschlüsse verhindert werden. Obwohl hier keine mechanischen Belastungen wie in klassischen Drehbohrsystemen auftreten, da es keine Rotationsbewegung gibt, ist der Druck, mit welchem der Bohrkopfanfangsteil 2 auf das Gestein 4 in Vorschubrichtung gepresst wird, recht hoch. Im Idealfall ist die axiale Belastung des Bohrkopfanfangsteils 2 praktisch Null. Die Stabelektroden 200 sind jeweils mit dem ersten Anschlussflansch 211 oder mit dem zweiten Anschlussflansch 211' kurzschluss- und überschlagsfrei verbunden. Damit können verschiedene Stabelektroden 200 unterschiedliche Polarisierungen aufweisen.
Anstelle von Hochspannungskabeln 10 können auch mechanisch stabilere Streben als Hochspannungszuführung 10 fungieren, welche eine mechanische Stabilisierung erzeugen.
Die Zuführstreben 210 können als metallische Rohre oder als Vollstäbe ausgebildet sein, während die mindesten zwei Anschlussflansche 211, 211' bevorzgut angeschweisst sind. Die Abstände zwischen im Betrieb unterschiedlich gepolten und mit Hochspannung beaufschlagten Zuführstreben 210 sind auf die Hochspannung abgestimmt gewählt, damit Kurzschlüsse und Überschläge ausgeschlossen sind. Da im Bohrloch eine wässrige Flüssigkeit als Bohrspülung 5 eingesetzt wird, sind die Vorgaben entsprechend definiert, sodass der Plasmakanal 3 im Betrieb bevorzugt durch das Gestein 4 erzeugt wird.
In Figur 2b erkennt man, dass die unterschiedlichen Zuführstreben 210, für die Spannungsbeaufschlagung und eine mechanische Stabilität sorgen. Hier beträgt der Abstand zwischen den mindestens zwei Anschlussflanschen 211, 211' etwa die Hälfte der Länge des gesamten Bohrkopfanschlussabschnitts 21. Dies ist mit gestrichelten senkrechten Linien in Figur 2b angedeutet.
Im Elektrodenabschnitt 20 hat sich eine gleichmässige Verteilung von parallel zueinander angeordneten gleich dicken n Stabelektroden 200, mit Stabelektrodendurchmessern d von grösser 5mm, besonders bevorzugt von 8mm, aber grundsätzlich mit einem Stabelektrodendurchmesser d kleiner 20 mm als vorteilhaft erwiesen, da nur so ein homogenes Bohrergebnis erzielt werden konnte.
Die Länge L der n Stabelektroden 200 zwischen deren Spitzen und dem Bohrkopfanschlussabschnitt 21 sollte grösser als 100mm und bevorzugt kleiner als 200mm sein, besonders bevorzugt zwischen 150 und 170 mm liegen.
In Relation der Länge L der Stabelektroden 200 zwischen Spitze und dem rückwärtigen Ende der Stabelektrode 200 zum Abstand a zum nächsten Nachbarn zwischen Stabelektroden 200 ist L/a von 1 : 1 bis 5: 1 vorteilhaft. Die Länge L der Stabelektroden 200 wird unabhängig von der Befestigung zwischen der Spitze der Stabelektrode 200 und dem der Spitze gegenüberliegenden rückwärtigen Ender der Stabelektrode 200 gemessen.
Ein weiteres Merkmal des Bohrkopfanfangsteils 2 ist ein Abstand x zwischen einer ersten Stabelektrodenbefestigungsebene und einer zweiten Stabelektrodenbefestigungsebene der verschiedenen Stabelektroden 200. Dieser Abstand x sollte bevorzugt ein bis dreimal dem Abstand a entsprechen.
Die Gesamtlänge des Bohrkopfanfangsteiles 2 sollte etwa grössergleich 2 mal der Länge L der Stabelektroden 200 betragen, sodass die mechanische Stabilität ausreichend ist.
Um einen homogenen Plasmakanal 3, eine gleichmässige Verteilung der Plasmakanäle 3 bzw. resultierend eine homogene Bohrung in Wasser 5 als Bohrspülung 5 zu erreichen, wurden die n Stabelektroden 200 mit unterschiedlicher Polarität derart angeordnet, dass der Abstand a zwischen nächst benachbarten Stabelektroden 200 mindestens 10mm, eher grösser als 40mm, besonders bevorzgut 48 mm beträgt.
Neben einer Anordnung von parallelen Reihen und Spalten von Stabelektroden 200 mit gleicher Polarität, wobei jede Stabelektroden 200 jeweils zwei nächste Nachbarn beidseitig in der gleichen Reihe und jeweils einen linken und einen rechten nächsten Nachbarn in jeder Nachbarspalte aufweist, hat sich eine weitere Ausgestaltung als effizienter erwiesen.
Das in Figur 2c gezeigte Elektrodenanordnungsmuster basiert auf einer hexagonalen Anordnung von Stabelektroden 200, wobei in der Mitte eines Sechsecks eine Stabelektrode 200 einer ersten Polarität angeordnet ist und entlang des Umfangs des Secksecks auf deren Ecken sechs weitere Stabelektroden 200' angeordnet sind. Auch in einer solchen Anordnung sind die Abstände a zwischen nächsten Nachbarelektroden gleich Abstand a. Bis auf Stabelektroden 200 im Randbereich hat jede Stabelektrode 200 sechs nächste Nachbarn im Abstand a. Diese nächsten Nachbarn können die gleiche oder die entgegengesetzte Polariät aufweisen, also mit einer entsprechend polarisierten elektrischen Spannung beaufschlagt sein. Dazu müssen Stabelektroden 200 am geeigneten Anschlussflansch 211 angeschlossen sein.
Bevorzugt sind Anordnungen, wobei entlang der Umfangslinie des Sechsecks, um die zentrisch positionierte Stabelektrode 200 verlaufend, Stabelektroden 200 mit jeweils abwechselnder Polarität angeordnet, gewählt sind.
Die Querschnittsfläche Q des Elektrodenabschnitts 20 muss grössergleich der Querschnittsfläche q des Bohrkopfanschlussabschnitts 21 gewählt sein, damit der Bohrkopfanfangsteil 2 ein ausreichend grosses Bohrloch erzeugt und in das Bohrloch nachgeführt werden kann. Die Queschnittsfläche q bzw. der maximale Durchmesser entspricht hier dem Durchmesser des zweiten Anschlussflansches 211'.
Durch die Gestaltung des Bohrkopfanfangsteils 2 als Gestell kann Abraum mittels Bohrspülung 5 weg transportiert werden.
Die Anschlussflansche 211, 211' führen zu einer äusserst stabilen, kurzschluss- und überschlagsfreien Montage der Hochspannungszuführung 10 an den Bohrkopfanfangsteil 2.
In einer weiteren Gestaltung des Elektrodenabschnitts 20 sind äussere, von der zentrischen Längsachse am weitestens entfernten Stabelektroden 200' nicht parallel zur Längsachse, sondern in einem Winkel von der Längsachse weggerichtet angeordnet. Diese Ausführungsform ist in Figur 3 schematisch dargestellt, wobei nur eine obere Hälfte des Bohrkopfanfangsteil 2' dargestellt ist. Der Winkel der äusseren Stabelektroden 200' zur Längsachse sollte 1.5 ° und mehr sein.
Mit dem oben beschrieben Bohrkopfanfangsteil 2 können auch sogenannte Loops einige Kilometer tief effizient, kostengünstig, unter Verwendung von Wasser als Bohrspülung 5 und ohne grossen mechanischen Verschleiss gebohrt werden. Entscheidend ist eine
möglichst homogene gleichmässige Auflage der n Stabelektroden 200 auf dem Gestein. Der Bohrkopfanfangsteil 2 wird auf das Gestein 4 nachgeführt und aufgesetzt, dann erfolgen einer oder mehrere Spannungsimpulse, bis der Bohrkopfanfangsteil 2 wieder nachgeführt wird. Im Optimalfall ist der Bohrkopfanfangsteil 2 so austariert, entlastet oder beaufschlagt, dass er selbsttätig und kontinuierlich der mit dem Bohrfortschritt wandernden Bohrlochsohle folgt.
Durch die hier beschriebenen Stabelektroden 200 sind Punktauflagen der Stabelektroden 200 über den gesamten Bohrquerschnitt verteilt möglich, da die Stabelektroden 200 über die Querschnittsfläche des Elektrodenabschnitts 20 verteilt sind. Es gibt keine elektrischen Querverbindungen zwischen den einzelnen Stabelektroden 200 und auch die Abstände zwischen den Zuführstreben 210 und Anschlussflanschen 211, 211' sind entsprechend gewählt. Die Enden der einzelnen Stabelektroden 200 sind bevorzugt als Kugelkopf mit definiertem Radius ausgestaltet, sie laufen also nicht spitz zu. Im Betrieb ausgebrochene Gesteinsteile, sogenannte cuttings, werden durch die gleichmässige homogene Anordnung der Stabelektroden 200 derart verkleinert, dass der Transportdurchmesser für den Abtransport gesichert erreicht wird und ein Verkeilen der cuttings im Bohrkopfanfangsteil 2 verhindert wird. In den durchgeführten Versuchen wurden gute Bohrresultate erreicht, welche auch im kontinuierlichen Bohrbetrieb vorteilhaft sind.
Bezugszeichenliste
0 Plasma-Puls-Geo-Bohrsystem
1 Hochspannungspulsgenerator
10 Hochspannungszuführung (z.B. Hochspannungskabel)
2 Bohrkopfanfangsteil
20 Elektrodenabschnitt
200 n Stabelektroden d Stabelektrodendurchmesser (bevorzugt 8mm) a Abstand zum nächsten Nachbarn (bevorzugt > 40mm, 48mm)
L Länge der Stabelektroden zwischen Spitze und
Bohrkopfanschlussabschnitt
Q Querschnittsfläche des Elektrodenabschnitts 20
21 Bohrkopfanschlussabschnitt
210 Zuführstrebe
211, 211' Anschlussflansch q Querschnittsfläche des Bohrkopfanschlussabschnitt 21
3 Plasmakanal/Streamer
4 Gestein
5 Bohrspülung (bevorzugt Wasser respektive wasserbasierte
Flüssigkeit)
Claims
Patentansprüche
1. Bohrkopfanfangsteil (2) als Teil eines Bohrkopfes für ein Plasma- Puls-Geo-Bohrsystem (0), wobei der Bohrkopfanfangsteil (2) mindestens einen Elektrodenabschnitt (20) mit mehreren metallischen Stabelektroden (200) umfasst, an welchem eine Hochspannungszuführung (10) befestigbar ist und die Stabelektroden (200) durch einen Hochspannungspulsgenerator (1) mit unterschiedlich polarisierten Spannungsimpulsen beaufschlagbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass am Elektrodenabschnitt (20), abgewandt von der Seite der Stabelektrodenspitzen ein Bohrkopfanschlussabschnitt (21) in Form eines Gestells mit Zuführstreben (210) und mindestens zwei Anschlussflanschen (211, 211') elektrisch verbunden befestigt oder angeformt ist und die Stabelektroden (200) des Elektrodenabschnitts (20) parallel zueinander verlaufend und auf einer planen Elektrodenfläche abschliessend mit gleichen Länge (L) aus metallischen Rohren oder Vollstäben mit Durchmessern (d) kleiner 20 mm ausgerichtet ausgestaltet sind, wobei eine Querschnittsfläche (Q) des Elektrodenabschnitts (20), auf welcher die Stabelektroden (200) verteilt sind, grössergleich einer Querschnittsfläche (q) des Bohrkopfanschlussabschnitts (21) auf welcher Zuführstreben (210) und die mindestens zwei Anschlussflansche (211, 211') verteilt sind, gewählt ist.
2. Bohrkopfanfangsteil (2) nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl von Stabelektroden (200) parallele Reihen und Spalten von Stabelektroden (200) bilden, wobei jede Stabelektroden (200) jeweils zwei nächste Nachbarn in der gleichen Reihe und jeweils
einen linken und einen rechten nächsten Nachbarn in jeder Nachbarspalte aufweist. Bohrkopfanfangsteil (2) nach Anspruch 1, wobei ein Elektrodenanordnungsmuster der Mehrzahl von Stabelektroden (200) auf einer hexagonalen Anordnung von Stabelektroden (200) beruht, wobei in der Mitte eines Sechsecks eine Stabelektrode (200) einer ersten Polarität angeordnet ist und entlang des Umfangs des Secksecks auf deren Ecken sechs weitere Stabelektroden (200') angeordnet sind. Bohrkopfanfangsteil (2) nach Anspruch 3, wobei bis auf Stabelektroden (200) im Randbereich jede Stabelektrode (200) sechs nächste Nachbarn im gleichen Abstand (a) aufweist, welche die gleiche oder die entgegengesetzte Polariät aufweisen. Bohrkopfanfangsteil (2) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Stabelektroden (200) entlang der sechseckigen Umfangslinie um die zentrische Stabelektrode (200) mit jeweils abwechselnd polarisierter elektrischen Spannung beaufschlagbar sind und entsprechend mit den Anschlussflanschen (211, 211') elektrisch leitend verbunden sind. Bohrkopfanfangsteil (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abstand (a) zwischen direkt benachbarter Stabelektroden (200) gleich ist und mindestens 10mm beträgt. Bohrkopfanfangsteil (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Verhältnis der Länge (L) der Stabelektroden (200) zwischen Spitze und dem rückwärtigen Ende der Stabelektrode (200) zum Abstand (a) zum nächsten Nachbarn zwischen Stabelektroden (200) L/a zwischen 1 : 1 und 5: 1 liegt.
8. Bohrkopfanfangsteil (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Abstand (x) zwischen einer ersten Stabelektrodenbefestigungsebene und einer zweiten Stabelektrodenbefestigungsebene der verschiedenen Stabelektroden (200), mit einem Wert zwischen einmal bis dreimal Abstand (a) entspricht.
9. Bohrkopfanfangsteil (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wegragenden Enden der Stabelektroden (200) jeweils als Kugelkopf ausgestaltet sind, mit definiertem Radius.
10. Bohrkopfanfangsteil (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Länge (L) der Stabelektroden (200) zwischen deren Spitzen und dem Bohrkopfanschlussabschnitt (21) grösser als 100mm und bevorzugt kleiner als 200mm ist, besonders bevorzugt zwischen 150 und 170 mm.
11. Bohrkopfanfangsteil (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gesamtlänge des Bohrkopfanfangsteiles (2), Elektrodenabschnitt (20) und Bohrkopfanschlussabschnitt (21) zusammen, grössergleich zweimal der Länge (L) der Stabelektroden (200) ist.
12. Bohrkopfanfangsteil (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abstand zwischen den mindestens zwei Anschlussflanschen (211, 211') maximal der Hälfte der Länge des gesamten Bohrkopfanschlussabschnitts (21) entspricht.
13. Bohrkopfanfangsteil (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei äussere, von einer zentrischen Längsachse des Bohrkopfanfangsteils (2) am weitesten entfernten
Stabelektroden (200') in einem Winkel von mehr als 1.5° von der Längsachse weggerichtet angeordnet sind.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CH000703/2022A CH719769A2 (de) | 2022-06-10 | 2022-06-10 | Bohrkopfanfangsteil als Teil eines Bohrkopfes für ein Plasma-Puls-Geo-Bohrsystem. |
| PCT/CH2023/050019 WO2023235993A1 (de) | 2022-06-10 | 2023-06-02 | Teil eines bohrkopfes für ein plasma-puls-geo-bohrsystem |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
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