ES2251356T3 - Procedimiento de perforacion con masa fundida metalica. - Google Patents

Abstract

Procedimiento de perforación por fusión para practicar perforaciones con dimensiones uniformes, en particular de gran diámetro, en roca, en el que la masa fundida de cascote es prensada en la roca circundante escarificada mediante la acción de temperatura y presión, y en el que durante la perforación se constituye, al solidificarse la masa fundida, un revestimiento (11) del agujero perforado, caracterizado porque como medio de perforación se alimenta una masa fundida de metal puro (2), a través de elementos de conducción (9), al fondo (19) del agujero perforado a erosionar mediante fusión.

Description

Procedimiento de perforación con masa fundida metálica.

La presente invención se refiere a un procedimiento de perforación por fusión para practicar perforaciones con dimensiones uniformes, en particular de gran diámetro, en roca, en el que la masa fundida de cascote es prensada en la roca circundante escarificada mediante la acción de temperatura y presión, y en el que durante la perforación se constituye, al solidificarse la masa fundida, un revestimiento del agujero perforado.

Es generalmente conocido practicar perforaciones en roca por medio de la fusión de la roca a erosionar. Así por ejemplo, el documento US 3357605 publica un cabezal de perforación, con el que se pone en práctica la fusión de roca.

Este cabezal de perforación, que está hecho de un metal resistente a altas temperaturas, como por ejemplo molibdeno o wolframio, es calentado por medio de elementos de calefacción hasta una temperatura por encima de la temperatura de fusión
(1000 – 2000ºC) de la roca e introducido a presión, por medio de costosos varillajes de avance prolongables, bajo alta presión, en la roca, que es fundida seguidamente.

La problemática del transporte de evacuación de la masa fundida de cascote de roca que se produce en el proceso de perforación se resuelve aquí de modo que la masa fundida de roca penetra en una abertura del cabezal de perforación y es impulsada seguidamente a la superficie mediante una rápida corriente de gas dentro de un tubo de guiado.

A pesar de la capacidad resistente de los materiales, el cabezal de perforación está sometido a un gran desgaste debido a la acción corrosiva de la roca fundida, por lo que el mismo debe ser recambiado periódicamente.

Es conocido también resolver la problemática del cascote de modo que, además de los gradientes de temperatura extremadamente altos reinantes por naturaleza en el cabezal de perforación entre la masa fundida de roca y la roca sólida que la rodea, la masa fundida es sometida a una elevada presión, para mediante la solicitación a temperatura/presión ocasionar una formación de fisuras y un agrietamiento de la roca sólida circundante, en la que puede ser prensada la masa fundida de cascote de roca. Según este método no es necesario por tanto ya transportar el material de cascote a la superficie.

Es conocido también que durante la ejecución de perforaciones por fusión, la masa fundida de roca sea prensada alrededor del cabezal de perforación, por lo que la masa fundida se solidifica por encima y alrededor del cabezal de perforación por fusión, en particular también gracias a las medidas de refrigeración previstas, y el agujero perforado queda revestido con una capa de masa fundida vidriada uni-
forme.

Un dispositivo de este tipo, en el cual la roca es fundida mediante una llama de H_{2}/O_{2}, es conocido según el documento DE 2 554 101.

Una instalación de perforación por fusión y un procedimiento para el funcionamiento de la instalación, que hace uso del prensado del cascote en la roca circundante y del revestimiento del agujero perforado, son conocidos según el documento DE 195 01 437 A1. El dispositivo descrito aquí se emplea en galerías de sal y utiliza la propia sal fundida como medio de perforación.

En los dispositivos conocidos se presenta la problemática de que, debido a la masa fundida que se solidifica por encima y alrededor del aparato de perforación, se produce una adhesión entre las paredes del aparato de perforación y el revestimiento del agujero perforado, que debe ser vencida convencionalmente mediante instalaciones de avance y elevación hidráulicas especiales para un posterior avance de la perforación.

En consecuencia, según los procedimientos conocidos hay que trabajar con una presión de apriete hidráulica continua, lo que hace muy costosa la instalación de perforación en conjunto, porque la misma ha ser diseñada para presiones enormes de hasta varios miles de toneladas.

Un dispositivo de perforación conocido según el documento US 5 168 940 emplea para el cabezal de perforación una mezcla de cerámica metálica, para reducir el desgaste y vencer más fácilmente las fuerzas de adhesión entre superficie del cabezal de perforación y masa fundida de roca.

Las instalaciones conocidas deben ser equipadas con costosas conducciones de alimentación, para alimentar las enormes cantidades de energía a través de varios kilómetros de profundidad de perforación al cabezal de perforación, para su calefacción.

Debido a la fusión alrededor del cabezal de perforación, también la posterior elevación del aparato de perforación resulta aquí problemática.

Es problema de la invención proporcionar un procedimiento de perforación que ahorre energía, de utilización universal, con el que se puedan practicar, en cualquier subsuelo de roca, perforaciones profundas, pozos y túneles, tanto horizontales como verticales, listos para su uso, en particular con avance continuo, en particular con grandes diámetros de los agujeros perforados, por ejemplo mayores de 1 metro.

Es además problema de la invención proporcionar un procedimiento y un dispositivo para la puesta en práctica de este procedimiento, con los que se pueda poner en práctica un proceso de perforación por fusión sin medidas de refrigeración adicionales, sin costosos montajes de varillajes de perforación, sin componentes móviles, sin cambios del cabezal de perforación, sin transporte de cascote y sin posteriores trabajos de entubado y revestimiento, de manera económica y fácil.

La invención se plantea también proponer materiales especiales para su empleo general en procedimientos de perforación por fusión.

Estos problemas se resuelven según la invención, entre otros, de modo que como medio de perforación se alimenta una masa fundida que contiene metal, a través de elementos de conducción, al fondo del agujero perforado a horadar mediante fusión.

A saber, para la puesta en práctica del procedimiento de perforación se vierte masa fundida que contiene metal, debiéndose entender también como tal una masa fundida de metal puro, por ejemplo masa fundida de hierro a una temperatura de llenado de aproximadamente 2000ºC, como medio de perforación de baja viscosidad, en el primer elemento de conducción en la dirección de perforación, por lo que la masa fundida de metal sale desde el último elemento de conducción directamente sobre el fondo del agujero perforado y funde y erosiona la roca del fondo del agujero perforado.

La erosión del cascote de roca fundido se favorece además porque la roca tiene una densidad notablemente menor que la masa fundida de metal, por lo que la masa fundida de roca flota automáticamente sobre la masa fundida de metal. El fondo del agujero perforado es liberado por tanto, automática y continuamente, de la masa fundida de roca que ha sido fundida.

Gracias a la elevada presión estática que se establece debido a la columna de masa fundida de metal existente en los elementos de conducción se ocasiona que, en el procedimiento según la invención, la masa fundida de metal que sale desde el elemento de conducción más inferior con el material de cascote (masa fundida de roca) sea conducida entre el lado exterior de los elementos de conducción y la pared interior del agujero perforado, donde se solidifica en el curso del avance de la perforación. Como el proceso de perforación se efectúa sin medidas de refrigeración adicionales, se obtiene un ahorro de energía y costes superior al 50% frente a procedimientos de perforación por fusión conocidos.

La masa fundida solidificada, que puede ser también una mezcla de masas fundidas de metal y roca, forma un cierre a presión entre elemento de conducción y pared interior del agujero perforado, por lo que debido los gradientes de temperatura extraordinariamente elevados en la roca y a la presión generada tiene lugar automáticamente un agrietamiento del material de roca, con lo que sobre todo la masa fundida de cascote, más ligera, es prensada en la roca circun-
dante.

La merma de masa fundida de metal, que se produce debido al prensado y a la solidificación, se puede compensar en el comienzo de la perforación, en el primer elemento de conducción, mediante una realimentación de masa fundida de metal. Esta realimentación se puede efectuar tanto continua como discontinuamente, porque el volumen de la columna de masa fundida establecida sobre el fondo del agujero perforado actúa como reserva.

Por tanto, según la invención es posible practicar, en un proceso de perforación continuo, mediante prensado de la masa fundida de roca, un agujero perforado de forma estable, en particular revestido de fundición metálica, que puede presentar grandes diámetros, por ejemplo mayores de 1 metro, y esencialmente cualesquiera perfiles, pudiendo este agujero perforado ser entregado para su utilización prevista sin tratamiento adicional posterior, debido a su revestimiento automático con fundición metálica. Además, la perforación se puede efectuar no sólo verticalmente, sino también horizontalmente así como bajo otros ángulos respecto a la superficie terrestre, por lo que se pueden efectuar perforaciones para los más diversos fines de utilización, como por ejemplo centrales de energía geotérmica, conducciones de alimentación o túneles.

Esto significa que con el procedimiento de perforación por fusión según la invención, en una única etapa de trabajo se funde un agujero perforado, se prensa la masa fundida del agujero perforado en la roca circundante, y a partir de la masa fundida de roca enfriada se obtiene un revestimiento del agujero perforado estable, prensado a presión, que está entubado simultáneamente además mediante una pared metálica sin costura.

El procedimiento según la invención abre por tanto la posibilidad, ventajosamente, de practicar agujeros perforados revestidos con metal de las dimensiones citadas incluso a profundidades superiores a 10 kilómetros en una etapa de trabajo, sin tener que transportar la masa fundida del agujero perforado ni tener que emplear refrigerantes, pudiéndose trabajar con este procedimiento a temperaturas superiores a 3000ºC, presiones del terreno superiores a 100*10^{6} Pa (1000 bar), presiones de corte de la masa fundida de hasta 1000*10^{6} Pa (10.000 bar) o más y con un peso de elementos de conducción superior a 10.000 t en el objetivo de perforación, lo que no permite la técnica de perforación mecánica convencional.

Es particularmente ventajoso que la masa fundida empleada como medio de perforación contenga metales magnéticos, como por ejemplo hierro, cobalto o níquel, o bien que consista por completo en un metal o aleaciones metálicas de este tipo. En el procedimiento según la invención se puede trabajar también con diferentes masas fundidas de metales no magnéticos, como por ejemplo cobre, pero la masa fundida de hierro por ejemplo resulta particularmente conveniente aquí, porque los costes de una masa fundida de este tipo son bajos, el hierro es fácil de obtener, y a la presión atmosférica tiene un punto de vaporización alto, de aproximadamente 3000ºC.

Mediante el empleo de una masa fundida de metal se obtiene la posibilidad, como se explicará más adelante, de manipular o controlar de modo electromagnético todo el dispositivo de perforación.

Como en el procedimiento de perforación por fusión se puede trabajar incluso a la presión atmosférica con una masa fundida de hierro sobrecalentada a aproximadamente 3000ºC, se plantean requerimientos de material altísimos a los elementos de conducción, a través de los cuales se alimenta la masa fundida de hierro al fondo del agujero perforado.

Se propone generalmente configurar ventajosamente los dispositivos de perforación de los tipos más diversos para practicar perforaciones por fusión en roca, con los que se puede fundir la roca a erosionar y por medio de los cuales se puede elaborar de manera ventajosa, por medio de la masa fundida generada en el proceso de fusión y/o introducida en el agujero perforado, un revestimiento del agujero perforado formado por masa fundida solidificada, de modo que las superficies del dispositivo de perforación que están en contacto con la masa fundida, en fusión o solidificada, están hechas de un material resistente a altas temperaturas.

Los dispositivos de perforación en cuestión pueden ser no sólo el dispositivo según la invención, sino también todos los dispositivos de perforación por fusión, tales como son conocidos por ejemplo según el documento US 3 357 505 y particularmente según el documento DE 2 554 101.

Debe señalarse aquí que bajo el término masa fundida debe entenderse tanto la masa fundida de roca pura que se obtiene según los procedimientos convencionales, como la masa fundida introducida en el agujero perforado en correspondencia con el procedimiento según la invención aquí propuesto, o la masa fundida mixta que se obtiene a partir de ambas.

De modo correspondiente, también los elementos de conducción que se emplean para la puesta en práctica del procedimiento según la invención están configurados preferentemente de modo que las superficies que están en contacto con la masa fundida, en fusión o solidificada, están hechas de un material resistente a altas temperaturas.

En una configuración particularmente ventajosa para la puesta en práctica del procedimiento según la invención, los elementos de conducción están hechos por completo del material preferente, porque se evita así una estructura compuesta y una complejidad excesiva de los componentes individuales.

Para impedir una adhesión entre la masa fundida solidificada y los elementos de dispositivos de perforación y en particular de los elementos de conducción del dispositivo de perforación según la invención, el material se elige por ejemplo de modo que su coeficiente de rozamiento sea menor de 0,5 y que el material presente una tensión superficial pequeña, para garantizar que no se produce mojado entre material y masa fundida.

Como materiales elegidos son apropiados por ejemplo el grafito o bien materiales cerámicos compuestos metálicos.

El grafito puede cumplir todos los requerimientos exigidos como material para el dispositivo de perforación y en particular para los elementos de conducción. Así por ejemplo, el grafito es un buen conductor térmico y eléctrico paralelamente al recubrimiento, pero actúa como aislante perpendicularmente al recubrimiento. El grafito se puede emplear por tanto para el aislamiento térmico de la masa fundida de metal y también para la conducción de corriente. El mismo tiene además una elevada resistencia y una elevada capacidad deslizante, se puede mecanizar como un metal y en estado verde se puede premoldear y desmoldear manteniendo sus dimensiones.

Una ventaja particular del grafito consiste además en que no es mojado por el metal ni tampoco por las masas fundidas de roca, tal como se desea, y que a presión normal en una atmósfera no oxidante es resistente a temperaturas de hasta aproximadamente 3000ºC. El grafito se caracteriza por lo demás porque su resistencia aumenta también al aumentar la temperatura, alcanzando las resistencias a tracción y compresión sus máximos de aproximadamente 100 y 400 MPa respectivamente a aproximadamente 2500ºC.

Como sin embargo el grafito se oxida, es decir quema, bajo atmósfera de oxígeno a partir de aproximadamente 400ºC, el procedimiento de perforación se lleva a cabo, o al menos se inicia, preferentemente bajo atmósfera de gas protector. El gas protector puede ser preferentemente argón, que debido a su elevada densidad no escapa por sí mismo desde el agujero perforado. Al proseguir el avance de la perforación, los elementos de grafito no están sometidos ya a una atmósfera de oxígeno, por lo que se puede ajustar la alimentación de gas protector.

Por elementos de conducción empleados para el procedimiento se han de entender esencialmente piezas cilíndricas individuales, en particular hechas del citado grafito, que presentan una perforación central.

Las piezas cilíndricas individuales, en las cuales la relación de diámetro exterior a diámetro interior es grande, y en particular mayor de 10 a 1, pueden ser unidas entre sí, por lo que se puede configurar una tubería de grafito, que en el procedimiento de perforación por fusión según la invención asume la función de cabezal de perforación por fusión, cuerpo del aparato de perforación y varillaje, tanto de alimentación como de presión.

Es ventajoso también que gracias al contenido en metal, según la invención la masa fundida puede ser calentada adicionalmente mediante corriente, para garantizar que la masa fundida alcanza en estado líquido calentado el fondo del agujero perforado.

Para ello, por ejemplo una masa fundida de hierro como líquido eléctricamente conductor puede asumir tanto la función de transporte de energía a la roca a fundir como la función de conductor de corriente.

El circuito de corriente se puede cerrar aquí, en un elemento de conducción más superior, a saber al comienzo de la perforación, a través de la masa fundida de metal conducida en los elementos de conducción, volviendo a través de la masa fundida de metal existente en el fondo del agujero perforado y cerrándose a través del revestimiento metálico solidificado exterior del agujero perforado. Es también posible conducir la corriente a través de la tubería de grafito hasta la masa fundida encima del fondo del agujero per-
forado.

La corriente para la calefacción de la masa fundida de metal puede ser además introducida de modo directo o inductivo en la masa fundida.

A medida que avanza la profundidad de la perforación está previsto sujetar en el comienzo de la perforación elementos de conducción adicionales, a saber por ejemplo cilindros de grafito adicionales, al elemento precedente en cada caso.

Se obtiene por tanto como efecto final un ramal de conducción de tubo de grafito, que se extiende a lo largo de toda la profundidad de la perforación. Debido a la menor densidad del grafito respecto a la masa fundida de metal, la tubería de grafito flota al principio sobre la masa fundida y desliza en sentido contrario a la profundidad, con realimentación de masa fundida de metal y erosión del fondo de la perforación. Se obtiene finalmente un equilibrio entre la presión de prensado necesaria para el prensado de la masa fundida y la presión reinante en la masa fundida debido a la fuerza del peso del tubo de grafito situado encima y de la columna de masa fundida.

El espesor del colchón de masa fundida debajo de la tubería de grafito es aquí de aproximadamente
10 cm. La velocidad de perforación es de aproximadamente 5 mm por segundo, debiéndose tener en cuenta que según la invención la perforación se lleva a cabo sin recambio del cabezal de perforación, sin refrigeración y sin transporte de cascote.

Un recambio del cabezal de perforación resulta innecesario porque los elementos de conducción hechos de grafito pueden ser mecánicamente idénticos, por lo que una eventual calcinación en el elemento más inferior no resulta inconveniente. Sin embargo, debería cuidarse de que el elemento de conducción más inferior respectivo, sometido a una eventual calcinación, no presente elemento eléctrico alguno en el entorno de la zona de calcinación, cuya calcinación pudiera conducir a avería o funcionamiento defec-
tuoso.

Un punto esencial de la idea de la invención es que entre el revestimiento del agujero perforado de fundición metálica solidificada y el lado exterior de los elementos de conducción hechos de grafito no se genera adhesión perjudicial alguna, debido a las excelentes propiedades materiales del grafito, por lo que la tubería de grafito puede deslizar en profundidad realmente sin pérdida por rozamiento esencial, y ser levantada posteriormente con igual facilidad.

Esto se obtiene gracias a la pequeña tensión superficial respecto a la masa fundida y a los pequeños coeficientes de rozamiento del grafito, que incluso se hacen menores al aumentar la tempera-
tura.

Es ventajoso además que los elementos de conducción individuales presenten en sus paredes, configuradas en particular gruesas, dispositivos magnéticos excitables, mediante los cuales los elementos de conducción puedan ser guiados y/o fijados como un patín magnético en el revestimiento metálico solidificado del agujero perforado, que de manera preferente está hecho de hierro.

Para garantizar que los electroimanes individuales puedan ser excitados desde el exterior del agujero perforado, los elementos de conducción individuales presentan conducciones de control internas y puntos de control correspondientes entre ellos, a través de los cuales se pueden alimentar señales de control a los dispositivos magnéticos a través de toda la longitud del ramal de conducción.

Mediante esta realización es posible realizar un campo progresivo magnético entre el revestimiento metálico del agujero perforado y los citados dispositivos magnéticos, por lo que la tubería de grafito puede ser levantada y bajada como un patín magnético, mediante un control correspondiente de los dispositivos magnéticos en el agujero perforado. Esto permite en particular influir sobre las relaciones de presión en el fondo del agujero perforado y levantar nuevamente la tubería de grafito al final del procedimiento de perforación.

Por tanto, en unión con el revestimiento magnético del agujero perforado se pueden ejercer sobre los elementos de conducción, mediante control electromagnético, fuerzas de tracción, fijación o compresión. Se puede manipular por tanto la fuerza del peso de los elementos de conducción que actúa en profundidad, con lo que se puede ajustar también el espesor del colchón de masa fundida sobre el que flotan los elementos de conducción.

El posterior levantamiento se puede favorecer aún, si el agujero perforado, terminado, es llenado con agua, en particular bajo presión, para su refuerzo, y en el caso de minería fluida o de minería energética la zona de producción inferior de un agujero perforado de este tipo permanece sin entubar, y las paredes del agujero perforado vidriadas con masa fundida de roca son quebrantadas bajo la presión de impulsión del agua y se liberan los fluidos o el agua geotérmica a alta temperatura.

En otra configuración se prevé montar adicionalmente, dentro de las paredes de los elementos de conducción, otros dispositivos magnéticos excitables, que actúan como válvulas para la masa fundida de metal a alimentar, con lo que se puede influir sobre el flujo de la masa fundida de metal en el interior de los elementos de conducción.

Mediante esta instalación según la invención de las válvulas (electroválvulas) es posible soportar en cada elemento de conducción, mediante bloqueo de la electroválvula, una parte de todo el ramal de masa fundida de metal que se eleva sobre el fondo del agujero perforado, de modo que el peso creciente del ramal de masa fundida de metal se puede distribuir entre varios puntos de fijación, que se obtienen porque los elementos de conducción individuales de la tubería de grafito están sujetos con los imanes de fijación/guiado en el revestimiento de hierro fundido del agujero perforado.

Es posible por tanto variar la presión del peso de la columna de masa fundida de metal. Por ejemplo, mediante la apertura intencionada de las electroválvulas se puede alimentar una cantidad predefinida de masa fundida de metal al fondo del agujero perforado, o bien mediante la apertura simultánea de todas las electroválvulas hacer efectiva en forma de impulso toda la fuerza del peso del ramal de masa fundida de metal en el fondo del agujero perforado. A 10.000 m de profundidad, la presión de la columna de masa fundida de hierro es ya superior a 700*10^{6} Pa
(7000 bar).

Mediante un control en forma de impulsos de las válvulas se puede generar en la masa fundida sobre el fondo del agujero perforado una vibración, que provoca un efecto de aspiración, por lo que el fondo del agujero perforado es liberado de roca fundida y aumenta el avance de la perforación.

Los dispositivos magnéticos según la invención para la configuración de imanes de fijación/guiado o bien electroválvulas o bien otros dispositivos de control, cuyos efectos se basan en fuerzas magnéticas, pueden consistir por ejemplo en bobinas de grafito conductor insertadas en grafito aislante. Es imaginable también formar los dispositivos por masa fundida de metal que fluye en canales de grafito en forma de bobinas. Además, los canales pueden estar configurados en los elementos de conducción hechos de
grafito.

Para poner en marcha el procedimiento de perforación por fusión según la invención, es ventajoso que el proceso de perforación por fusión comience en una perforación previa llena con gas protector, que está recubierta con un tubo metálico, que está anclado en la superficie, en particular en una cubierta de hormigón armado. Esta perforación previa entubada con acero debería presentar una profundidad de aproximadamente 30 a 50 metros, debiendo al menos el metro inferior estar exento de entubado metálico.

Es necesario prever además, en la superficie de la perforación, grupos electrógenos, una instalación de fusión de metal con equipos automáticos de llenado, así como un dispositivo para la sujeción de los elementos de conducción individuales entre sí. No son necesarios para el procedimiento de perforación según la invención otros dispositivos, como por ejemplo torres de perforación de dimensiones extraordinarias o instalaciones hidráulicas de presión y ele-
vación.

Hay que tener en cuenta que la cubierta de hormigón armado está diseñada correspondientemente gruesa y que rodea con gran superficie al agujero perforado, a fin de que al comienzo del proceso de perforación con masa fundida de metal y durante el prensado de la masa fundida de roca y de eventuales fracciones de masa fundida de metal en la roca circundante que se produce se impida un estallido de la masa fundida hacia la superficie.

Como usualmente existen ya fisuras en la roca, sólo es necesaria una presión de unos 10 bar para ensanchar adicionalmente las fisuras existentes y permitir un prensado. Esto significa que basta la profundidad citada de aproximadamente 30 a 50 metros de una perforación previa convencional, para iniciar el procedimiento de perforación con masa fundida de metal según la invención.

Al comienzo de la perforación se hace bajar en la perforación previa revestida con metal el primer elemento de conducción, lo que se efectúa por medio de un dispositivo manipulador y/o con ayuda de imanes de guiado/fijación dispuestos en los elementos. Tras el correspondiente montaje de varios elementos de conducción, que avanzan haciendo tope hasta poco antes del fondo del agujero perforado, se rellena la masa fundida de metal en el interior de la conducción, hasta que la masa fundida de metal asciende entre los elementos de conducción insertados en el agujero perforado y la pared interior de la perforación previa convencional, hasta el borde del revestimiento del tubo metálico. Allí, la misma se une con éste mediante soldadura. El diámetro de la tubería de grafito se ha de dimensionar para ello de modo que el lado exterior de los elementos de conducción y el lado interior del tubo metálico se apliquen mutuamente de modo estanco en estado calentado, para impedir una penetración de la masa fundida líquida de metal.

Se forma por tanto un cierre a presión, por lo que se puede comenzar el proceso de perforación por fusión. Por lo demás, mediante la unión entre el ramal de masa fundida de metal o bien la tubería de grafito y el tubo metálico insertado en la perforación previa se cierra el circuito cerrado de corriente para la calefacción de refuerzo de la masa fundida de metal.

Para optimizar la erosión de roca en el fondo del agujero perforado es ventajoso que el elemento de conducción más inferior que actúa como cabezal de perforación presente al menos una disposición de bomba/tobera magnética, por medio de la cual la masa fundida de metal puede ser lanzada en forma de al menos un chorro de masa fundida sobre el fondo del agujero perforado.

Mediante bobinas de inducción adicionales previstas, que pueden estar formadas por la propia masa fundida de metal en circulación (en correspondencia con canales de flujo en forma de bobinas en el cabezal de perforación), es posible sobrecalentar de tal modo el chorro de masa fundida, que se obtenga un chorro de temperatura extraordinariamente alta de varios miles de grados o un plasma, con el que se puede alcanzar un extraordinario avance de la perforación.

Este chorro de masa fundida sobrecalentada o de plasma se genera mediante aportación a la masa fundida de un sobrecalentamiento local, en particular en la zona central, por lo que se optimiza allí la erosión de roca.

Mediante la configuración de al menos un chorro de masa fundida, que se puede orientar preferentemente por medio de una disposición de bobina magnética prevista en el elemento de conducción más inferior, se obtiene además la posibilidad de contrarrestar una erosión de roca irregular en el fondo del agujero perforado, que se puede producir debido a diferentes tipos de rocas/anisotropía de las rocas. Para ello, el chorro de masa fundida se dirige a aquellos puntos en el fondo del agujero perforado, en los cuales la erosión es menor.

Se puede obtener una imagen sobre la erosión de roca irregular en el fondo del agujero perforado, si se envían impulsos eléctricos por ejemplo a través de la columna de masa fundida y/o de la tubería de grafito hasta el fondo del agujero perforado, y se mide el tiempo de recorrido de los impulsos allí reflejados. Sobre la base de la superficie de la columna de masa fundida/de la tubería de grafito y del tiempo de recorrido de los impulsos se puede pues generar una fotografía topográfica del fondo del agujero perforado, analizarla y conseguir un control del chorro de masa fundida.

Según la orientación del chorro de masa fundida se obtiene de manera ventajosa, en la zona alrededor del chorro, una erosión de roca aumentada, por lo que se genera un fondo del agujero perforado de forma cónica en la dirección del chorro, con lo que se aumenta la superficie de ataque total para la masa fundida caliente de metal y se puede realizar una mayor erosión de roca.

Las disposiciones magnéticas citadas aquí pueden ser excitadas mediante conducciones de control integradas en los elementos de conducción, resultando además particularmente ventajoso que estas disposiciones magnéticas trabajan de modo exento de desgaste.

Para garantizar una movilidad libre del chorro de masa fundida de metal por debajo de la disposición de bobina magnética integrada en el elemento de conducción más inferior (cabezal de perforación), es lógico configurar en el cabezal de perforación un vaciado en forma de embudo dispuesto en particular centralmente, dentro del cual el chorro de masa fundida puede ser abatido por ejemplo hasta 60 grados en todas las direcciones con respecto a la columna de masa fundida de metal.

El proceso de perforación se puede optimizar también ventajosamente si la masa fundida es puesta en rotación encima del fondo del agujero perforado, por lo que la masa fundida de roca más ligera respecto a la masa fundida de metal es impulsada hacia arriba y mediante la fuerza centrífuga hacia fuera, y prensada en las fisuras.

La rotación de la masa fundida se puede provocar además mediante la disposición magnética que desvía también los chorros de masa fundida. El eje de rotación de la masa fundida viene determinado aquí mediante el chorro de masa fundida, por lo que también se puede ajustar el eje de rotación de la masa fundida.

Es ventajoso que estén previstos elementos de control que actúan de manera idéntica sobre la masa fundida, distribuidos por lo menos a todo lo largo del elemento inferior, pero preferentemente en varios de los elementos de conducción inferiores, que ocasionan una rotación de la masa fundida o bien una orientación de los chorros. En este caso, una calcinación de los elementos de conducción no resulta perjudicial y no tiene efectos sobre el control de (los chorros de) la masa fundida.

Así por ejemplo, para practicar una perforación de 10 km de profundidad se emplea una zona inferior de elementos de conducción idénticos sobre una longitud de 100 m, por lo que incluso en caso de gran calcinación en el extremo de la perforación profunda, un elemento de conducción controlable forma todavía el cabezal de perforación.

Como una realización sencilla, los elementos de control pueden ser al menos tres conductores de corriente que están en contacto con la masa fundida, que están insertados en los elementos de conducción. Mediante la excitación de estos conductores con corriente polifásica se puede conseguir una rotación de la masa fundida. Mediante diferentes intensidades de corriente en las fases se puede abatir el eje de rotación de la masa fundida en rotación, en particular hasta aproximadamente 60º.

Es posible también formar los elementos de control, como se ha citado ya anteriormente, mediante bobinas de grafito o masa fundida que fluye por canales.

Se pueden recuperar fracciones de masa fundida de metal eventualmente prensadas conjuntamente, si estas fracciones de masa fundida pueden ser calentadas también mediante la circulación de corriente, por lo que las fracciones de masa fundida permanecen líquidas y retroceden debido la fuerza de la gravedadd en dirección hacia el fondo del agujero per-
forado.

Se favorece aún más una recuperación de las fracciones de masa fundida de metal desde las fisuras de la roca, si mediante los imanes dispuestos en los elementos de conducción se puede ejercer una fuerza de atracción sobre las fracciones de masa fundida de metal prensadas.

Bajo la influencia de las fuerzas de atracción magnética se favorece además la configuración de un revestimiento de metal puro del agujero perforado.

Influyendo sobre estas fuerzas de atracción es posible también practicar intencionadamente un agujero perforado sin revestimiento. Para ello, durante el proceso de perforación se desconectan los dispositivos magnéticos que provocan la fuerza de atracción, por lo que la masa fundida de roca más ligera flota siempre sobre la masa fundida de metal y se solidifica sin ser impulsada hacia fuera mediante la fuerza de atracción.

En consecuencia, se configura así un revestimiento de roca pura.

En los dibujos se representa un ejemplo de realización esquemático de la invención.

La perforación previa con inserción y anclaje de un tubo metálico (3) de pared gruesa, por ejemplo de acero, en el subsuelo asegura el comienzo del procedimiento de perforación con masa fundida de metal sin refrigeración adicional.

Una tubería (1) formada por varios elementos de conducción (9), que están hechos por completo de grafito, es compuesta mediante un robot hidráulico (manipulador) con el elemento de cabezal de perforación (18) en primer lugar, por elementos, a partir de los elementos de conducción individuales (9).

(Para mayor claridad, en el dibujo esquemático no se representan dispositivos de superficie tales como manipulador, instalación de fusión de metal con dispositivo de llenado y grupos electrógenos con conexiones para corriente).

En cuanto la tubería de grafito (1) con sus elementos (9) desliza en el tubo metálico (3) lleno con gas protector de la perforación previa, los imanes de guiado y fijación (8) asumen el posterior avance de la tubería de grafito (1). Una vez que se ha alcanzado el final del entubado de la perforación previa (3) y el elemento de cabezal de perforación (18) ha llegado a un punto de trabajo delante del fondo del agujero perforado, el proceso de perforación con masa fundida de metal puede comenzar con el llenado por ejemplo de masa fundida de hierro y proseguir continuamente hasta el objetivo de perforación, mientras que la alimentación de masa fundida de hierro (10) puede tener lugar de modo discontinuo gracias a la reserva de masa fundida en el ramal de masa fundida de metal (2), por lo que en el ínterin se puede realizar la prolongación por elementos de la tubería de grafito (1) mediante el manipulador en la superficie.

Mediante la activación de al menos una bomba magnética (4) y tobera magnética (5) se comprime mediante fuerza magnética una cantidad definida de la masa fundida de hierro ya sobrecalentada del ramal de masa fundida de metal (2), se sobrecalienta adicionalmente y se prensa bajo alta presión mediante la tobera magnética (5) y se lanza como chorro de masa fundida o plasma sobre el fondo (19) del agujero perforado, obteniéndose gracias a la rápida sucesión del proceso un chorro (17) en forma de impulso, por lo que se refuerza aún el efecto de fusión y erosión.

Para garantizar una erosión uniforme en el fondo del agujero perforado, el chorro de masa fundida de hierro se hace rotar mediante al menos tres imanes de giro (6) como un cono (14) en la función de un "cincel fluido de rodadura" alrededor del eje del chorro de masa fundida (15), pudiéndose abatir el cono mediante fuerza magnética en un ángulo de aproximadamente 60 grados en todas las direcciones (16). Como el chorro de masa fundida ejecuta también automáticamente cada abatimiento debido a la fuerza magnética que actúa sobre él, se asegura una erosión uniforme de la roca delante del elemento de cabezal de perforación (18) de la tubería de grafito (1).

El control del cono de masa fundida de metal (14) se efectúa desde la superficie a través de conducciones de control previstos en los elementos de conducción.

La masa fundida de hierro y la masa fundida de roca liberada llenan el espacio disponible alrededor del elemento de cabezal de perforación (18) de la tubería de grafito (1) con aumento de presión en la masa fundida. Una parte de la masa fundida de hierro es concentrada por encima del elemento de cabezal de perforación (18) por los imanes de fijación (8) alrededor de la tubería de grafito (1) con un espesor deseado, como por ejemplo el del tubo metálico de la perforación previa, y configurado para formar un entubado de hierro fundido uniforme (11) en el procedimiento de perforación por fusión que avanza continuamente.

Debido a la densidad de la masa fundida de hierro, la masa fundida de roca más ligera se desplaza hacia arriba y es prensada, bajo la presión de la masa fundida bombeada o bien bajo la presión de la tubería de grafito (1) que avanza, en la roca lateral debido al ensanchamiento de las fisuras de la roca. La masa fundida de hierro prensada con ella es sometida a calentamiento por medio de circulación de corriente y fluye al avanzar la tubería de grafito (1), debido a la fuerza de la gravedad, volviendo a la zona de masa fundida situada más profunda alrededor del cono de masa fundida (14).

La velocidad de avance de la perforación aumenta con la elevación de la temperatura y de la presión relativa en el chorro de masa fundida respecto a la masa fundida circundante y la sucesión de sus impulsos (efecto de aspiración), así como con la velocidad de circulación del chorro de masa fundida o bien la velocidad de circulación de la masa fundida en rotación.

A medida que aumenta la profundidad de perforación aumenta el peso propio de la tubería de grafito (1) junto con el ramal de masa fundida de metal, hasta que su peso y la presión necesaria para el prensado de la masa metálica en la zona de fusión se equilibran y la tubería de grafito (1) desliza como sobre un colchón de masa fundida.

Para mantener este estado están previstas las electroválvulas (7) instaladas en cada elemento de la tubería de grafito, cada uno de los cuales soporta por sí mismo una parte del ramal de masa fundida de metal, por lo que el peso creciente del ramal de masa fundida de metal, al aumentar la profundidad, se distribuye entre muchos puntos de fijación. Lo mismo es válido para los imanes de fijación (8) en la zona exterior de la tubería de grafito, que se fijan con fuerza magnética al revestimiento de hierro fundido (11) del agujero perforado.

Una vez que se ha establecido una presión por peso suficiente en el ramal de masa fundida de metal (2), esta presión hidráulica en combinación con bomba magnética (4) y tobera magnética (5) se puede utilizar para formar el chorro de masa fundida (15), para lo que todas las electroválvulas abren simultáneamente en forma de impulsos y liberan una pequeña cantidad concreta de masa fundida de hierro. A 10.000 m, la presión de una columna de masa fundida de hierro es ya mayor de 7000 bar, si todas las electroválvulas (7) abren simultáneamente.

Tras liberar por bombeo el ramal de masa fundida de metal (2) y alcanzar el objetivo de perforación, la tubería de grafito (1) se hace retroceder nuevamente de modo deslizante con ayuda de los imanes de fijación y guiado (8), y la tubería de grafito se desmonta por elementos. Para reforzar este trabajo, el agujero perforado se puede llenar con agua a presión.

Claims (28)

1. Procedimiento de perforación por fusión para practicar perforaciones con dimensiones uniformes, en particular de gran diámetro, en roca, en el que la masa fundida de cascote es prensada en la roca circundante escarificada mediante la acción de temperatura y presión, y en el que durante la perforación se constituye, al solidificarse la masa fundida, un revestimiento (11) del agujero perforado, caracterizado porque como medio de perforación se alimenta una masa fundida de metal puro (2), a través de elementos de conducción (9), al fondo (19) del agujero perforado a erosionar mediante
fusión.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la masa fundida de metal puro (2) que sale desde el elemento de conducción más inferior (9) sobre el fondo (19) del agujero perforado es conducida entre el lado exterior de los elementos de conducción (9) y la pared interior del agujero perforado, y se solidifica allí.

3. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la masa fundida solidificada forma un cierre a presión.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la masa fundida de metal puro (2) es calentada mediante
corriente.

5. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado porque la circulación de corriente se cierra a través de la masa fundida (2) conducida en la conducción (9) y el revestimiento solidificado (11) del agujero perforado.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque al avanzar la perforación se sujetan en el comienzo de la perforación elementos de conducción adicionales (9) a cada elemento anterior respectivo (9).

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la merma de masa fundida (2) generada por prensado y fusión es compensada mediante realimentación de masa fundida (10) en el comienzo de la perforación.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el proceso de perforación por fusión comienza en una perforación previa, que está recubierta con un tubo metálico (3), que está anclado en la superficie, en particular en una cubierta de hormigón armado.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el proceso de perforación por fusión comienza bajo atmósfera de gas protector.

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los elementos de conducción (9) son bajados en el tubo metálico hasta ligeramente por encima del fondo (19) de la perforación.

11. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la bajada de los elementos de conducción (9) se efectúa por medio de un dispositivo manipulador y/o con ayuda de los imanes de guiado/fijación (8) dispuestos en los elementos (9).

12. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque para la recuperación/elevación de los elementos de conducción (9), se excitan dispositivos magnéticos (8) dispuestos en los elementos de conducción (9).

13. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque para una recuperación/elevación más fácil de los elementos de conducción (9), el agujero perforado se llena en particular con agua a presión.

14. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el elemento de conducción más inferior (9) presenta al menos una disposición de bomba/tobera magnética (4, 5), por medio de la cual la masa fundida de metal es lanzada en forma de al menos un chorro de masa fundida/plasma (15) sobre el fondo (19) del agujero perforado.

15. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque al menos el elemento de conducción más inferior (9) presenta al menos una disposición de control (6), por medio de la cual se orientan los chorros de masa fundida/plasma (15) y/o por medio de la cual se pone en rotación la masa fundida de metal que se encuentra encima del fondo (19) del agujero perforado.

16. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el chorro de masa fundida (15) es calentado adicionalmente, en particular por medio de una disposición de bobinas de inducción, y forma un chorro de plasma.

17. Utilización de una masa fundida de metal puro como medio de perforación para la puesta en práctica del procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes.

18. Dispositivo de perforación para practicar perforaciones por fusión en roca, con el que se puede fundir la roca a erosionar y por medio del cuales se puede elaborar, mediante la masa fundida generada en el proceso de fusión y/o introducida en el agujero perforado, un revestimiento (11) del agujero perforado formado por masa fundida solidificada, con una tubería (1), que puede ser compuesta por elementos, por varios elementos de conducción (9), caracterizado porque a través de los elementos de conducción (9) se puede alimentar una masa fundida de metal puro (2) como medio de perforación a un elemento de conducción más inferior (9), para erosionar mediante fusión un fondo (19) del agujero perforado.

19. Dispositivo de perforación según la reivindicación 18, caracterizado porque las superficies de los elementos de conducción (9) que están en contacto con la masa fundida, en fusión o solidificada, están hechas de grafito.

20. Dispositivo de perforación según una de las reivindicaciones precedentes 18 o 19, caracterizado porque un elemento de conducción (9) está hecho totalmente de grafito.

21. Dispositivo de perforación según una de las reivindicaciones precedentes 18 a 20, caracterizado porque un elemento de conducción (9) corresponde a una pieza cilíndrica con una perforación central.

22. Dispositivo de perforación según una de las reivindicaciones precedentes 18 a 21, caracterizado porque la relación de diámetro exterior a diámetro interior del elemento de conducción (9) es mayor
de 10:1.

23. Dispositivo de perforación según una de las reivindicaciones precedentes 18 a 22, caracterizado porque en las paredes de un elemento de conducción (9) están dispuestos dispositivos magnéticos excitables (8), que en unión con el revestimiento metálico (11) del agujero perforado se pueden emplear como imanes de fijación y/o de guiado (8).

24. Dispositivo de perforación según una de las reivindicaciones precedentes 18 a 23, caracterizado porque en las paredes de un elemento de conducción (9) están dispuestos dispositivos magnéticos, que se pueden emplear como válvula (7) para la masa fundida a alimentar.

25. Dispositivo de perforación según una de las reivindicaciones precedentes 18 a 24, caracterizado porque el elemento de conducción más inferior (9) forma el cabezal de perforación (18) y presenta un vaciado en forma de embudo dispuesto en particular centralmente.

26. Dispositivo de perforación según una de las reivindicaciones precedentes 18 a 25, caracterizado porque al menos el elemento de conducción más inferior (9, 18) presenta por lo menos una disposición magnética, que forma una bomba (4) para la impulsión de la masa fundida y en particular para la configuración de al menos un chorro orientable de masa fundida (15).

27. Dispositivo de perforación según una de las reivindicaciones precedentes 18 a 26, caracterizado porque al menos en el elemento de conducción más inferior (9, 18) están previstos elementos de control (6), mediante los cuales la masa fundida puede ser puesta en rotación y/o abatida, o bien se puede orientar un chorro de masa fundida/plasma (15).

28. Dispositivo de perforación según una de las reivindicaciones precedentes 18 a 27, caracterizado porque los elementos de control (6) consisten en al menos 3 conductores de corriente que están en contacto con la masa fundida.